积层式压电陶瓷驱动器的结构特点

积层式压电陶瓷驱动器（执行器）的结构如图6-40所示，积层式压电驱动器的伸长量（或变形量）为所有压电陶瓷片伸长量（或变形量）的总和。因为积层式压电驱动器的单个压电陶瓷片的厚度远远小于其他两个方向的尺寸，因此如果在如图6-41所示的方向3对压电陶瓷片的两个端面上施加电压，则整个压电陶瓷片内的电场可以认为是一个均匀电场，这样可以得到整个压电陶瓷片内的电场强度和在其厚度方向上所施加的电压之间的关系为

U₃=E₃δ

因此得到

E₃=U₃/δ

又因为，单个压电陶瓷片在厚度方向的变形量是

Δδ=S₃·δ

而厚度方向的应变为

S₃=d₃₃E₃

因此可以得到

Δδ=d₃₃E₃δ=d₃₃U3

图6-40 积层式压电驱动器结构

图6-41 压电陶瓷薄片

如果整个压电陶瓷驱动器的长度为l，则该压电陶瓷驱动器所包含的压电陶瓷片的个数为n=l/δ，最后可以得到整个压电陶瓷驱动器在驱动电压作用下的变形量为

式中 Δl——积层型压电陶瓷驱动器的总变形量；(www.xing528.com)

n——积层型压电陶瓷驱动器的压电片的片数；

Δδ——单个压电陶瓷片的变形量；

E₃——单个压电陶瓷片极化方向的电场强度；

d₃₃——单片压电陶瓷片在方向3的压电常数；

l——积层型压电陶瓷驱动器的总长；

U₃——积层型压电陶瓷驱动器在方向3上的驱动电压；

δ——片状压电陶瓷片的厚度。

从上式可知压电陶瓷的变形量与厚度无关，而与驱动电压成正比.但由于压电陶瓷电场强度增强时，会引起90度的铁电畴旋转，而这种电畴的旋转对外部电场的响应速度较慢，驱动器的滞后现象愈加明显.因而压电陶瓷片的电压不能太高，而且压电常数d₃₃的大小一般为10^-10m/V数量级，即使给压电陶瓷片加上很高的电压U，所得到的变形量也很小。因此，为了得到较大的位移，可以选择较小的厚度，采用积层式的结构，一方面结构紧凑，而且驱动电压也很低，另一方面大大提高了输出位移。

高压共轨喷油器的高速开关阀中采用压电陶瓷驱动器具有以下突出优点：

1）位移控制精度高，可达0.01μm。

2）响应快，阀芯开、关时间约10～30μs。

3）有较大的输出力，约3.9kN/cm².

4）功耗低，比电磁式驱动器低一个数量级，并且当被驱动物保持一定位置时，其间几乎无功耗。

5）由于是一种固体器件，易于电源、传感器、微机等实现闭环控制。

因此，采用压电驱动器构成高速开关阀，可以明显改善其性能。正是这些优点，驱使许多厂商开发利用压电陶瓷驱动的高压共轨电控喷油器。

但是压电陶瓷的应变很小，约为元件尺寸的千分之一左右，如果直接利用一个高为20mm的压电陶瓷，其变形仅为20μm，此数值用来直接驱动高速开关阀的阀芯，则其位移太小，而且所需驱动电压也很高。因此，一般要对压电晶体的输出位移进行放大。至于具体的位移放大机构，将结合高压共轨喷油器来介绍。