具有“前进<italic style="font-style: italic">-</italic>前进”运动模式的惯性压电驱动器

胡意立; 胡影; 李建平; 温建明; 兰虎

doi:10.37188/OPE.20212906.1356

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具有“前进-前进”运动模式的惯性压电驱动器

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2021-07-03

- 具有“前进-前进”运动模式的惯性压电驱动器
- Piezoelectric inertial actuator with “forward-forward” motion mode
- 光学精密工程 2021年29卷第6期页码：1356-1364
- 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：
  
  [ "胡意立（1989-），男，浙江杭州人，博士，讲师，2020年于上海交通大学获得博士学位，现为浙江师范大学讲师，主要研究方向为压电能量采集技术与压电驱动与控制技术。E-mail： huyili@zjnu.edu.cn" ]
  [ "温建明（1980-），男，河北承德人，博士，教授，2009年于吉林大学获得工学博士学位，现为浙江师范大学教务处副处长，主要从事压电驱动与控制技术、生物细胞电阻抗检测技术方向的研究。E-mail： wjming@zjnu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(51507154);浙江省自然科学基金资助项目(LY19E050010;LQ21E050013);浙江省重点研发设计项目(2021C01181);浙江师范大学2021年度实验技术开发项目(SJ202120)
- DOI：10.37188/OPE.20212906.1356
  中图分类号： TN384
- 收稿日期：2020-11-13，
  
  修回日期：2020-12-17，
  
  纸质出版日期：2021-06-15
- 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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Piezoelectric inertial actuator with “forward-forward” motion mode

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