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CYMBAL機(jī)電換能器
摘要：一種新型命名為"cymbal"的換能器已經(jīng)出現(xiàn)了，它擁有更大的位移、更大的激振力以及更加經(jīng)濟(jì)有效的制造成本。cymbal換能器由夾在兩片金屬端帽之間的壓電陶瓷片構(gòu)成，即可用于傳感器又可發(fā)生器。相同尺寸壓電陶瓷片的cymbal發(fā)生器能產(chǎn)生大約40倍于普通的換能器的位移。
1、簡介
本文描述一種新型復(fù)合換能器，"cymbal",它有更大的位移和相當(dāng)高的激振力。以下將描述直徑為12.7mm、總高2mm的振子的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，以及位移、激振力和最快響應(yīng)時(shí)間。cymbal振子是第二代月牙形復(fù)合換能器，通過有限元分析以及經(jīng)驗(yàn)發(fā)展而來。在最初的月牙形構(gòu)想中，位移由金屬端帽的彎曲運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。但是，對(duì)cymbal換能器來說，位移則是彎曲和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。而且，端帽通過沖壓金屬薄板就能容易得到。cymbal復(fù)合振子將在本文中與其他換能器的設(shè)計(jì)比較討論。
2、制造和布局方法
需要設(shè)計(jì)一套沖壓模具，以便能以較低的成本、較高的效率制造圓錐形的“cymbal”端帽。通過切割工具鋼可制造出所需的模具，它能沖直徑為12.7mm并且?guī)?.2、直徑為9.0mm的圓錐形空腔。在沖壓成型過程中，也會(huì)產(chǎn)生變形。最終的產(chǎn)品需要表面處理來保證粘結(jié)質(zhì)量。cymbal端帽可由0.25mm~0.20mm厚的金屬板制造，不同厚度金屬板的特性見表1。cymbal換能器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
A）cymbal振子的位移特性
cymbal端帽被粘結(jié)到壓電陶瓷片上，粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂層的厚度大約為20um.在0.1Hz、1kV/mm電場下，用LVDT測量的復(fù)合振子的位移大約為0.05um。同樣使用LVDT系統(tǒng)，可以測得在靜載荷條件下的激振力。響應(yīng)特性包括用HP-4194A計(jì)算響應(yīng)速度和評(píng)估粘結(jié)層。
圖2表明與早期的cymbal振子（0.2mm厚端帽）相比，位移的位置獨(dú)立性。位置獨(dú)立的位移是早期月牙形的一個(gè)缺點(diǎn)。帶有凹槽的月牙形端帽表明其有更少的位置依賴性。該cymbal設(shè)計(jì)傳遞一個(gè)在端帽中心一個(gè)寬的部分偏移量小于1微米均勻的位移。新端帽的大接觸平面設(shè)計(jì)使得它比將單個(gè)振子堆在一起來達(dá)到大的位移更加實(shí)際。另外，新的堆積結(jié)構(gòu)在軸對(duì)稱載荷作用下更加穩(wěn)定。175um的位移值相當(dāng)于5個(gè)cymbal堆積在一起。
圖3表明金屬端帽楊氏模量和陶瓷材料的類型對(duì)復(fù)合cymbal振子（0.25mm厚端帽）的影響。對(duì)于相同的金屬端帽，有位移對(duì)陶瓷壓電系數(shù)的獨(dú)立性。PZT在徑向以及空腔的收縮越大，金屬端帽在軸向的位移也越大。金屬端帽得位移會(huì)隨著硬度的增大而變小，這與在端帽的 運(yùn)動(dòng)中高的機(jī)械損失有關(guān)。高硬度金屬的位移大約是低硬度金屬端帽可達(dá)到位移量的52-57%，且與陶瓷類型無關(guān)。
壓電、電致伸縮轉(zhuǎn)換類型的電動(dòng)陶瓷元件在cymbal設(shè)計(jì)中作為驅(qū)動(dòng)元件。即使線性位移特性，壓電陶瓷cymbal依然顯示高的滯后現(xiàn)象。通過使用PMN-FT類型electrosuictive ceever 有電致伸縮驅(qū)動(dòng)元件cymbal振子顯示了非線性位移。這種材料的獨(dú)特屬性就是其在集中電場下的測定體積擴(kuò)展。跟cymbal端帽設(shè)計(jì)一樣，這種測定體積擴(kuò)展被轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)的軸向位移。圖4顯示有PNZST驅(qū)動(dòng)元件的cymbal振子的位移滯后現(xiàn)象。
B）最大激振力
黃銅端帽cymbal振子的最大激振力大約是15N。對(duì)于cymbal振子來說，端帽材料的彈性是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)槎嗣痹诩辛ψ饔孟氯菀紫駨椈梢粯舆\(yùn)動(dòng)。cymbal振子的作用力范圍與月牙形振子相比要大一些。由于使用了硬質(zhì)金屬端帽，力的范圍可能明顯地增加。鎢端帽的cymbal振子表現(xiàn)出了一個(gè)大于100N的激振力。圖5彈性模量對(duì)cymbal振子的位移和激振力性能的影響。
C）cymbal振子最快響應(yīng)時(shí)間
對(duì)于振子來說，最快響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)，它可以被定義為到達(dá)振子快和精確響應(yīng)的時(shí)間。系統(tǒng)的機(jī)械諧振限制了實(shí)際的作用域。振子應(yīng)該用于它們的諧振頻譜的線性范圍內(nèi)。cymbal振子的最快響應(yīng)時(shí)間由式t=（1/f）來評(píng)估，其中f是彈性響應(yīng)頻率。圖6帶有不同壓電驅(qū)動(dòng)元件的cymbal振子的FRT。在給定的尺度下，cymbal振子最快響應(yīng)時(shí)間大約是50usec。
D）cymbal有效壓電系數(shù)
壓電電荷系數(shù)是一個(gè)材料參數(shù)。對(duì)于傳感器來說正壓電效應(yīng)是重要的，而負(fù)壓電效應(yīng)對(duì)作動(dòng)器很重要。由于月牙形和cymbal的復(fù)合設(shè)計(jì)，有效的壓電系數(shù)用于區(qū)分材料常數(shù)。月牙形和cymbal換能器的壓電系數(shù)可用 a modified Berlincourt meter來測量。例如，0.30mm厚的黃銅端帽，大約10,000 pC/N的壓電系數(shù)在中心處被測量。月牙形振子端帽下方的空穴在月牙形的特性中扮演一個(gè)至關(guān)重要的角色。月牙形換能器的壓電電荷系數(shù)也顯示了與位移相似的位置依賴性。
用cymbal端帽，壓電系數(shù)增加大約60%。直徑12.7mm和總厚1.7mm的cymbal，其有效壓電系數(shù)大于在直徑為3mm的cymbal換能器的中心部分的15000pC/N。我們推斷，在月牙形金屬端帽的邊緣附近的厚金屬區(qū)域是一個(gè)被動(dòng)區(qū)域，它不僅不能協(xié)助壓力的傳遞，相反還降低了總的效率。而cymbal端帽能更有效地傳遞壓力，明顯地改善能量傳遞。
4.討論
A.Comparison of the Solid Stale Actuator Designs
各種各樣的固體作動(dòng)器設(shè)計(jì)的幾個(gè)特點(diǎn)被列出在表11中。由于幾何學(xué)和特定應(yīng)用中的不同操作環(huán)境的差異，比較不同振子是相當(dāng)困難的。為了作一個(gè)公平的比較，每一個(gè)振子都被選擇了相似的尺寸，且測量環(huán)境是在表11中指定的那些。有適度激振力和位移值得月牙形cymbal振子填補(bǔ)了多層和雙壓電晶片元件之間的鴻溝。每一個(gè)固體作動(dòng)器的設(shè)計(jì)具有吸引人的特征，這些特征可以開發(fā)作為特定的應(yīng)用。月牙形cymbal振子的優(yōu)點(diǎn)是：通過改變空穴尺寸和端帽尺寸，能很容易的得到想要的振子的性能。它的另一優(yōu)點(diǎn)就是制造方便。彩虹形振子也部分地填補(bǔ)了上述鴻溝。對(duì)于那種類型的振子，高溫下陶瓷元件的處理期間一個(gè)變形階段導(dǎo)致了一個(gè)半導(dǎo)體層和應(yīng)力偏差。即使它表現(xiàn)出了一個(gè)彎曲運(yùn)動(dòng)，彩虹形可以被分為單晶體或者unimorph振子類。彩虹形的有效耦合因子在理論上依然比月牙形cymbal小。與cymbal相比，高集中場，位置獨(dú)立位移和成本是彩虹形振子主要的缺點(diǎn)。在月牙形cymbal振子設(shè)計(jì)中，多層壓電陶瓷晶片可能被用作驅(qū)動(dòng)元件，這樣就可以降低驅(qū)動(dòng)電壓。在這項(xiàng)研究中，為了研究端帽材料和驅(qū)動(dòng)元件的影響，我們保持尺寸不變。并且，通過縮小結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到更高的位移是可能的。以35mm的直徑為例，可達(dá)到150um的位移值。cymbal換能器的有限元分析和比例縮放的研究將在其它的出版物中被發(fā)表。
B）cymbal換能器的應(yīng)用前景
cymbal換能器在汽車工業(yè)中有很大的潛力。在汽車工業(yè)中，它們可以被用作傳感器和振動(dòng)抑制元件。cymbal振子也可在閥的設(shè)計(jì)中用作轉(zhuǎn)換元件。在循環(huán)過程中，在月牙形cymbal換能器內(nèi)部有一個(gè)體積的變化。該體積的改變可在微泵中得到應(yīng)用。像CD-ROM和磁盤存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器一樣的高密度存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器是另外一些可能的應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)閏ymbal振子有傳遞精確位置的能力。
由于高的壓電電荷系數(shù)，月牙形cymbal換能器可用作水聽器，加速計(jì)和氣-聲換能器。在低的頻率下，cymbal加速計(jì)比PZT陶瓷有更高的靈敏度。cymbal型水聽器的優(yōu)點(diǎn)就是有非常大的流體動(dòng)力電荷和電壓系數(shù)而且有輕一些的重量和便宜一些的制造成本。