压电驱动器

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。

　　1 　刚性位移驱动器

　　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。

　　2 　谐振位移驱动器

　　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。

特点

　　(1)不需传动机构 ,位移控制精度高 ,可达 0.01 微米。

　　(2)响应速度快 ,约为 10 微秒 ,无机械吻合间隙 ,可实现电压随动式位移控制。

　　(3)有较大的力输出 ,约为 3.9KN/cm 。

　　(4)功耗低 ,比电磁马达式的微位移器低 1 个数量级 ,并且当物体保持一定位置(高度)时 ,器件几乎无功耗。

　　(5) 它是一种固体器件 ,易于电源、侧位传感器、微机等实现闭环控制。并且磁控合金和温控形状记忆合金等其他位移器件体积要小得多。

性能

　　如果采用单板型压电陶瓷 PZT,1cm 厚的PZT要想得到 10 微米左右的驱动位移 ,则两端需要施加 5KV 的压电。给 PZT施加如此高的电压 ,可能会使绝缘击穿而引起机械的破坏 ,发生危险因为压电陶瓷的变形量与厚度无关 ,由此人们开发出了层叠式压电驱动器。如图l 所示 ,将压电陶瓷做成很薄的薄片(现在已经能制造出了 0. 05 毫米的压电陶瓷薄片) ,将多片压电陶瓷片 ,采用机械上串联、电路上并联 ,然后烧结在一起的方式制成这样 ,给它施加数百伏的电压便可得到很大的驱动位移。以我国电子工业部第二十六研究所制造的WTDS—IK型压电驱动器为例 ,尺寸 7 ×5 ×25 毫米 ,施加 300V 电压 ,驱动位移大于 10 微米。

应用

　　1 超精密测量

　　随着科学技术的迅速发展 ,对仪器精度的要求出现了数量级的变化。从精密测量 (0. 5～0.005μm) ,发展到超精密测量(0.05～0.005 nm) ,最近又提出纳米精度测量(5～0. 05nm)的要求。在一定范围内 ,PZT 伸长量和施加的电压近似成线形关系 ,故此利用其精度高的特点 ,可在超精密测量中得以应用。

　　例如 ,1982 年 ,IBM 苏黎世研究所等成功地研制出世界上台新型的表面分析仪器 ,即扫描隧道显微镜(scanning Tunneling Microscope ,STM) ,其扫描头便由三个相互垂直的压电陶瓷组成 ,可用于三维扫描。STM 具有极高的空间分辨能力(平行方向的分辨率为 0. 04nm ,垂直方向的分辨率达到 0.01 nm) 。

　　2 超精密定位

　　在定位技术中 ,利用传统的定位装置 ,如滚动或滑动导轨、精密螺旋楔块机构、涡轮 —凹轮机构齿轮 —杠杆式机构等机械传动式微位移驱动器构成定位机构 ,由于存在着较大的间隙和摩擦 ,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。此类技术中 ,精密微动工作台的研制开发已经成为当今国内外研究的热点问题之一 ,不断地出现新的形式 ,它们大多以柔性铰链为导向机构 ,由压电驱动器进行驱动。此类工作台己被广泛用于能束加工、超精密检测、微操作系统等要求具有纳米级定位分辨率的技术领域中。

　　3 超精密机械加工

　　超精密加工技术在航天产品和现代化精密制造中占有非常重要的地位 ,近十几年来世界各国都十分重视超精密加工技术的研究和发展 ,美国最早成立了 Nano 研究中心 ,英国制定了 ERATO(Ex2ploratory Research for Advanced Technology) 规划等。微进给机构在超精密加工领域获得广泛应用 ,一般被用来作为微进给或补偿工具 ,目前使用最多的便是以压电陶瓷为驱动器的基于弹性铰链支撑位移机构。日本东京工业大学用压电陶瓷微进给机构补偿气浮导轨运动直线度 ,可将直线度提高到0. 14μm/600mm。美 国 的 光 学 金 刚 石 车 床(LODTM) 上用的快速道具伺服机构(FTS) 在 ±1127μm 范围内分辨率达 2. 5nm ,频率响应达100Hz ,可进行主轴回转误差的补偿 (转速在 1.50r/ min 以下) 。随着超大规模集成电路的发展及微型机械的要求 ,超精密加工技术正从亚微米级向纳米级发展。

　　4 微型机械

　　作为驱动部件 ,压电陶瓷在微型机械当中应用非常广泛。广东工业大学与日本筑波大学合作 ,已研制出一维、二维联动压电驱动器 ,其位移范围为10 ×10μm ,位移分辨率为 0.01μm ,精度为 0.1μm ,用于微型机器人的驱动;长春光学精密机械研究所研制出的直径 <3mm 的压电超声马达;日本东京大学工科研究所研制出利用压电陶瓷快速变形的冲击驱动机构(IDM) ,并通过 IDM 制成了两种类型的微型机器人(一种为三自由度 ,另一种为四自由度) 。在机器人的端部最小步进运动小于 0. 1nm ,速度大于 2mm/ s,并将它们成功地用在对细胞的操作中。

　　我国在微型机械领域 ,也不断出现新的成功 ,如压电超声马达、微型机器人、微小夹持器等 例如,上海交通大学研制的压电式微型可控镊子。