压电驱动技术及压电驱动器的应用研究

1、压电驱动技术及压电驱动器压电驱动技术及压电驱动器 的应用研究的应用研究 专业：机械制造及自动化专业：机械制造及自动化 目 录 一、压电驱动技术研究价值一、压电驱动技术研究价值 二、压电陶瓷基础二、压电陶瓷基础 三、压电驱动实现方式三、压电驱动实现方式 四、压电驱动器及其应用四、压电驱动器及其应用 五、压电驱动器的发展展望五、压电驱动器的发展展望 六、参考文献六、参考文献 一、压电驱动技术研究价值 精密雕刻 细胞测试 由此可知，压电驱动技术已经运用在MEMS、生物工程 以及医疗科学等领域。此外，压电驱动技术还运用于流体驱 动和噪声污染控制等领域。 医疗机器人 二、压电陶瓷基础二、压电陶瓷基础 1

2、. 压电陶瓷概述压电陶瓷概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产 工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结） 因而得名。 压电陶瓷片的极化 1940年以前，人们只知道两类铁电体：一类是罗息盐和酒石 酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。缺点：易溶解、 低温压电性。 1942-1945年间发现BaTiO3具有异常高的介电常数，不久又 发现它具有压电性，钛酸钡压电陶瓷的发现时压电材料的一 个飞跃。 1947年美国用BaTiO3陶瓷制造了留声机用拾音器，日本比美 国晚用了两年。BaTiO3陶瓷缺点：温度和频率的稳定性欠佳。 随着研究深入，随后又发现ABO3型铁电体和反铁电体

3、，至 此，研究进入了二元系压电陶瓷时代。其典型代表是 PZT(PbTiO3-PbZrO3)。 接着产生了三元系压电陶瓷PCM，以及由此基础发展出多元 系压电陶瓷。新材料的出现促进了新应用的发展，压电驱动 技术有着光辉的前景。 2. 压电效应压电效应 压电性质是一种机械能与电能交互作用的现象，此性质 是由法国居里兄弟于公元1880年研究晶体的对称性时发现的。 它是一种施加应力能产生电荷，施加电场而能产生尺寸上变 形的效应，称为压电效应。 压电材料上极化后产生的电荷 u正压电效应 在压电效应中由机械能转变为电能的现象就是正压电效 应。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 u逆压电效应 将电能转

4、化为机械能的现象称为逆压电效应，或称为电 致伸缩现象。压电式驱动器大多是利用磁效应制成的。 正压电效应 逆压电效应 3. 压电方程压电方程 压电材料的本构方程反映了弹性变量(应力T、应变S)和 电学变量(电场E、电位移D)之间的关系。换言之，压电方程 同时考虑了压电元件的力学特性和电学特性以及它们相互的 耦合影响。 第一类压电方程： 式中： SE电场E=0（或常数）时的弹性柔顺系数矩阵 TT=0（或常数）时的介电常数矩阵 d压电应变系数矩阵 dtd转置矩阵 T E t DdTE STE sd 三、压电驱动实现方式三、压电驱动实现方式 1.直动驱动直动驱动 此种驱动方式是直接由压电元件驱动，然后

5、再用平行 四边形柔性铰链机构进行位移的放大或缩小。 单柔性四连杆双柔性四连杆 柔性铰链特点： 结构紧凑、无间隙、无摩擦、具有较高的位移分辨率， 在使用压电器件驱动的情况下，可以方便地实现0.01m的定 位精度。 转动副 移动副 球面副 应用领域应用领域： 直动式驱动器的特点是结构紧凑、连续进给、力大，但 行程范围小，对驱动电路有消除或减小迟滞、蠕变、非线性 的要求。一般应用于精密驱动工作台和MEMS中。 X-Y微驱动工作台原理图 哈工大博实精密工作台 性能指标：移动分辨率小于1m；转动分辨率小于0.5rad。 日本日立精机技术研究所开 发的六自由度微驱动器 平移机构 转动机构 2.步进式驱动步

6、进式驱动 步进式的工作原理是根据自然界某些爬虫类动物爬行的 方法而提出的，故称为尺蠖步进式直线驱动机构，这种运动 方式又称为蠕动式（inchworm type）。 蠕动式驱动原理图 应用领域：应用领域： 步进微动机制有效地缓解了大行程和高分辨率的矛盾， 能够在保持高分辨率的情况下增大微驱动器的行程，因而在 纳米级微操作技术中有广泛的应用前景，适于力较大、高分 辨率、大行程的场合。 美国美国Connecticut大 学研制的单自由度步进 式直线马达，其特点是 采用整体柔铰形式，使 得驱动器的刚度和输出 推力增大，刚度90N/m, 输出推力200N，定位精 度5nm，进给速度 100m/s。 图为

7、哈工大孙立宁等研制的用于光学镜面微调整的旋转 驱动器原理图，E为活动镜面，F为固定转动轴，A、C为电 磁式箝位机构，与E通过柔铰相连，B为压电体，驱动器可实 现绕定轴顺、逆时针旋转。性能指标：行程5；步进角 0.01；分辨率0.02；最大步速5步/秒。 3.惯性冲击式驱动惯性冲击式驱动 惯性冲击式压电驱动机构是以压电元件为驱动源，利用 电-机能量转换来形成惯性冲击力，从而产生运动的机构。 结构模型如下所示，由三部分组成：主体A、惯性块B 和压电元件C。压电元件是动力部件，能够产生较大位移和 较强的驱动力。主体用来支撑机构并与支撑面发生作用，通 过调整它与支撑面的摩擦力大小可以改变机构的运动步长

8、和 承载能力。惯性块用来产生惯性冲击力，它的质量大小直接 影响惯性冲击力的大小。 惯性冲击式驱动原理图 应用领域：应用领域： 惯性冲击式精密驱动器由压电叠堆或单/双压电片致动， 结构简单，可高频工作(1KHz以上)，适于高分辨率、大行程、 力小的场合。 性能：步距:0.14 mrad；角度分辨率:0.1 mrad；频 率:2kHz；空载最大速度:1rpm；最大扭矩:0.37mNm；驱动电 压Vpp:270V。 瑞士：基于stick-slip原理的单自由度旋转驱动器 四、压电驱动器及其应用四、压电驱动器及其应用 压电驱动器是利用压电体逆效应形成机械驱动或控制能 力的一类装置，压电驱动与控制技术研

9、究是超声学与压电学 在机械领域的延伸与发展。 自20世纪80年代初日本学者首先开发成功超声波电动机 以来，压电驱动与控制技术获得了迅猛发展，现己形成了专 门的研究领域，成为近年国内外热门的研究领域之一。 超声波电机 压电触觉驱动器 压电晶体驱动喷油器 1.压电驱动器概述压电驱动器概述 压电驱动器是将变形(或振动)直接作用于从动件 实现机械驱动或机械控制，而非传统驱动器那样需要 先形成旋转再经转换形成为目标动力或运动，因而一 般具有结构简单、可控性好、适应性强、控制精度 高和响应速度快等特点。 压电驱动器运用逆压电效应在换能方式上属于一 个机电耦合过程，因而其研究涉及电子学、机械学与 材料学等多

10、个学科，属于多学科交叉的研究领域;同时 由于换能方式特殊、适应性强，因而主要被用作实现 机械领域过去不能实现或实现不好的诸多功能，从而 可以产生更多新方式、新机构。 u目前世界上对压电驱动与控制技术的研究以日本最为先进， 己经掌握了世界上大多数的压电驱动器发明专利技术。1992 年以后，日本文部省与日司等都在投入大量资金进行实用性 研究。 u美国、德国和法国也不甘落后，正加速追赶日本。MIT(麻省 理工学院)的航空、航天系空间工程研究中心和电子工程、 计算机系的人工智能中心都在研制自己的压电驱动器。美国 有关的研究报告预计:在不久的将来，压电驱动器可能部分取 代其他传统装置而成为满足机械领域特

11、定要求的一类新型驱 动器。 u自20世纪80年代以来，我国陆续开始了压电驱动与控制技术 的研究，20世纪90年代以后有了较大进展，目前的研究主要 是在政府资金支持下进行的。主要研究单位为清华大学、南 京航空航天大学、东南大学和哈尔滨工业大学等。 2.压电驱动器结构分类压电驱动器结构分类 按驱动方式不同，压电驱动器可分为刚性位移驱动器和 谐振位移驱动器。 刚性位移驱动器结构形式分类刚性位移驱动器结构形式分类 谐振位移驱动器又叫超声波电机，其种类繁多。按工作 原理，可将超声波电机分为接触式和非接触式两种。 接触式超声波电机按照机械波的形式可分为行波型、驻 波型和复合型三种。 行波超声波电动机结构示

12、意图 行波超声波电动机动作原理(齿内小箭头表示瞬时速度) 非接触式超声波电机的定子与转子是不接触的。它克服 了接触式超声波电机由于接触摩擦所带来的效率低、使用寿 命短等缺点，是超声波电机的一个新的研究领域。 日本东京工业大学分别对定、转子间以气体和液体为媒 质非接触USM的工作情况进行了初步研究。气体媒质非接触 USM结构如上图所示，采用了两个振子，电机转速可达 4400r/min。 气体媒质非接触超声波电机 3.压电驱动器的应用压电驱动器的应用 由前所述，压电驱动技术已在机械、精密仪器、光学和 生物医疗等行业广泛应用。而按性能和使用特点，目前已开 发和应用的压电驱动器的应用领域大致有如下几类

13、： （1）压电型精密驱动器压电型精密驱动器 精密驱动器是现代制造工业与自动化装备的重要器件之 一，在精密加工与控制领域如光学加工、航空航天以及导弹 装备等方面有着广泛需求。 压电体变形精度高、反应速度快，以现有常用的PZT类 压电叠堆为例，一般使用情况下变形分辨率(单步位移)即可 小于10nm，频响可达50kHz，因而被开发用作纳米级的精密 驱动，取得了良好效果，成为近年精密驱动装置的主要构造 方式之一。 （2）压电型运动机构压电型运动机构 压电型运动机构的优点是体积小、结构灵活，便于在特 殊工况下工作，它与压电型精密驱动器的区别是一般受力小， 行程大，反应灵敏，移动迅速。 日本在压电型运动机

14、构方面的研究最为活跃而富有代表 性。日本筑波大学、名古屋大学、东京大学、早稻田大学及 富士通研究所等单位20年前即已开始研究无间隙直接运动机 构，目标是用于细胞解剖、集成电路制造和精密装配，并考 虑用作人体内的微型机器人或微型运动机构。 （3）流体驱动及控制机构流体驱动及控制机构 将压电体逆效应直接作用于流体即可形成流体驱动与控制机 构，它包括压电泵、压电阀与压电伺服阀和压电风扇等。 日本名古屋大学利用PZT双晶片型压电体，研制了一种响应 频率较高、流量较大的高速开关阀。该阀通过控制一块双晶 片的变形来关闭或打开不同的喷嘴以驱动锥阀运动。阀的响 应频率可达200Hz，在20MPa系统压力时输出

15、流量达 9.24L/min。 u压电泵是利用压电振子作为换能器的流体传输装置。同传统 泵相比，压电泵的特点是结构简单、体积小、重量轻、耗能 低、无噪声和无电磁干扰，可通过电压或频率控制输出流量 等，具有广泛的应用前景。 （4）超声波电动机超声波电动机 u超声波电动机是以高功率超声振动取代电磁方式构造的电 动机，目前主要采用振动耦合型和表面波型两种方法进行 能量转换。日本和美国在这方面的研究较为先进，所开发 出的超声波电动机己在照相机、复印机等装置中获得了应 用。 u同时，超声波电动机被应用于诸多领域，包括用于直接驱 动操作器、火星登陆机器人手臂关节驱动、宇宙飞船舱壁 检测、微阀药物注射装置及飞

16、行导弹表面控制等。 u在我国，各种类型的超声波电动机正在开发研制之中。上 海交通大学研制了直径为5mm压电微电动机(其输出力矩为 101uNm，转速可在40-500r/min内调整)，清华大学、南京 航空航天大学、东南大学和哈尔滨工业大学等单位也先后 进行了相关的研究工作。 （5）压电型减振和降噪技术压电型减振和降噪技术 压电型减振与降噪技术是一种新型的减振与降噪新方法，它 有主动型与被动型两种。主动型也称智能型，它是在振动或 噪声源部位分别安装两个压电元件，其中一个作为测量振动 或噪声情况的传感器使用，另一个作为控制振动或噪声的驱 动器使用，工作中先通过传感器测定振动或噪声信号，然后 将信号

17、分析、处理转变为控制信号施加给驱动器，生成与振 动或噪声源幅值相等而相位相反的振动或二次声，使其与原 振动或噪声叠加而相互抵消，达到消减或弱化的目的。这种 技术由于具有自识别、自调整功能且效果良好，已获得科学 界广泛关注。 被动型压电减振与降噪技术是利用正压电效应以改变系统阻 尼实现消减振动与噪声目的的一种方法。它是在振动或噪声 源部位置入压电元件，当系统振动或有噪声出现时，压电元 件随之变形而自身产生电荷(电场)，将这个电荷接入合适的 电路中使其消耗，从而消耗了振动与噪声能量，达到了消减 振动与噪声目的。这种方法结构简单但对环境适应型较差， 有关的研究正在进行中。 五、压电驱动器发展展望五、

18、压电驱动器发展展望 从国外压电技术及压电驱动器的开发和应用出发，压电 驱动器的发展将以解决以下三方面着手： u驱动器用材料及新工艺。压电器件及其应用的发展，在很大 程度仁取决于压电材料的性能。为了改进压电陶瓷的微观结 构，提高材料的性能，近几年，许多国家都在积极开展高技 术陶瓷(日本称之为精细陶瓷)及其粉体制备工艺的研究和生 产。高技术陶瓷是继金属和塑料之后的第三代新材料。 u大行程高精度的压电驱动器。 u压电驱动器控制电源、控制系统及控制方法的研究。压电驱 动器元件在较高电场的作用下将产生严重的非线性、迟滞和 蠕变，从而大大降低它的定位精度，这对构造精密驱动是一 十分有害的。 由于国内压电驱动器从理论研究到产品形成、应用和推 广仍有很多问题需要解决。故从国内实际情况出发，压电驱 动器的发展应从解决一下问题出发： （1）精密微型样机研制。需要加强对具有微小型体积、 大力矩输出和高精度步进特性的压电驱动器的研制。 （2）加强理论科研，构建系统理论来知道压电陶瓷电机 的结构设计和特性预测，完善压电驱动器的精确数学建模， 特别是对压电驱动器定、转子间微观接触行为给出准确的理 论解释。 （3）高品质功能材料的生产。需要重点提高摩擦材料的 耐磨性和稳定性，提高压电陶瓷材料综合性能指标和改进其 制备工艺，研制具有高稳定性的反馈跟踪电源，提高电机的 综合性能。 （4）需求超声波电机