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(yùn)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(yùn)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. 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(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，至此，研究進(jìn)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(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)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

4、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(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

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(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(yùn)動方式又稱為蠕動式（in

6、chworm 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

7、、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(yùn)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(yùn)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(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

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(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

9、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(yùn)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(yùn)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

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(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)

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(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

12、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：（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)

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(yùn)動機(jī)構(gòu)壓電型運(yùn)動機(jī)構(gòu) 壓電型運(yùn)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(yùn)動機(jī)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(yùn)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(yùn)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

14、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(yùn)動。閥的響應(yīng)頻率可達(dá)200Hz，在20MPa系統(tǒng)壓力時輸出流量達(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

15、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

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(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)

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(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、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

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(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