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摘 要： 摘要：為了使微小型光學鏡頭驅動系統滿足低能耗、高穩定性以及結構簡單的要求，采用新型智能材料IPMC設計了一種微小型的光學鏡頭致動器，并對其輸出力、位移及響應速度等性能進行了研究.根據直線驅動要求確定了瓣形和環形結構;通過化學還原方法制備了IPMC材
摘要：為了使微小型光學鏡頭驅動系統滿足低能耗、高穩定性以及結構簡單的要求，采用新型智能材料IPMC設計了一種微小型的光學鏡頭致動器，并對其輸出力、位移及響應速度等性能進行了研究.根據直線驅動要求確定了瓣形和環形結構;通過化學還原方法制備了IPMC材料，采用激光切割技術分別制作出5種形狀的環形和瓣形致動器，并對其性能進行了測試.利用有限元軟件，通過等效熱模型分析了致動器的基本性能，結果表明：實驗測試與理論分析結果一致，誤差率在10以內;瓣形致動器的總體位移性能比環形致動器的好;在3V驅動電壓下兩者的位移均大于200m;當內圓半徑為2mm、瓣數為8時，致動器的最大位移與響應速度均最佳.
關鍵詞：離子交換聚合物金屬復合材料;致動器;光學鏡頭;等效熱模型
作直線運動的微小型致動器的驅動元件在光學鏡頭驅動系統中發揮著重要作用[.目前，相機的調焦方式因光學系統的不同而各有差異[，實際應用于手機相機光學鏡頭驅動系統中的調焦元件主要有音圈電機(VCM)、步進電機和超聲波電機等.在驅動過程中，VCM的行程受電流控制，功耗較大且容易發熱，影響器件的壽命，而步進電機與超聲波電機在機械結構或控制回路等方面存在著缺陷.
為了克服這些不足，近年來，國外一些企業及研究機構將以離子交換聚合物金屬復合材料(IPMC)為基礎的微小型致動器應用于光學鏡頭驅動器，并進行了初步的研究E.IPMC是一種新型的柔性智能材料，在1～3V電壓下可以產生厘米級的彎曲變形，且在致動過程中響應速度快、耗能低，因此，將IPMC作為光學鏡頭致動器能夠克服傳統驅動方式所帶來的不足.日本EAMEX公司開發了一種用于手機鏡頭聚焦控制的IPMC微小型致動器，韓國電子通訊研究院研制出了具有自動聚焦功能的手機鏡頭成像裝置.此外，韓國延世大學的Kim等人利用離子溶液作為溶劑，改善了IPMC的性能，并在此基礎上研制了一套用于自動聚焦系統的IPMC驅動裝置.然而，這些研究工作均側重于實現裝置的聚焦功能，而較少涉及致動器的結構優化問題.
在驅動光學鏡頭的自聚焦結構中，需要將IPMC材料典型的彎曲運動轉化為直線運動，然而傳統的懸臂梁結構無法滿足此要求.本文結合現有的結構形式，設計了瓣形和環形結構的IPMC致動器.實驗測試表明，通過改變瓣形致動器的瓣數和環形致動器的內徑，IPMC可以表現出不同的驅動性能.對于光學鏡頭來說，驅動器行程越長，系統的調焦能力就越強.因此，以驅動器的最大位移為優化目標、通過選擇不同的參數對其性能進行優化具有重要的應用價值
.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，并以此對環形和瓣形致動器的位移性能進行了仿真分析，所得結果與實驗測試結果基本一致，為今后利用等效熱模型分析IPMC材料的復雜結構變形提供了借鑒.
1IPMC材料制備與致動器制作
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)預處理，對基體膜進行去雜質和溶脹處理：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+充分進入基體膜中，然后放人30℃、0.85g/L的NaBH溶液中水浴并進行超聲振蕩，還原出Pd，重復進行3次.
(3)化學鍍，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，重復進行2次.
(4)后處理，進行離子交換：用0.1mol/L的HC1溶液浸泡處理以去除雜質，再放人0.1mol/L的NaOH溶液中進行陽離子交換，得到實驗用Pd基IPMC材料.
1.2IPMC的變形機理
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，材料內部的電致動效應類似于壓電效應，即在材料上、下表面施加1～3V直流電壓時，基體膜內可自由移動的水合陽離子會向陰極移動，而膜內的陰離子被固定在高分子鏈上無法產生位移，陽離子持續地聚集在陰極附近便會在膜內產生濃度差，使膜的末端(自由端)向陽極彎曲，整體表現為IPMC材料的彎曲變形，如圖1所示.
1.3致動器設計及制作
IPMC作為一種柔性致動材料，可以根據不同的驅動要求方便地制作成各種形狀.為了實現由彎曲運動轉變為直線運動的目的，本文設計了環形和瓣形2種形式的IPMC致動器，如圖2所示.
改變致動器形狀、瓣數、內圓半徑等結構參數能夠影響其位移性能.為了比較這些參數對最大變形性能的影響，將測試實驗分為瓣形和環形2組，瓣形組的瓣數依次定為4、6、8、10和12，相應地環形組的環形致動器內圓半徑分別定為1.0、1.5、2.0、2.5和3.0mm.
由于IPMC具有柔性，用常規方法切割比較困難，尤其是對于復雜形狀.本文采用激光切割技術，激光切割機型號為博業HSLC-1206.多次切割測試表明，切割能級控制在3O9/6～8O、切割速度為5m/min時，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器的外觀及切縫形貌如圖3所示.由于材料受熱失水易發生變形，切縫形貌并不柔順，需要做進一步分析研究.
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2采用等效熱模型進行結構優化
為了評估致動器的幾何參數變化對其位移性能的影響，利用等效熱模型結合有限元軟件ANSYS，分別對瓣數及內圓半徑進行了優化分析，并進行了模擬仿真.
2.1IPMC材料等效熱模型的推導
由于對IPMC材料的變形機理認識不足，現階段并未形成統一的理論模型來描述這種材料的致動機制.目前，在具體應用器件設計方面比較流行的理論模型主要是韓國Konkuk大學和美國Nevada大學的Lee、Kim等人[g_1o]提出的等效壓電雙晶片模型，國內清華大學的李龍土等人_1l_也對該模型進行了理論分析與實驗驗證.但是，這種方法比較煩瑣，且不適合分析復雜形狀.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IPMC材料進行數值仿真分析.
在材料力學中，線(熱)膨脹系數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，橫向壓電系數的物理意義是：在z向施加單位電場強度時，壓電材料沿z方向的應變(如圖4所示).由此可見，材料的線膨脹系數a(腳標l指沿z方向)和橫向壓電系數d。的定義很相似，均指材料受外界因素影響而改變尺寸，區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、溫度、線膨脹系數4個參數之間的有效關系，不考慮其他參數的影響，僅考慮橫向壓電系數d。和等效線膨脹系數a，使壓電材料向受單位電場強度變化所產生的變形等同于等效熱膨脹材料受單位溫度變化所產生的變形，用公式可表達為
2.2建模參數
單元類型選擇大變形單元Solid45.在實驗室測試中，致動器需驅動30mg的鏡頭，為了保證理論分析與實驗測試條件一致，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接觸，后轉化為面接觸，并逐漸擴展，故為簡化起見，施加大小為0.3N的面力.瓣形和環形致動器的約束部位固支，整體施加1。C的溫度梯度.等效熱模型的建模參數如下：線膨脹系數口一0.001037;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為八瓣形致動器1/8模型和內圓半徑為2mm的圓環形致動器1/4模型的分析結果.
理論分析表明，2種形狀致動器的位移性能都存在最優值，且瓣形致動器的總體位移性能優于環形致動器的，如圖6所示.對于瓣形致動器，隨著瓣數的增加，位移先是呈現遞增趨勢，當瓣數大于8時，位移開始減小，這可能是因為隨著瓣數增加，單個瓣的面積逐漸減小，材料剛度在變形過程中占了主導地位.當內圓半徑為2mm時，環形致動器達到最大位移0.26mm，內徑減小或增大都將使位移減小：內徑過小會導致致動器的自由部分相互約束，使內應力增大;內徑過大會導致致動器自由部分的面積減小，在施加外載荷時使整體彎曲變形減小.
3實驗測試與結果分析
實驗證實，水作為溶劑可使IPMC材料發生松弛現象，這也是限制IPMC材料應用的主要瓶頸之一.降低材料的含水量，可使松弛現象得到緩解.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，可以通過調節環境濕度來改變材料的含水量[”].基于此，本實驗設計如下
.針對2.2節中切割出的不同形狀的致動器，首先將其浸泡在去離子水中，浸泡時間不少于3Omin，使材料充分吸水;然后置于特制容器中，控制環境濕度在609/6左右，放置時間不少于10h，使致動器內部的含水量與環境濕度達到交換平衡.在性能測試平臺(見圖7)上測量2V直流電壓下加載50S的致動器位移響應，為了比較電壓變化對位移的影響，對致動器加載3V電壓的位移響應也進行了測試，每個樣品測量5次，取平均值.采用日本Key—ence公司生產的LK—G80型激光位移傳感器對致動器位移進行非接觸測量，通過DAQ2214采集卡將采集的數據保存在計算機中.
由于在致動器作動過程中無法對其輸出力進行動態測量，本文采用等效替代的方法，即用等重物代替實際驅動鏡頭，在實驗過程中致動器驅動該等重物.拆解型號為CPM132080612的手機相機，確定驅動鏡頭的質量為30mg.
測試結果表明，對于瓣形致動器，當瓣數為8時，位移達到最大值，對于環形致動器，當內圓半徑為2mm時，位移亦達到最大值，此時兩者的位移性能最佳，如圖8所示.
隨著驅動電壓的升高，位移呈現增大的趨勢：在2V電壓下，當瓣數>4或內圓半徑R一/2—2mm時，致動器的位移均大于200,urn;在3V電壓下，位移均大于500m.瓣形致動器的位移性能優于環形驅動器的位移性能.
響應速度是衡量致動器性能的重要指標.實驗測試表明，隨著瓣數及內圓半徑的改變，響應速度并沒有呈現明顯的變化規律，但隨著驅動電壓的升高，瓣形和環形驅動器的響應速度均呈現增大的趨勢，如圖9所示.由于IPMC材料的變形是在電場作用下材料內部離子與溶劑遷移的結果，這限制了致動器作動過程中響應速度的提高.
表1列出了2種類型致動器位移性能的理論分析與實驗測試結果，可以看出，理論值與實驗值并不嚴格一致，主要原因是：由于在IPMC材料制備過程中濃度、溫度等不穩定因素的影響，制備成的IPMC薄膜性能存在差異;在致動器制作過程中，由于激光切割技術屬于熱切割，對材料的表面性能會產生一定的影響;基于壓電雙晶片原理的等效熱模型是一種理想化模型，計算時未考慮非線性大變形的影響，從而導致理論計算值與實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際分布情況基本相同，誤差率均在l0以內.
4結論
本文通過Pd型IPMC材料制備、致動器制作、實驗分析及基本性能測試，分析了致動器外形尺寸的改變對其性能的影響規律，并利用有限元軟件通過等效熱模型對實驗模型進行了仿真優化.研究表明：瓣數和內圓半經的改變均能夠影響致動器的位移性能，瓣形致動器的總體位移性能比環形致動器的好;隨著瓣數及內圓半徑的改變，致動器的響應速度并沒有呈現明顯的變化規律，但隨著驅動電壓的升高，瓣形和環形驅動器的響應速度均呈現遞增的趨勢;當瓣數為8時，致動器的位移達到最大值，2V、3V電壓下的最大位移分別為0.54和1.3OITlm;當內圓半徑為2mlTl時，致動器的位移達到最大值，2V、3V電壓下的最大位移分別為0.27和0.51mm;2種致動器的最大位移值均高于技術要求的0.2mill，此時響應速度也獲得較好效果.采用等效熱模型進行了仿真分析，理論計算值與實驗測試值具有較好的一致性，證實了采用該模型分析IPMC材料復雜形狀作動的可行性.