壓電驅(qū)動技術(shù)及壓電驅(qū)動器的應(yīng)用研究

1、壓電驅(qū)動技術(shù)及壓電驅(qū)動器壓電驅(qū)動技術(shù)及壓電驅(qū)動器 的應(yīng)用研究的應(yīng)用研究 專業(yè)：機(jī)械制造及自動化專業(yè)：機(jī)械制造及自動化 目 錄 一、壓電驅(qū)動技術(shù)研究價值一、壓電驅(qū)動技術(shù)研究價值 二、壓電陶瓷基礎(chǔ)二、壓電陶瓷基礎(chǔ) 三、壓電驅(qū)動實現(xiàn)方式三、壓電驅(qū)動實現(xiàn)方式 四、壓電驅(qū)動器及其應(yīng)用四、壓電驅(qū)動器及其應(yīng)用 五、壓電驅(qū)動器的發(fā)展展望五、壓電驅(qū)動器的發(fā)展展望 六、參考文獻(xiàn)六、參考文獻(xiàn) 一、壓電驅(qū)動技術(shù)研究價值 精密雕刻 細(xì)胞測試 由此可知，壓電驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)運用在MEMS、生物工程 以及醫(yī)療科學(xué)等領(lǐng)域。此外，壓電驅(qū)動技術(shù)還運用于流體驅(qū) 動和噪聲污染控制等領(lǐng)域。 醫(yī)療機(jī)器人 二、壓電陶瓷基礎(chǔ)二、壓電陶瓷基礎(chǔ) 1

2、. 壓電陶瓷概述壓電陶瓷概述 壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的多晶體，由于它的生產(chǎn) 工藝與陶瓷的生產(chǎn)工藝相似（原料粉碎、成型、高溫?zé)Y(jié)） 因而得名。 壓電陶瓷片的極化 1940年以前，人們只知道兩類鐵電體：一類是羅息鹽和酒石 酸鹽；一類是磷酸二氫鉀鹽和它的同品型物。缺點：易溶解、 低溫壓電性。 1942-1945年間發(fā)現(xiàn)BaTiO3具有異常高的介電常數(shù)，不久又 發(fā)現(xiàn)它具有壓電性，鈦酸鋇壓電陶瓷的發(fā)現(xiàn)時壓電材料的一 個飛躍。 1947年美國用BaTiO3陶瓷制造了留聲機(jī)用拾音器，日本比美 國晚用了兩年。BaTiO3陶瓷缺點：溫度和頻率的穩(wěn)定性欠佳。 隨著研究深入，隨后又發(fā)現(xiàn)ABO3型鐵電體和反鐵電體

3、，至 此，研究進(jìn)入了二元系壓電陶瓷時代。其典型代表是 PZT(PbTiO3-PbZrO3)。 接著產(chǎn)生了三元系壓電陶瓷PCM，以及由此基礎(chǔ)發(fā)展出多元 系壓電陶瓷。新材料的出現(xiàn)促進(jìn)了新應(yīng)用的發(fā)展，壓電驅(qū)動 技術(shù)有著光輝的前景。 2. 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 壓電性質(zhì)是一種機(jī)械能與電能交互作用的現(xiàn)象，此性質(zhì) 是由法國居里兄弟于公元1880年研究晶體的對稱性時發(fā)現(xiàn)的。 它是一種施加應(yīng)力能產(chǎn)生電荷，施加電場而能產(chǎn)生尺寸上變 形的效應(yīng)，稱為壓電效應(yīng)。 壓電材料上極化后產(chǎn)生的電荷 u正壓電效應(yīng) 在壓電效應(yīng)中由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象就是正壓電效 應(yīng)。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。 u逆壓電效應(yīng) 將電能轉(zhuǎn)

4、化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電 致伸縮現(xiàn)象。壓電式驅(qū)動器大多是利用磁效應(yīng)制成的。 正壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng) 3. 壓電方程壓電方程 壓電材料的本構(gòu)方程反映了彈性變量(應(yīng)力T、應(yīng)變S)和 電學(xué)變量(電場E、電位移D)之間的關(guān)系。換言之，壓電方程 同時考慮了壓電元件的力學(xué)特性和電學(xué)特性以及它們相互的 耦合影響。 第一類壓電方程： 式中： SE電場E=0（或常數(shù)）時的彈性柔順系數(shù)矩陣 TT=0（或常數(shù)）時的介電常數(shù)矩陣 d壓電應(yīng)變系數(shù)矩陣 dtd轉(zhuǎn)置矩陣 T E t DdTE STE sd 三、壓電驅(qū)動實現(xiàn)方式三、壓電驅(qū)動實現(xiàn)方式 1.直動驅(qū)動直動驅(qū)動 此種驅(qū)動方式是直接由壓電元件驅(qū)動，然后

5、再用平行 四邊形柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移的放大或縮小。 單柔性四連桿雙柔性四連桿 柔性鉸鏈特點： 結(jié)構(gòu)緊湊、無間隙、無摩擦、具有較高的位移分辨率， 在使用壓電器件驅(qū)動的情況下，可以方便地實現(xiàn)0.01m的定 位精度。 轉(zhuǎn)動副 移動副 球面副 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域： 直動式驅(qū)動器的特點是結(jié)構(gòu)緊湊、連續(xù)進(jìn)給、力大，但 行程范圍小，對驅(qū)動電路有消除或減小遲滯、蠕變、非線性 的要求。一般應(yīng)用于精密驅(qū)動工作臺和MEMS中。 X-Y微驅(qū)動工作臺原理圖 哈工大博實精密工作臺 性能指標(biāo)：移動分辨率小于1m；轉(zhuǎn)動分辨率小于0.5rad。 日本日立精機(jī)技術(shù)研究所開 發(fā)的六自由度微驅(qū)動器 平移機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu) 2.步進(jìn)式驅(qū)動步

6、進(jìn)式驅(qū)動 步進(jìn)式的工作原理是根據(jù)自然界某些爬蟲類動物爬行的 方法而提出的，故稱為尺蠖步進(jìn)式直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)，這種運動 方式又稱為蠕動式（inchworm type）。 蠕動式驅(qū)動原理圖 應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域： 步進(jìn)微動機(jī)制有效地緩解了大行程和高分辨率的矛盾， 能夠在保持高分辨率的情況下增大微驅(qū)動器的行程，因而在 納米級微操作技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用前景，適于力較大、高分 辨率、大行程的場合。 美國美國Connecticut大 學(xué)研制的單自由度步進(jìn) 式直線馬達(dá)，其特點是 采用整體柔鉸形式，使 得驅(qū)動器的剛度和輸出 推力增大，剛度90N/m, 輸出推力200N，定位精 度5nm，進(jìn)給速度 100m/s。 圖為

7、哈工大孫立寧等研制的用于光學(xué)鏡面微調(diào)整的旋轉(zhuǎn) 驅(qū)動器原理圖，E為活動鏡面，F(xiàn)為固定轉(zhuǎn)動軸，A、C為電 磁式箝位機(jī)構(gòu)，與E通過柔鉸相連，B為壓電體，驅(qū)動器可實 現(xiàn)繞定軸順、逆時針旋轉(zhuǎn)。性能指標(biāo)：行程5；步進(jìn)角 0.01；分辨率0.02；最大步速5步/秒。 3.慣性沖擊式驅(qū)動慣性沖擊式驅(qū)動 慣性沖擊式壓電驅(qū)動機(jī)構(gòu)是以壓電元件為驅(qū)動源，利用 電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換來形成慣性沖擊力，從而產(chǎn)生運動的機(jī)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)模型如下所示，由三部分組成：主體A、慣性塊B 和壓電元件C。壓電元件是動力部件，能夠產(chǎn)生較大位移和 較強(qiáng)的驅(qū)動力。主體用來支撐機(jī)構(gòu)并與支撐面發(fā)生作用，通 過調(diào)整它與支撐面的摩擦力大小可以改變機(jī)構(gòu)的運動步長

8、和 承載能力。慣性塊用來產(chǎn)生慣性沖擊力，它的質(zhì)量大小直接 影響慣性沖擊力的大小。 慣性沖擊式驅(qū)動原理圖 應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域： 慣性沖擊式精密驅(qū)動器由壓電疊堆或單/雙壓電片致動， 結(jié)構(gòu)簡單，可高頻工作(1KHz以上)，適于高分辨率、大行程、 力小的場合。 性能：步距:0.14 mrad；角度分辨率:0.1 mrad；頻 率:2kHz；空載最大速度:1rpm；最大扭矩:0.37mNm；驅(qū)動電 壓Vpp:270V。 瑞士：基于stick-slip原理的單自由度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器 四、壓電驅(qū)動器及其應(yīng)用四、壓電驅(qū)動器及其應(yīng)用 壓電驅(qū)動器是利用壓電體逆效應(yīng)形成機(jī)械驅(qū)動或控制能 力的一類裝置，壓電驅(qū)動與控制技術(shù)研

9、究是超聲學(xué)與壓電學(xué) 在機(jī)械領(lǐng)域的延伸與發(fā)展。 自20世紀(jì)80年代初日本學(xué)者首先開發(fā)成功超聲波電動機(jī) 以來，壓電驅(qū)動與控制技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展，現(xiàn)己形成了專 門的研究領(lǐng)域，成為近年國內(nèi)外熱門的研究領(lǐng)域之一。 超聲波電機(jī) 壓電觸覺驅(qū)動器 壓電晶體驅(qū)動噴油器 1.壓電驅(qū)動器概述壓電驅(qū)動器概述 壓電驅(qū)動器是將變形(或振動)直接作用于從動件 實現(xiàn)機(jī)械驅(qū)動或機(jī)械控制，而非傳統(tǒng)驅(qū)動器那樣需要 先形成旋轉(zhuǎn)再經(jīng)轉(zhuǎn)換形成為目標(biāo)動力或運動，因而一 般具有結(jié)構(gòu)簡單、可控性好、適應(yīng)性強(qiáng)、控制精度 高和響應(yīng)速度快等特點。 壓電驅(qū)動器運用逆壓電效應(yīng)在換能方式上屬于一 個機(jī)電耦合過程，因而其研究涉及電子學(xué)、機(jī)械學(xué)與 材料學(xué)等多

10、個學(xué)科，屬于多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域;同時 由于換能方式特殊、適應(yīng)性強(qiáng)，因而主要被用作實現(xiàn) 機(jī)械領(lǐng)域過去不能實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)不好的諸多功能，從而 可以產(chǎn)生更多新方式、新機(jī)構(gòu)。 u目前世界上對壓電驅(qū)動與控制技術(shù)的研究以日本最為先進(jìn)， 己經(jīng)掌握了世界上大多數(shù)的壓電驅(qū)動器發(fā)明專利技術(shù)。1992 年以后，日本文部省與日司等都在投入大量資金進(jìn)行實用性 研究。 u美國、德國和法國也不甘落后，正加速追趕日本。MIT(麻省 理工學(xué)院)的航空、航天系空間工程研究中心和電子工程、 計算機(jī)系的人工智能中心都在研制自己的壓電驅(qū)動器。美國 有關(guān)的研究報告預(yù)計:在不久的將來，壓電驅(qū)動器可能部分取 代其他傳統(tǒng)裝置而成為滿足機(jī)械領(lǐng)域特

11、定要求的一類新型驅(qū) 動器。 u自20世紀(jì)80年代以來，我國陸續(xù)開始了壓電驅(qū)動與控制技術(shù) 的研究，20世紀(jì)90年代以后有了較大進(jìn)展，目前的研究主要 是在政府資金支持下進(jìn)行的。主要研究單位為清華大學(xué)、南 京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。 2.壓電驅(qū)動器結(jié)構(gòu)分類壓電驅(qū)動器結(jié)構(gòu)分類 按驅(qū)動方式不同，壓電驅(qū)動器可分為剛性位移驅(qū)動器和 諧振位移驅(qū)動器。 剛性位移驅(qū)動器結(jié)構(gòu)形式分類剛性位移驅(qū)動器結(jié)構(gòu)形式分類 諧振位移驅(qū)動器又叫超聲波電機(jī)，其種類繁多。按工作 原理，可將超聲波電機(jī)分為接觸式和非接觸式兩種。 接觸式超聲波電機(jī)按照機(jī)械波的形式可分為行波型、駐 波型和復(fù)合型三種。 行波超聲波電動機(jī)結(jié)構(gòu)示

12、意圖 行波超聲波電動機(jī)動作原理(齒內(nèi)小箭頭表示瞬時速度) 非接觸式超聲波電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子是不接觸的。它克服 了接觸式超聲波電機(jī)由于接觸摩擦所帶來的效率低、使用壽 命短等缺點，是超聲波電機(jī)的一個新的研究領(lǐng)域。 日本東京工業(yè)大學(xué)分別對定、轉(zhuǎn)子間以氣體和液體為媒 質(zhì)非接觸USM的工作情況進(jìn)行了初步研究。氣體媒質(zhì)非接觸 USM結(jié)構(gòu)如上圖所示，采用了兩個振子，電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá) 4400r/min。 氣體媒質(zhì)非接觸超聲波電機(jī) 3.壓電驅(qū)動器的應(yīng)用壓電驅(qū)動器的應(yīng)用 由前所述，壓電驅(qū)動技術(shù)已在機(jī)械、精密儀器、光學(xué)和 生物醫(yī)療等行業(yè)廣泛應(yīng)用。而按性能和使用特點，目前已開 發(fā)和應(yīng)用的壓電驅(qū)動器的應(yīng)用領(lǐng)域大致有如下幾類

13、： （1）壓電型精密驅(qū)動器壓電型精密驅(qū)動器 精密驅(qū)動器是現(xiàn)代制造工業(yè)與自動化裝備的重要器件之 一，在精密加工與控制領(lǐng)域如光學(xué)加工、航空航天以及導(dǎo)彈 裝備等方面有著廣泛需求。 壓電體變形精度高、反應(yīng)速度快，以現(xiàn)有常用的PZT類 壓電疊堆為例，一般使用情況下變形分辨率(單步位移)即可 小于10nm，頻響可達(dá)50kHz，因而被開發(fā)用作納米級的精密 驅(qū)動，取得了良好效果，成為近年精密驅(qū)動裝置的主要構(gòu)造 方式之一。 （2）壓電型運動機(jī)構(gòu)壓電型運動機(jī)構(gòu) 壓電型運動機(jī)構(gòu)的優(yōu)點是體積小、結(jié)構(gòu)靈活，便于在特 殊工況下工作，它與壓電型精密驅(qū)動器的區(qū)別是一般受力小， 行程大，反應(yīng)靈敏，移動迅速。 日本在壓電型運動機(jī)

14、構(gòu)方面的研究最為活躍而富有代表 性。日本筑波大學(xué)、名古屋大學(xué)、東京大學(xué)、早稻田大學(xué)及 富士通研究所等單位20年前即已開始研究無間隙直接運動機(jī) 構(gòu)，目標(biāo)是用于細(xì)胞解剖、集成電路制造和精密裝配，并考 慮用作人體內(nèi)的微型機(jī)器人或微型運動機(jī)構(gòu)。 （3）流體驅(qū)動及控制機(jī)構(gòu)流體驅(qū)動及控制機(jī)構(gòu) 將壓電體逆效應(yīng)直接作用于流體即可形成流體驅(qū)動與控制機(jī) 構(gòu)，它包括壓電泵、壓電閥與壓電伺服閥和壓電風(fēng)扇等。 日本名古屋大學(xué)利用PZT雙晶片型壓電體，研制了一種響應(yīng) 頻率較高、流量較大的高速開關(guān)閥。該閥通過控制一塊雙晶 片的變形來關(guān)閉或打開不同的噴嘴以驅(qū)動錐閥運動。閥的響 應(yīng)頻率可達(dá)200Hz，在20MPa系統(tǒng)壓力時輸出

15、流量達(dá) 9.24L/min。 u壓電泵是利用壓電振子作為換能器的流體傳輸裝置。同傳統(tǒng) 泵相比，壓電泵的特點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能 低、無噪聲和無電磁干擾，可通過電壓或頻率控制輸出流量 等，具有廣泛的應(yīng)用前景。 （4）超聲波電動機(jī)超聲波電動機(jī) u超聲波電動機(jī)是以高功率超聲振動取代電磁方式構(gòu)造的電 動機(jī)，目前主要采用振動耦合型和表面波型兩種方法進(jìn)行 能量轉(zhuǎn)換。日本和美國在這方面的研究較為先進(jìn)，所開發(fā) 出的超聲波電動機(jī)己在照相機(jī)、復(fù)印機(jī)等裝置中獲得了應(yīng) 用。 u同時，超聲波電動機(jī)被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，包括用于直接驅(qū) 動操作器、火星登陸機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)驅(qū)動、宇宙飛船艙壁 檢測、微閥藥物注射裝置及飛

16、行導(dǎo)彈表面控制等。 u在我國，各種類型的超聲波電動機(jī)正在開發(fā)研制之中。上 海交通大學(xué)研制了直徑為5mm壓電微電動機(jī)(其輸出力矩為 101uNm，轉(zhuǎn)速可在40-500r/min內(nèi)調(diào)整)，清華大學(xué)、南京 航空航天大學(xué)、東南大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位也先后 進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。 （5）壓電型減振和降噪技術(shù)壓電型減振和降噪技術(shù) 壓電型減振與降噪技術(shù)是一種新型的減振與降噪新方法，它 有主動型與被動型兩種。主動型也稱智能型，它是在振動或 噪聲源部位分別安裝兩個壓電元件，其中一個作為測量振動 或噪聲情況的傳感器使用，另一個作為控制振動或噪聲的驅(qū) 動器使用，工作中先通過傳感器測定振動或噪聲信號，然后 將信號

17、分析、處理轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘柺┘咏o驅(qū)動器，生成與振 動或噪聲源幅值相等而相位相反的振動或二次聲，使其與原 振動或噪聲疊加而相互抵消，達(dá)到消減或弱化的目的。這種 技術(shù)由于具有自識別、自調(diào)整功能且效果良好，已獲得科學(xué) 界廣泛關(guān)注。 被動型壓電減振與降噪技術(shù)是利用正壓電效應(yīng)以改變系統(tǒng)阻 尼實現(xiàn)消減振動與噪聲目的的一種方法。它是在振動或噪聲 源部位置入壓電元件，當(dāng)系統(tǒng)振動或有噪聲出現(xiàn)時，壓電元 件隨之變形而自身產(chǎn)生電荷(電場)，將這個電荷接入合適的 電路中使其消耗，從而消耗了振動與噪聲能量，達(dá)到了消減 振動與噪聲目的。這種方法結(jié)構(gòu)簡單但對環(huán)境適應(yīng)型較差， 有關(guān)的研究正在進(jìn)行中。 五、壓電驅(qū)動器發(fā)展展望五、

18、壓電驅(qū)動器發(fā)展展望 從國外壓電技術(shù)及壓電驅(qū)動器的開發(fā)和應(yīng)用出發(fā)，壓電 驅(qū)動器的發(fā)展將以解決以下三方面著手： u驅(qū)動器用材料及新工藝。壓電器件及其應(yīng)用的發(fā)展，在很大 程度仁取決于壓電材料的性能。為了改進(jìn)壓電陶瓷的微觀結(jié) 構(gòu)，提高材料的性能，近幾年，許多國家都在積極開展高技 術(shù)陶瓷(日本稱之為精細(xì)陶瓷)及其粉體制備工藝的研究和生 產(chǎn)。高技術(shù)陶瓷是繼金屬和塑料之后的第三代新材料。 u大行程高精度的壓電驅(qū)動器。 u壓電驅(qū)動器控制電源、控制系統(tǒng)及控制方法的研究。壓電驅(qū) 動器元件在較高電場的作用下將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性、遲滯和 蠕變，從而大大降低它的定位精度，這對構(gòu)造精密驅(qū)動是一 十分有害的。 由于國內(nèi)壓電驅(qū)動器從理論研究到產(chǎn)品形成、應(yīng)用和推 廣仍有很多問題需要解決。故從國內(nèi)實際情況出發(fā)，壓電驅(qū) 動器的發(fā)展應(yīng)從解決一下問題出發(fā)： （1）精密微型樣機(jī)研制。需要加強(qiáng)對具有微小型體積、 大力矩輸出和高精度步進(jìn)特性的壓電驅(qū)動器的研制。 （2）加強(qiáng)理論科研，構(gòu)建系統(tǒng)理論來知道壓電陶瓷電機(jī) 的結(jié)構(gòu)設(shè)計和特性預(yù)測，完善壓電驅(qū)動器的精確數(shù)學(xué)建模， 特別是對壓電驅(qū)動器定、轉(zhuǎn)子間微觀接觸行為給出準(zhǔn)確的理 論解釋。 （3）高品質(zhì)功能材料的生產(chǎn)。需要重點提高摩擦材料的 耐磨性和穩(wěn)定性，提高壓電陶瓷材料綜合性能指標(biāo)和改進(jìn)其 制備工藝，研制具有高穩(wěn)定性的反饋跟蹤電源，提高電機(jī)的 綜合性能。 （4）需求超聲波電機(jī)