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執(zhí)行器

一般來(lái)說(shuō)，壓電薄膜執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，主要取決于應(yīng)用的各種要求，諸如運(yùn)行速度、位移量、產(chǎn)生的力以及可提供的電源等。壓電膜技術(shù)可以提供不同的設(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用要求，這些設(shè)計(jì)方案包括：

•    為客戶訂做的單面或雙面電極圖形；
•    多層疊層結(jié)構(gòu)或雙壓電膜片；
•    折疊或卷筒式多層結(jié)構(gòu)；
•    擠出成型壓電管和壓電電纜；
•    在各種基片上澆注壓電共聚體；
•    模塑三維結(jié)構(gòu)。

上述各種設(shè)計(jì)方案均各有其優(yōu)缺點(diǎn)，
例如，卷筒式多層執(zhí)行器可以產(chǎn)生比較高
的力，但卻要犧牲一定的位移量。

雙壓電薄膜片
與雙金屬片相似，二片極性相反的壓電薄膜粘在一起，就構(gòu)成了一個(gè)彎曲的元件，或”雙壓電薄膜片”（圖29）。在這種雙壓電膜片上加上電壓之后，使其中一片加長(zhǎng)，而另一片縮短，這樣就形成了彎曲。加相反極性的電壓時(shí)，它就向相反方向彎曲。這種結(jié)構(gòu)形式將微小的長(zhǎng)度變化變?yōu)楹艽蟮亩瞬繌澢�，但所產(chǎn)生的力小。若采用加厚的壓電膜和多層結(jié)構(gòu)，可增加這種雙壓電薄膜片所產(chǎn)生的力，但要犧牲一定的位移量。

端部彎曲量和所產(chǎn)生的力，按下式計(jì)算：

            Δx = 3/4d31 (1²/t²)V 米

            F = 3/2Ywd31(t/l)V 牛頓           
式中：
            Δx    = 直流時(shí)的位移量
            F     = 產(chǎn)生的力
            d31     = 在“1”方向上的壓電常數(shù)
            l, t, w     = 壓電膜的長(zhǎng)度、厚度和寬度
            V     = 所加電壓（伏）
            Y     = 壓電膜的Young氏模量（2×109N/m²）

當(dāng)加交流電壓時(shí)，雙壓電膜片就成了類似昆蟲翅膀那樣的扇子。盡管雙壓電膜片的確顯示了直流響應(yīng)，但只在諧振時(shí)才獲得最大的端部彎曲，這是由其長(zhǎng)度和厚度來(lái)決定的。

例四：

在由兩條9µmPVDF壓電膜構(gòu)成的2cm懸臂雙壓電膜片的二端加100V電壓，其端部的位移量 Δx 等于：
    如上式所示，較長(zhǎng)的雙壓電膜片可以獲得較大的位移量，而較寬的雙膜片則可獲得較大的力。在諧振頻率和直流時(shí)的位移量由代表機(jī)械增益的Q值決定，雙壓電膜片的典型Q值為20~25。

例如，在一長(zhǎng)5mm，厚70µm的雙壓電膜片上加120v的直流電壓，所產(chǎn)生的位移量為57µm。但是,同樣的雙壓電膜片，在580Hz的諧振頻率上，卻可以獲得1.4mm的位移量。對(duì)于需要較大力的應(yīng)用場(chǎng)合，如冷卻風(fēng)扇等，可以考慮采用多層結(jié)構(gòu)。所產(chǎn)生的力隨層數(shù)的增加而成比例地增大。
雙壓電膜片的電連接方面，有二種基本的方法如圖30
所示，即串聯(lián)和并聯(lián)。為獲得相同的位移量，并聯(lián)時(shí)
所需電壓要低于串聯(lián)時(shí)。但另一方面，串聯(lián)時(shí)所需的
電流要小于并聯(lián)時(shí)。這二種接線方法對(duì)執(zhí)行器來(lái)說(shuō)總
的電功率是相同的。不過(guò)，很顯然，對(duì)加工來(lái)說(shuō)，串
聯(lián)要比并聯(lián)簡(jiǎn)單得多。這種雙壓電膜片的彎曲器件，
主要應(yīng)用于風(fēng)扇、玩具和裝飾物等。

盤卷式執(zhí)行器

將圖31中所示的柱形盤卷式雙壓電膜片所產(chǎn)生的力和
位移量表達(dá)如下：
   
    x = d31El    米    
               
    E = V/t    V/m

    F = Yd31EA    牛頓
式中：
x = 直流時(shí)的位移量（米）
F = 所產(chǎn)生的力（牛頓）
f = 諧振頻率
l, t = 壓電膜片的長(zhǎng)度和厚度（米）
Me = 外加負(fù)載的質(zhì)量（kg）
Mp = 壓電執(zhí)行器的質(zhì)量（kg）
A = 橫截面積（m）
Y = Young氏模量（N/m²）
E = 電場(chǎng)（V/m²）

如上式所示，一個(gè)盤卷式的壓電膜執(zhí)行器，隨
著橫截面積的增加，可以產(chǎn)生出更大的力和與
更高的諧振頻率響應(yīng)。加長(zhǎng)執(zhí)行器，則產(chǎn)生更
大的位移量，但降低了響應(yīng)速度。應(yīng)當(dāng)指出，
當(dāng)Me=0時(shí)，若將長(zhǎng)度l調(diào)節(jié)到滿足諧振條件，
則執(zhí)行器輸出可達(dá)到最大。例如，一個(gè)直徑為
12mm，長(zhǎng)度為25mm的盤卷式壓電膜執(zhí)行器，
在32KHz的頻率上將達(dá)到最大輸出。