先进功能材料课程论文
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材料学院
材料学
11S009078
鲁明
2012年5月20日
压电材料驱动器研究进展
鲁明 11S009078
摘要：作为新型功能材料驱动器家族中的重要成员，压电陶瓷在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用。由压电陶瓷构成的精度高、控制方便、能耗低的驱动器，在精密伺服控制系统中具有独特的技术优势。详细阐明了压电驱动器的独特优点，概述了其结构类型与应用分类。在此基础上，综述了该驱动器研究与应用中的若干热点以及未来的发展趋势。
关键词：压电驱动器；精密控制；应用 简介：
压电驱动器以其尺寸小、线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、能耗低、无噪声等特点，己成为一种理想的微位移驱动装置，非常适合在精密定位及小负载、大转矩、高精度的机械传动装置等领域中应用。Et本的M．Asano，T．Matsuoka等人应用8块压电陶瓷片通过变换驱动时序和相位研制成了针型驱动器[1]。这种驱动器主要用来作为微型管道机器人的动力源。它可以实现精确的位移(0．5微米)，并有很快的移动速度(103mm／s)，其最大驱动力是0．02256N。德国Karlsrule大学用压电驱动器作为驱动单元研制成功的定位机器人[2]，可实现三自由度的运动，其运动精度为5nm。美国加利福尼亚大学R．S．Feairng等人结合仿生学原理，研制了用于微飞行昆虫的振翅压电微驱动器[3]。该驱动器最大速度为0．9mm／s，最大步长为36m，最小步长0．142m。近年来，日本东京理工大学的JamesFirend等人研制了体积为4mm×3mm×8．5mm的旋转振动压电微驱动器[4]，在87．1mN负载下，最大输出转矩0．1N·m。国内许多高校和科研机构也做了应用研究工作，但研究成果尚未实用化。
一 结构类型
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。
刚性位移驱动器的驱动模式主要有多层式驱动器和单(双)晶片驱动器，此外还有Rainbow驱动器、Moonie驱动器和Cymbals驱动器等，几种模式在大小、质量、位移量及负载能力上均各有特点。
多层片式陶瓷驱动器(MLAS)是利用单片陶瓷电场作用下直接伸长变形，再通过多层叠加使总的变形量达到一个较大的数值。MLAS具有承载力大、响应快、位移可重复性好、体积效率高、电场控制相对简单等优点，缺点是位移量较小、电容高。
D33双晶片弯曲驱动器是由两片相同的沿厚度方向极化过的压电陶瓷片粘结在一起形成的，结构如图l所示。d单晶片弯曲驱动器结构与双晶片不同之处只是由金属代替了其中的一片陶瓷。将弯曲驱动器一端固定，构成悬臂梁结构，沿z轴方向施加电场，驱动器自由端发生弯曲变形[5]。
D33单晶片弯曲驱动器结构如图2所示。其中导电环氧树脂既起到电连结作用，又提高了驱动器的断裂韧性，从而使驱动器能承受很大的弯曲应力而没有机械损坏。d双晶片弯曲驱动器是用同样的压电陶瓷体代替了图2中的金属板。由于常用压电陶瓷的d值是d的2～2.2倍，所以这种结构的驱动器在相同电场强度作用时产生的位移量比d33弯曲驱动器要高得多。
Rainbow是一种集还原和压电介质层于一体的压电驱动器。通过将压电陶瓷圆片在高温下由石墨还原的特殊工艺，大致形成压电陶瓷层和还原层自然结合的两层结构，冷却后由于两层收缩率不同，产生了独特的拱形器件结构。Rainbow驱动器位移量较大，又具有一定的承载能力[6]。
Moonie驱动器可得到中等的位移量和承载力，其横截面如图3所示。在外电场作用下，压电陶瓷体纵向膨胀，横向收缩，并转变为沿外套的弯曲延伸运动[7] [8]。Cymbals是一种改进模型驱动器，它进一步提高该类型驱动器的位移和承载能力[9]。
谐振位移驱动器(超声波电机)种类繁多，从毫米级的微型电机到厘米级的小型电机；从单自由度的直线电机到多自由度的平面电机和球型电机；从原理上基于摩擦的超声波电机到利用声悬浮的非接触式超声波电机；从高分辨率的蠕动式电机到无磨损的压电-电流复合型步进电机。按照工作原理，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3种。行波式超声波电动机一般由振动体和转子构成。压电晶片通电后，产生一个衰减的柔波，用两个空间上垂直相交的柔波叠加，得到一个柔性行波。当此波在振动体中行进时，振动体表面的粒子作椭圆运动，如果转子和振动体接触，转子将会被接合面处的摩擦力驱动。行波型电动机外形小，也可制成直线电机，因此得到较为广泛的研究和发展。然而其效率低、功率小；理论研究显示大功率行波电动机并不具备高效率[10]。
多模振动电动机用单相驻波驱动，结构和驱动器都比前两者简单，然而由于两个振动模式要同时激励，振子尺寸必须严格设计。驻波式超声波电机的振动体是一个由金属和压电陶瓷组成的薄片，上面分布有凸台，当用适当的驻波激励时，凸台将形成左倾运动或右倾运动，被压在这些凸台上的滑块(通过预压力)被这种左倾或右倾驱动向左移动或向右移动。这种电机功率大、效率高，但旋转方向不易改变。
复合型超声波电动机如图4所示，定子包括两组压电设备，一组控制摩擦力大小，另一组控制输出力，用不同的电源驱动，产生两个独立振动的模型，两个振动相位差90。这种复合型电动机具有令人满意的效率和输出扭矩。
非接触式超声波电机(USM)的定、转子是不接触的。它克服了接触式USM由于接触摩擦所带来的效率低、使用寿命短等缺点，是USM的一个新的研究领域。
日本东京理工大学分别对定、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。图5为气体媒质非接触USM结构。该电机采用了两个振子，电机转速可达4400r／min[12]。他们还分别对以水、氯化钠溶液和硅油为媒质的USM工作情况作了研究，电机转速最高可达800r／min。电机结构如图6所示[13]。
二 应用
根据用途，可将压电驱动器分为微定位器、超声波电机、振动主动控制机构三种类型。 微定位器主要用于微米级及亚微米级精度的定位控制，如光学仪器的生产、光纤对接、高精度三维微动台、高精度机加工及硬盘寻道等。在定位技术中，传统的定位装置均存在较大的间隙和摩擦，所以无法实现超精密定位。而采用压电驱动器结合柔性铰链放大机构，可以克服上述缺点而实现微纳米级的超精密定位。清华大学研制的u型集成悬浮磁头，采用双压电陶瓷元件，磁头最小位移达1．08m，驱动电压达±20V，频率响应高达20kHz[14]。 迄今为止，超声波电机在航空航天、精加工进给机构、汽车行业、精密仪器或医疗器械、机器人关节、办公自动化和微机械等方面得到了广泛应用引[15]。此外，在军事工业(如侦察用微型机械虫)、生产加工行业(如直线超声电机用于半导体加工业)、计算机行业(如针式打印机的打印头)、医疗器械行业以及量具业等方面也有一定应用。
传统的被动减震降噪方法是通过增加质量、阻尼、刚度或者是通过结构的重新设计而改变系统的特性，这样做有不少缺陷。压电材料自身具有的正逆压电效应，使其成为挠性结构主动分布控制中检测器与执行器的理想材料。用于这方面较为重要的压电材料有PZT和PVDF。
三 研究热点与未来方向
微动超精密压电驱动器
微动超精密压电驱动器由于具有高刚度、高出力、高定位精度和高分辨率，可以用到超精密机械和纳米检测与操纵器械中。例如，用于精密定位和误差补偿的设备，可提高仪器和机械的测量和加工精度。微型机械的发展，需要建立全新的用于微小型零部件精加工的特种加工装置，装置中用于加工的工具以及零部件定位的超精密微动驱动器是必不可少的。德国的Kuleuven的Hen-drikVanBrussel研究了高刚度的精密定位压电驱动器，用于微电火花加工；美国UCLA大学的GrevP．Carman研制了用于减少直升机螺旋桨振动的微蠕动压电驱动器[16]。这些微动器可以独立成为一种产品，由用户选型自己配套使用。利用上述驱动器可进一步开发用于生物医学、毒物细胞研究的微定位、微装配、微测量等方面的超精密装置。
微型压电驱动器
压电驱动器以压电元件进行能量转换，这为其微型化带来极大方便。国内外微型压电驱动器目前主要有：表面波压电驱动器、在硅基体上沉积薄膜的压电微驱动器、在金属上沉积薄膜的压电微驱动器和陶瓷块体结构的压电微驱动器。块体结构的压电微驱动器是这几种类型中体积最小、输出力矩最大的一类。美国麻省理工学院人工智能实验室研制的直径8mm、长3mm的行波微压电驱动器，最大输出力矩为1 mN·m[16]。图7为日本东京理工大学研制的体积为4mm×3ml／l×8．5mm的旋转振动压电微驱动器，在87.1 mN负载下，最大输出转矩0.1 N·m，最大转速达425 r／min。该电机集传感、控制、换能、致动于一身，并可实现任意方向的旋转。
国内清华大学材料科学与工程系褚祥诚博士最新研制的直径2mm的压电微驱动器，采用结构更简单的棒状压电陶瓷实现驱动，有效地降低了研制成本[14]。
声表面波超声波电机
声表面波(如Rayleigh波)是在介质表层传播的一种高频波，其频率可达100MHz以上。由于压电装置的能量密度基本上与其工作频率成正比，所以利用在高频工作的表面波来做直线超声电机可以获得优越的性能，如大出力、高速度、厘米级的长行程、高能量密度、容易自锁和高的位移分辨率。东京大学黑泽实教授研制的直线型声表面波超声波电机，其动子尺寸为4mm×4mm×0．3mm，工作频率为10MHz，振幅仅10nm一20nm，最大速度1.1 m／s，最大推力3.5N，步进运动分辨率为5 nm。
大力矩压电陶瓷超声波电机
低速大力矩是压电驱动器区别于其他类型电机最显著的特点。美国航空航天局(NASA)喷气推进实验室的材料研究室与MIT共同研究开发用于火星探测器操作臂关节驱动的大力矩超声波电机。为此，MIT研制出的新一代行波超声波电机采用双面陶瓷、双面齿转子和双定子结构[17]。样机性能：转速40r／min，力矩2N·m，效率大于40％。
目前，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。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、高精度步进特性的压电驱动器的研制。②精确数学模型构建。国内外尚无系统的理论来指导压电陶瓷电机的结构设计和特性
预测，尤其是对压电驱动器定、转子间微观接触行为还没有给出准确的理论解释。因此，完整的超声波电机的数学建模建立显得尤为重要。③高品质功能材料生产。需要重点从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，研制具有高稳定性反馈跟踪电源，提高电机的综合性能。④超声波电机实用化加快。由于超声波电机还难以做到像传统电磁电机那样低的成本，驱动电源的集成度不高，频率跟踪效果不佳，摩擦材料稳定性不够以及对El单位多以追求短期经济效益为目标而难以大力扶持压电驱动器技术的发展，所以国内超声波电机产业化步伐比较慢。为提高超声电机的竞争能力，应该充分发挥其自身的特点，寻找与其相匹配的使用场合。
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