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執行器

一般來說，壓電薄膜執行器的設計，主要取決于應用的各種要求，諸如運行速度、位移量、產生的力以及可提供的電源等。壓電膜技術可以提供不同的設計方案來實現上述應用要求，這些設計方案包括：

•    為客戶訂做的單面或雙面電極圖形；
•    多層疊層結構或雙壓電膜片；
•    折疊或卷筒式多層結構；
•    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；
•    模塑三維結構。

上述各種設計方案均各有其優缺點，
例如，卷筒式多層執行器可以產生比較高
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，就構成了一個彎曲的元件，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，而另一片縮短，這樣就形成了彎曲。加相反極性的電壓時，它就向相反方向彎曲。這種結構形式將微小的長度變化變為很大的端部彎曲，但所產生的力小。若采用加厚的壓電膜和多層結構，可增加這種雙壓電薄膜片所產生的力，但要犧牲一定的位移量。

端部彎曲量和所產生的力，按下式計算：

            Δx = 3/4d31 (1²/t²)V 米

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

當加交流電壓時，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，但只在諧振時才獲得最大的端部彎曲，這是由其長度和厚度來決定的。

例四：

在由兩條9µmPVDF壓電膜構成的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的位移量由代表機械增益的Q值決定，雙壓電膜片的典型Q值為20~25。

例如，在一長5mm，厚70µm的雙壓電膜片上加120v的直流電壓，所產生的位移量為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。對于需要較大力的應用場合，如冷卻風扇等，可以考慮采用多層結構。所產生的力隨層數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，即串聯和并聯。為獲得相同的位移量，并聯時
所需電壓要低于串聯時。但另一方面，串聯時所需的
電流要小于并聯時。這二種接線方法對執行器來說總
的電功率是相同的。不過，很顯然，對加工來說，串
聯要比并聯簡單得多。這種雙壓電膜片的彎曲器件，
主要應用于風扇、玩具和裝飾物等。

盤卷式執行器

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

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

如上式所示，一個盤卷式的壓電膜執行器，隨
著橫截面積的增加，可以產生出更大的力和與
更高的諧振頻率響應。加長執行器，則產生更
大的位移量，但降低了響應速度。應當指出，
當Me=0時，若將長度l調節到滿足諧振條件，
則執行器輸出可達到最大。例如，一個直徑為
12mm，長度為25mm的盤卷式壓電膜執行器，
在32KHz的頻率上將達到最大輸出。