壓電驅(qū)動技術(shù)及壓電驅(qū)動器的應用研究

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)動器的應用研究的應用研究專業(yè)：機械制造及自動化專業(yè)：機械制造及自動化目 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、壓電陶瓷基礎二、壓電陶瓷基礎 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)動器及其應用四、壓電驅(qū)動器及其應用 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、參考文獻六、參考文獻一、壓電驅(qū)動技術(shù)研究價值 精密雕刻細胞測試 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)療機器人二、壓電陶瓷基礎二、壓電陶瓷基礎1. 壓電陶瓷概述壓電

2、陶瓷概述 壓電陶瓷是一種具有壓電效應的多晶體，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、高溫燒結(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，至此，研究進入了二元系壓電陶瓷時代。其典

3、型代表是PZT(PbTiO3-PbZrO3)。接著產(chǎn)生了三元系壓電陶瓷PCM，以及由此基礎發(fā)展出多元系壓電陶瓷。新材料的出現(xiàn)促進了新應用的發(fā)展，壓電驅(qū)動技術(shù)有著光輝的前景。2. 壓電效應壓電效應 壓電性質(zhì)是一種機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。它是一種施加應力能產(chǎn)生電荷，施加電場而能產(chǎn)生尺寸上變形的效應，稱為壓電效應。壓電材料上極化后產(chǎn)生的電荷u正壓電效應 在壓電效應中由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象就是正壓電效應。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。u逆壓電效應 將電能轉(zhuǎn)化為機械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。壓電式驅(qū)動器大多

4、是利用磁效應制成的。正壓電效應逆壓電效應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(應力T、應變S)和電學變量(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特性和電學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壓電應變系數(shù)矩陣 dtd轉(zhuǎn)置矩陣TEtDdTESTEsd 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，然后再用平行四邊形柔性鉸鏈機構(gòu)進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

5、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用領(lǐng)域應用領(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：移動分辨率小于1m；轉(zhuǎn)動分辨率小于0.5rad。日本日立精機技術(shù)研究所開發(fā)的六自由度微驅(qū)動器平移機構(gòu)轉(zhuǎn)動機構(gòu)2.步進式驅(qū)動步進式驅(qū)動 步進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，故稱為尺蠖步進式直線驅(qū)動機構(gòu)，這種運動方式又稱為蠕動式（in

6、chworm type）。蠕動式驅(qū)動原理圖應用領(lǐng)域：應用領(lǐng)域： 步進微動機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大學研制的單自由度步進式直線馬達，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，進給速度100m/s。 圖為哈工大孫立寧等研制的用于光學鏡面微調(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

7、、逆時針旋轉(zhuǎn)。性能指標：行程5；步進角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)動機構(gòu)是以壓電元件為驅(qū)動源，利用電-機能量轉(zhuǎn)換來形成慣性沖擊力，從而產(chǎn)生運動的機構(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)生較大位移和較強的驅(qū)動力。主體用來支撐機構(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構(gòu)的運動步長和承載能力。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)動原理圖應用領(lǐng)域：應用領(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

8、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)動器及其應用四、壓電驅(qū)動器及其應用 壓電驅(qū)動器是利用壓電體逆效應形成機械驅(qū)動或控制能力的一類裝置，壓電驅(qū)動與控制技術(shù)研究是超聲學與壓電學在機械領(lǐng)域的延伸與發(fā)展。 自20世紀80年代初日本學者首先開發(fā)成功超聲波電動機以來，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

9、電機壓電觸覺驅(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)機械驅(qū)動或機械控制，而非傳統(tǒng)驅(qū)動器那樣需要先形成旋轉(zhuǎn)再經(jīng)轉(zhuǎn)換形成為目標動力或運動，因而一般具有結(jié)構(gòu)簡單、可控性好、適應性強、控制精度高和響應速度快等特點。 壓電驅(qū)動器運用逆壓電效應在換能方式上屬于一個機電耦合過程，因而其研究涉及電子學、機械學與材料學等多個學科，屬于多學科交叉的研究領(lǐng)域;同時由于換能方式特殊、適應性強，因而主要被用作實現(xiàn)機械領(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，己經(jīng)掌握了世界上

10、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(麻省理工學院)的航空、航天系空間工程研究中心和電子工程、計算機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)裝置而成為滿足機械領(lǐng)域特定要求的一類新型驅(qū)動器。u自20世紀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90年代以后有了較大進展，目前的研究主要是在政府資金支持下進行的。主要研究單位為清華大學、南京航空航天大學、東南大學和哈爾濱工業(yè)大學等。2.壓電驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

11、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，其種類繁多。按工作原理，可將超聲波電機分為接觸式和非接觸式兩種。 接觸式超聲波電機按照機械波的形式可分為行波型、駐波型和復合型三種。行波超聲波電動機結(jié)構(gòu)示意圖行波超聲波電動機動作原理(齒內(nèi)小箭頭表示瞬時速度) 非接觸式超聲波電機的定子與轉(zhuǎn)子是不接觸的。它克服了接觸式超聲波電機由于接觸摩擦所帶來的效率低、使用壽命短等缺點，是超聲波電機的一個新的研究領(lǐng)域。 日本東京工業(yè)大學分別對定、轉(zhuǎn)子間以氣體和液體為媒質(zhì)非接觸USM的工作情況

12、進行了初步研究。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，電機轉(zhuǎn)速可達4400r/min。氣體媒質(zhì)非接觸超聲波電機3.壓電驅(qū)動器的應用壓電驅(qū)動器的應用 由前所述，壓電驅(qū)動技術(shù)已在機械、精密儀器、光學和生物醫(yī)療等行業(yè)廣泛應用。而按性能和使用特點，目前已開發(fā)和應用的壓電驅(qū)動器的應用領(lǐng)域大致有如下幾類：（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)域如光學加工、航空航天以及導彈裝備等方面有著廣泛需求。 壓電體變形精度高、反應速度快，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

13、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）壓電型運動機構(gòu)壓電型運動機構(gòu) 壓電型運動機構(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，反應靈敏，移動迅速。 日本在壓電型運動機構(gòu)方面的研究最為活躍而富有代表性。日本筑波大學、名古屋大學、東京大學、早稻田大學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構(gòu)，目標是用于細胞解剖、集成電路制造和精密裝配，并考慮用作人體內(nèi)的微型機器人或微型運動機構(gòu)。（3）流體驅(qū)動及控制機構(gòu)流體驅(qū)動及控制機構(gòu)將壓電體逆效應直接作用于流體即可形成流體驅(qū)動

14、與控制機構(gòu)，它包括壓電泵、壓電閥與壓電伺服閥和壓電風扇等。日本名古屋大學利用PZT雙晶片型壓電體，研制了一種響應頻率較高、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。閥的響應頻率可達200Hz，在20MPa系統(tǒng)壓力時輸出流量達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，具有廣泛的應用前景。（4）超聲波電動機超聲波電動機u超聲波電動機是以高功率超聲振動取代電磁方式構(gòu)造的電動機，目前主要采用振動耦合型和表面波型兩種方法

15、進行能量轉(zhuǎn)換。日本和美國在這方面的研究較為先進，所開發(fā)出的超聲波電動機己在照相機、復印機等裝置中獲得了應用。u同時，超聲波電動機被應用于諸多領(lǐng)域，包括用于直接驅(qū)動操作器、火星登陸機器人手臂關(guān)節(jié)驅(qū)動、宇宙飛船艙壁檢測、微閥藥物注射裝置及飛行導彈表面控制等。u在我國，各種類型的超聲波電動機正在開發(fā)研制之中。上海交通大學研制了直徑為5mm壓電微電動機(其輸出力矩為101uNm，轉(zhuǎn)速可在40-500r/min內(nèi)調(diào)整)，清華大學、南京航空航天大學、東南大學和哈爾濱工業(yè)大學等單位也先后進行了相關(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

16、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)

17、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)境適應型較差，有關(guān)的研究正在進行中。五、壓電驅(qū)動器發(fā)展展望五、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

18、、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)展應從解決一下問題出發(fā)： （1）精密微型樣機研制。需要加強對具有微小型體積、大力矩輸出和高精度步進特性的壓電驅(qū)動器的研制。 （2）加強理論科研，構(gòu)建系統(tǒng)理論來知道壓電陶瓷電機的結(jié)構(gòu)設計和特性預測，完善壓電驅(qū)動器的精確數(shù)學建模，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和改進其制備工藝，研制具有高穩(wěn)定性的反饋跟蹤電源，提高電機的綜合性能。 （4）需求超聲波