發(fā)布時(shí)間：2020-04-01所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為了使微小型光學(xué)鏡頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足低能耗、高穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)簡單的要求，采用新型智能材料IPMC設(shè)計(jì)了一種微小型的光學(xué)鏡頭致動(dòng)器，并對(duì)其輸出力、位移及響應(yīng)速度等性能進(jìn)行了研究.根據(jù)直線驅(qū)動(dòng)要求確定了瓣形和環(huán)形結(jié)構(gòu);通過化學(xué)還原方法制備了IPMC材
摘要：為了使微小型光學(xué)鏡頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足低能耗、高穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)簡單的要求，采用新型智能材料IPMC設(shè)計(jì)了一種微小型的光學(xué)鏡頭致動(dòng)器，并對(duì)其輸出力、位移及響應(yīng)速度等性能進(jìn)行了研究.根據(jù)直線驅(qū)動(dòng)要求確定了瓣形和環(huán)形結(jié)構(gòu);通過化學(xué)還原方法制備了IPMC材料，采用激光切割技術(shù)分別制作出5種形狀的環(huán)形和瓣形致動(dòng)器，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試.利用有限元軟件，通過等效熱模型分析了致動(dòng)器的基本性能，結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論分析結(jié)果一致，誤差率在10以內(nèi);瓣形致動(dòng)器的總體位移性能比環(huán)形致動(dòng)器的好;在3V驅(qū)動(dòng)電壓下兩者的位移均大于200m;當(dāng)內(nèi)圓半徑為2mm、瓣數(shù)為8時(shí)，致動(dòng)器的最大位移與響應(yīng)速度均最佳.
關(guān)鍵詞：離子交換聚合物金屬復(fù)合材料;致動(dòng)器;光學(xué)鏡頭;等效熱模型
作直線運(yùn)動(dòng)的微小型致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)元件在光學(xué)鏡頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[.目前，相機(jī)的調(diào)焦方式因光學(xué)系統(tǒng)的不同而各有差異[，實(shí)際應(yīng)用于手機(jī)相機(jī)光學(xué)鏡頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的調(diào)焦元件主要有音圈電機(jī)(VCM)、步進(jìn)電機(jī)和超聲波電機(jī)等.在驅(qū)動(dòng)過程中，VCM的行程受電流控制，功耗較大且容易發(fā)熱，影響器件的壽命，而步進(jìn)電機(jī)與超聲波電機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)或控制回路等方面存在著缺陷.
為了克服這些不足，近年來，國外一些企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)將以離子交換聚合物金屬復(fù)合材料(IPMC)為基礎(chǔ)的微小型致動(dòng)器應(yīng)用于光學(xué)鏡頭驅(qū)動(dòng)器，并進(jìn)行了初步的研究E.IPMC是一種新型的柔性智能材料，在1～3V電壓下可以產(chǎn)生厘米級(jí)的彎曲變形，且在致動(dòng)過程中響應(yīng)速度快、耗能低，因此，將IPMC作為光學(xué)鏡頭致動(dòng)器能夠克服傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式所帶來的不足.日本EAMEX公司開發(fā)了一種用于手機(jī)鏡頭聚焦控制的IPMC微小型致動(dòng)器，韓國電子通訊研究院研制出了具有自動(dòng)聚焦功能的手機(jī)鏡頭成像裝置.此外，韓國延世大學(xué)的Kim等人利用離子溶液作為溶劑，改善了IPMC的性能，并在此基礎(chǔ)上研制了一套用于自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的IPMC驅(qū)動(dòng)裝置.然而，這些研究工作均側(cè)重于實(shí)現(xiàn)裝置的聚焦功能，而較少涉及致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題.
在驅(qū)動(dòng)光學(xué)鏡頭的自聚焦結(jié)構(gòu)中，需要將IPMC材料典型的彎曲運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，然而傳統(tǒng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)無法滿足此要求.本文結(jié)合現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了瓣形和環(huán)形結(jié)構(gòu)的IPMC致動(dòng)器.實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，通過改變瓣形致動(dòng)器的瓣數(shù)和環(huán)形致動(dòng)器的內(nèi)徑，IPMC可以表現(xiàn)出不同的驅(qū)動(dòng)性能.對(duì)于光學(xué)鏡頭來說，驅(qū)動(dòng)器行程越長，系統(tǒng)的調(diào)焦能力就越強(qiáng).因此，以驅(qū)動(dòng)器的最大位移為優(yōu)化目標(biāo)、通過選擇不同的參數(shù)對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化具有重要的應(yīng)用價(jià)值
.此外，本文通過與壓電雙晶片模型的比較，推出了一種等效熱模型，并以此對(duì)環(huán)形和瓣形致動(dòng)器的位移性能進(jìn)行了仿真分析，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本一致，為今后利用等效熱模型分析IPMC材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)變形提供了借鑒.
1IPMC材料制備與致動(dòng)器制作
1.1材料制備
以Dupont公司的Nafion-ll7離子交換膜作為基體膜，選用Pd作為金屬電極，制備了IPMC材料，具體工藝如下_8].
(1)預(yù)處理，對(duì)基體膜進(jìn)行去雜質(zhì)和溶脹處理：基體膜的尺寸為6cmX6cm，用1200#砂紙分別打磨膜的上、下表面各5rain，使表面充分糙化，再分別用2mol/L的HC1溶液和去離子水煮洗30min，保持100℃恒溫，以去除雜質(zhì)離子，并使基體膜吸水膨脹.
(2)浸泡還原鍍，使電極顆粒充分滲入基體膜：將處理后的基體膜浸人0.01mol/L的Pd(NH。)C12溶液中浸泡2h，使Pd+充分進(jìn)入基體膜中，然后放人30℃、0.85g/L的NaBH溶液中水浴并進(jìn)行超聲振蕩，還原出Pd，重復(fù)進(jìn)行3次.
(3)化學(xué)鍍，有效增加表層電極厚度：將樣片放入一定配比的Pd(NH。)CIz和水合肼的混合液中，于40℃水浴并進(jìn)行磁力攪拌，然后逐步升溫至6O。C，期間每隔0.5h添加適量水合肼，3h后取出，重復(fù)進(jìn)行2次.
(4)后處理，進(jìn)行離子交換：用0.1mol/L的HC1溶液浸泡處理以去除雜質(zhì)，再放人0.1mol/L的NaOH溶液中進(jìn)行陽離子交換，得到實(shí)驗(yàn)用Pd基IPMC材料.
1.2IPMC的變形機(jī)理
IPMC材料由1層基體膜和附著于其上、下表面的2層薄膜金屬組成，其變形特征類似于生物肌肉，材料內(nèi)部的電致動(dòng)效應(yīng)類似于壓電效應(yīng)，即在材料上、下表面施加1～3V直流電壓時(shí)，基體膜內(nèi)可自由移動(dòng)的水合陽離子會(huì)向陰極移動(dòng)，而膜內(nèi)的陰離子被固定在高分子鏈上無法產(chǎn)生位移，陽離子持續(xù)地聚集在陰極附近便會(huì)在膜內(nèi)產(chǎn)生濃度差，使膜的末端(自由端)向陽極彎曲，整體表現(xiàn)為IPMC材料的彎曲變形，如圖1所示.
1.3致動(dòng)器設(shè)計(jì)及制作
IPMC作為一種柔性致動(dòng)材料，可以根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)要求方便地制作成各種形狀.為了實(shí)現(xiàn)由彎曲運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本�運(yùn)動(dòng)的目的，本文設(shè)計(jì)了環(huán)形和瓣形2種形式的IPMC致動(dòng)器，如圖2所示.
改變致動(dòng)器形狀、瓣數(shù)、內(nèi)圓半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠影響其位移性能.為了比較這些參數(shù)對(duì)最大變形性能的影響，將測(cè)試實(shí)驗(yàn)分為瓣形和環(huán)形2組，瓣形組的瓣數(shù)依次定為4、6、8、10和12，相應(yīng)地環(huán)形組的環(huán)形致動(dòng)器內(nèi)圓半徑分別定為1.0、1.5、2.0、2.5和3.0mm.
由于IPMC具有柔性，用常規(guī)方法切割比較困難，尤其是對(duì)于復(fù)雜形狀.本文采用激光切割技術(shù)，激光切割機(jī)型號(hào)為博業(yè)HSLC-1206.多次切割測(cè)試表明，切割能級(jí)控制在3O9/6～8O、切割速度為5m/min時(shí)，切縫寬度在180～220/am之間，切割效果較好.切割后得到的微型致動(dòng)器的外觀及切縫形貌如圖3所示.由于材料受熱失水易發(fā)生變形，切縫形貌并不柔順，需要做進(jìn)一步分析研究.
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2采用等效熱模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化
為了評(píng)估致動(dòng)器的幾何參數(shù)變化對(duì)其位移性能的影響，利用等效熱模型結(jié)合有限元軟件ANSYS，分別對(duì)瓣數(shù)及內(nèi)圓半徑進(jìn)行了優(yōu)化分析，并進(jìn)行了模擬仿真.
2.1IPMC材料等效熱模型的推導(dǎo)
由于對(duì)IPMC材料的變形機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，現(xiàn)階段并未形成統(tǒng)一的理論模型來描述這種材料的致動(dòng)機(jī)制.目前，在具體應(yīng)用器件設(shè)計(jì)方面比較流行的理論模型主要是韓國Konkuk大學(xué)和美國Nevada大學(xué)的Lee、Kim等人[g_1o]提出的等效壓電雙晶片模型，國內(nèi)清華大學(xué)的李龍土等人_1l_也對(duì)該模型進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.但是，這種方法比較煩瑣，且不適合分析復(fù)雜形狀.本文利用等效熱模型，通過有限元軟件ANSYS中的等效熱分析模塊對(duì)IPMC材料進(jìn)行數(shù)值仿真分析.
在材料力學(xué)中，線(熱)膨脹系數(shù)定義為單位溫度變化下物體線性尺寸的變化率.在壓電模型中，橫向壓電系數(shù)的物理意義是：在z向施加單位電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，壓電材料沿z方向的應(yīng)變(如圖4所示).由此可見，材料的線膨脹系數(shù)a(腳標(biāo)l指沿z方向)和橫向壓電系數(shù)d。的定義很相似，均指材料受外界因素影響而改變尺寸，區(qū)別在于前者是在溫度下變形，而后者是在電壓下變形.因此，IPMC材料在電壓下的變形完全可以用相應(yīng)材料在溫度下的變形來等效表示.
為了建立電壓、橫向壓電系數(shù)、溫度、線膨脹系數(shù)4個(gè)參數(shù)之間的有效關(guān)系，不考慮其他參數(shù)的影響，僅考慮橫向壓電系數(shù)d。和等效線膨脹系數(shù)a，使壓電材料向受單位電場(chǎng)強(qiáng)度變化所產(chǎn)生的變形等同于等效熱膨脹材料受單位溫度變化所產(chǎn)生的變形，用公式可表達(dá)為
2.2建模參數(shù)
單元類型選擇大變形單元Solid45.在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，致動(dòng)器需驅(qū)動(dòng)30mg的鏡頭，為了保證理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件一致，模型中需施加外力.由于IPMC是柔性材料，在變形過程中先為點(diǎn)接觸，后轉(zhuǎn)化為面接觸，并逐漸擴(kuò)展，故為簡化起見，施加大小為0.3N的面力.瓣形和環(huán)形致動(dòng)器的約束部位固支，整體施加1。C的溫度梯度.等效熱模型的建模參數(shù)如下：線膨脹系數(shù)口一0.001037;密度|0—2.390g/cm。;彈性模量E一280MPa;泊松比===0.346E;溫度梯度AT=1。C.
為便于分析，模型采用部分建模，圖5為八瓣形致動(dòng)器1/8模型和內(nèi)圓半徑為2mm的圓環(huán)形致動(dòng)器1/4模型的分析結(jié)果.
理論分析表明，2種形狀致動(dòng)器的位移性能都存在最優(yōu)值，且瓣形致動(dòng)器的總體位移性能優(yōu)于環(huán)形致動(dòng)器的，如圖6所示.對(duì)于瓣形致動(dòng)器，隨著瓣數(shù)的增加，位移先是呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，當(dāng)瓣數(shù)大于8時(shí)，位移開始減小，這可能是因?yàn)殡S著瓣數(shù)增加，單個(gè)瓣的面積逐漸減小，材料剛度在變形過程中占了主導(dǎo)地位.當(dāng)內(nèi)圓半徑為2mm時(shí)，環(huán)形致動(dòng)器達(dá)到最大位移0.26mm，內(nèi)徑減小或增大都將使位移減小：內(nèi)徑過小會(huì)導(dǎo)致致動(dòng)器的自由部分相互約束，使內(nèi)應(yīng)力增大;內(nèi)徑過大會(huì)導(dǎo)致致動(dòng)器自由部分的面積減小，在施加外載荷時(shí)使整體彎曲變形減小.
3實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)證實(shí)，水作為溶劑可使IPMC材料發(fā)生松弛現(xiàn)象，這也是限制IPMC材料應(yīng)用的主要瓶頸之一.降低材料的含水量，可使松弛現(xiàn)象得到緩解.鑒于IPMC材料的吸水、失水特性，直接控制材料含水量較為困難，可以通過調(diào)節(jié)環(huán)境濕度來改變材料的含水量[”].基于此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下
.針對(duì)2.2節(jié)中切割出的不同形狀的致動(dòng)器，首先將其浸泡在去離子水中，浸泡時(shí)間不少于3Omin，使材料充分吸水;然后置于特制容器中，控制環(huán)境濕度在609/6左右，放置時(shí)間不少于10h，使致動(dòng)器內(nèi)部的含水量與環(huán)境濕度達(dá)到交換平衡.在性能測(cè)試平臺(tái)(見圖7)上測(cè)量2V直流電壓下加載50S的致動(dòng)器位移響應(yīng)，為了比較電壓變化對(duì)位移的影響，對(duì)致動(dòng)器加載3V電壓的位移響應(yīng)也進(jìn)行了測(cè)試，每個(gè)樣品測(cè)量5次，取平均值.采用日本Key—ence公司生產(chǎn)的LK—G80型激光位移傳感器對(duì)致動(dòng)器位移進(jìn)行非接觸測(cè)量，通過DAQ2214采集卡將采集的數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)中.
由于在致動(dòng)器作動(dòng)過程中無法對(duì)其輸出力進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，本文采用等效替代的方法，即用等重物代替實(shí)際驅(qū)動(dòng)鏡頭，在實(shí)驗(yàn)過程中致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)該等重物.拆解型號(hào)為CPM132080612的手機(jī)相機(jī)，確定驅(qū)動(dòng)鏡頭的質(zhì)量為30mg.
測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于瓣形致動(dòng)器，當(dāng)瓣數(shù)為8時(shí)，位移達(dá)到最大值，對(duì)于環(huán)形致動(dòng)器，當(dāng)內(nèi)圓半徑為2mm時(shí)，位移亦達(dá)到最大值，此時(shí)兩者的位移性能最佳，如圖8所示.
隨著驅(qū)動(dòng)電壓的升高，位移呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)：在2V電壓下，當(dāng)瓣數(shù)>4或內(nèi)圓半徑R一/2—2mm時(shí)，致動(dòng)器的位移均大于200,urn;在3V電壓下，位移均大于500m.瓣形致動(dòng)器的位移性能優(yōu)于環(huán)形驅(qū)動(dòng)器的位移性能.
響應(yīng)速度是衡量致動(dòng)器性能的重要指標(biāo).實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，隨著瓣數(shù)及內(nèi)圓半徑的改變，響應(yīng)速度并沒有呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，但隨著驅(qū)動(dòng)電壓的升高，瓣形和環(huán)形驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，如圖9所示.由于IPMC材料的變形是在電場(chǎng)作用下材料內(nèi)部離子與溶劑遷移的結(jié)果，這限制了致動(dòng)器作動(dòng)過程中響應(yīng)速度的提高.
表1列出了2種類型致動(dòng)器位移性能的理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，可以看出，理論值與實(shí)驗(yàn)值并不嚴(yán)格一致，主要原因是：由于在IPMC材料制備過程中濃度、溫度等不穩(wěn)定因素的影響，制備成的IPMC薄膜性能存在差異;在致動(dòng)器制作過程中，由于激光切割技術(shù)屬于熱切割，對(duì)材料的表面性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響;基于壓電雙晶片原理的等效熱模型是一種理想化模型，計(jì)算時(shí)未考慮非線性大變形的影響，從而導(dǎo)致理論計(jì)算值與實(shí)際值之間存在一定差異.不過，表中所列的位移分布情況與實(shí)際分布情況基本相同，誤差率均在l0以內(nèi).
4結(jié)論
本文通過Pd型IPMC材料制備、致動(dòng)器制作、實(shí)驗(yàn)分析及基本性能測(cè)試，分析了致動(dòng)器外形尺寸的改變對(duì)其性能的影響規(guī)律，并利用有限元軟件通過等效熱模型對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了仿真優(yōu)化.研究表明：瓣數(shù)和內(nèi)圓半經(jīng)的改變均能夠影響致動(dòng)器的位移性能，瓣形致動(dòng)器的總體位移性能比環(huán)形致動(dòng)器的好;隨著瓣數(shù)及內(nèi)圓半徑的改變，致動(dòng)器的響應(yīng)速度并沒有呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，但隨著驅(qū)動(dòng)電壓的升高，瓣形和環(huán)形驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度均呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì);當(dāng)瓣數(shù)為8時(shí)，致動(dòng)器的位移達(dá)到最大值，2V、3V電壓下的最大位移分別為0.54和1.3OITlm;當(dāng)內(nèi)圓半徑為2mlTl時(shí)，致動(dòng)器的位移達(dá)到最大值，2V、3V電壓下的最大位移分別為0.27和0.51mm;2種致動(dòng)器的最大位移值均高于技術(shù)要求的0.2mill，此時(shí)響應(yīng)速度也獲得較好效果.采用等效熱模型進(jìn)行了仿真分析，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值具有較好的一致性，證實(shí)了采用該模型分析IPMC材料復(fù)雜形狀作動(dòng)的可行性.
