Piezoelectric inertial actuator with “forward-forward” motion mode

Yi-li HU; Ying HU; Jian-ping LI; Jian-ming WEN; Hu LAN

doi:10.37188/OPE.20212906.1356

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Piezoelectric inertial actuator with “forward-forward” motion mode

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2021-07-03

- Piezoelectric inertial actuator with “forward-forward” motion mode
- Optics and Precision Engineering Vol. 29, Issue 6, Pages: 1356-1364(2021)
- 作者机构：
  
  浙江师范大学浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室，浙江金华 321004
- 作者简介：
  
  E-mail： lanhu@zjnu.edu.cn
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20212906.1356
  CLC： TN384
- Received：13 November 2020，
  
  Revised：17 December 2020，
  
  Published：15 June 2021
- 稿件说明：
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胡意立,胡影,李建平等.具有“前进-前进”运动模式的惯性压电驱动器[J].光学精密工程,2021,29(06):1356-1364.

HU Yi-li,HU Ying,LI Jian-ping,et al.Piezoelectric inertial actuator with “forward-forward” motion mode[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(06):1356-1364.
胡意立,胡影,李建平等.具有“前进-前进”运动模式的惯性压电驱动器[J].光学精密工程,2021,29(06):1356-1364. DOI： 10.37188/OPE.20212906.1356.

HU Yi-li,HU Ying,LI Jian-ping,et al.Piezoelectric inertial actuator with “forward-forward” motion mode[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(06):1356-1364. DOI： 10.37188/OPE.20212906.1356.

摘要

针对传统压电惯性驱动器普遍存在的回退问题，创造性地提出双振子反向连接的接线方式，在此基础上设计了一种惯性压电直线驱动器。基于这种接线方式，可以使驱动器工作在“前进-前进”运动模式，从原理上彻底消除回退现象。首先，为了更好地理解驱动器的运动特性，深入分析了反接条件下的驱动器的运动原理并初步建立了理论模型。接下来，本文设计并制作了试验样机，搭建了试验系统，进行了一系列试验探究该驱动器在正接（传统的接线方式）、反接（所提出的接线方式）两种接线方式下的运动性能。此外，为了评估驱动器的应用价值，利用斑马鱼胚胎进行了细胞药物注射模拟实验。试验结果表明：相较于“前进-回退”的运动模式，在“前进-前进”的运动模式下，驱动器可以实现无回退，能量转换效率从2.16%提高至2.60%，运动速度从6.08 µm/s增大至7.88 µm/s，最大偏差为0.12 µm，标准偏差为0.035 6。所设计的驱动器具有较高的稳定性和能量转换效率，并且完全解决了回退问题，有望用于细胞操作和微电极植入等领域。

Abstract

To solve the problem of backward motion existing in traditional piezoelectric inertial actuators， we designed an inertial piezoelectric linear actuator on the basis of the converse wiring method of double vibrators. The actuator operates in the “forward-forward” motion mode of the converse wiring method， which， in principle， completely eliminates the problem of backward motion. First， to better understand the motion characteristics of the actuator， we performed an in-depth analysis of the working principle of the actuator with the converse method and preliminarily developed a theoretical model. Next， we designed and fabricated a prototype and built an experimental system to perform a series of experiments to explore the motion performance of the actuator in the direct wiring mode （traditional wiring mode） and the converse wiring mode （proposed wiring mode）. The experimental results indicated that the backward/forward rate reached 0 under the forward-forward motion mode， the energy conversion efficiency increased from 2.16% to 2.60%， the average speed increased from 6.08 μm/s to 7.88 μm/s， the maximum deviation was 0.12 μm， and the standard deviation was 0.035 6. In general， the designed actuator has high stability and energy conversion efficiency， and completely solves the problem of backward motion， thus showing that it has great application potential in cell manipulation and other micromanipulation fields.

关键词

Keywords

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