收稿日期:2008-10-25
作者简介：杨国利(1955-)，本科学历，机电工程师，高级市场营销师，现任内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司煤炭运销公司党总支书记兼副总经理。
杨国利
(霍林河露天煤业股份有限公司 煤炭运销公司，内蒙古 霍林郭勒 029200)
摘 要：由于压电陶瓷优越的性能，它在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用。由压电陶瓷构成的超高精度、低能耗、控制简便的驱动器，在精密工程中起到了非常重要的作用。本文详细阐明了压电陶瓷的特性，以及压电驱动器的独特优点，并概述了其结构类型与在精密机械中的应用。 关键词：压电陶瓷；压电驱动器；精密加工
中图分类号:TM282 文献标志码:C
文章编号:1008-0155(2009)01-0056-04
引 言随着科技的发展，纳米技术在机械领域中的地位越来越重要。微机械技术、微纳米测量技术和微系统技术已成为当今世界机械高新技术领域的研究热点，也是纳米科技研究的一种关键技术。微位移系统是微机械系统中的一个主要研究领域和重要组成部分，得到科技界和产业界的广泛重视。而常用的伺服电机驱动及精密丝杠传动等方式很难实现，由此人们根据压电陶瓷的优良特性，开发出了一种新型微位移驱动器件———压电驱动器。它以位移控制精度高、响应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽等优点，在精密机械中的应用日趋广 泛。
1 压电陶瓷材料
适合与制作压电驱动器的陶瓷材料主要有以
下三种：压电材料、电致伸缩材料、相变(反铁相一
铁电相)材料。
压电陶瓷是常用的驱动器材料，它在电场作用
下发生变形，在低电场下应变———电场基本呈线性
关系，然而当电场强度增大时，由于电铸取向改变,
应变———电场偏离线性关系，出现明显迟滞。软性PZT 压电陶瓷如PZT —5A 、PZT —5H 、PZN —PZT 、PMN —PZT 是常用的驱动器材料，表1列出了它们的压电性能。另外，一种适合于制作驱动器的新型压电陶瓷系列Ba (sn ,Ti )03(BST )正在研制当中，该材料在很大的电场范围内表现出较好的应变———电场特性。表1 驱动器常用压电陶瓷的压电性能材 料tg δd 31(pC/N )d 33(pC/N )PZT5A 01016-208429PZT5H 01016-285581013PZN -017PZT 01018-260688
01375PMN -01625PZT 01018-270650
第二类驱动器材料为电致伸缩材料，其应变量与电场强度平方成正比。大量研究表明，弛豫型铁电体具有良好的电致伸缩性。研究较多、性能较好的电致伸缩材料主要有PMN 基陶瓷、PL ZT 、PZN 基陶瓷材料，表2列出了这三种材料的性能比较。表2 PMN 、PL ZT 、PZN 基陶瓷的电致伸缩性能比较
材 料(1-x )PMN +xPT PL ZT (1-x -y )PZN -xB T -yPT 组 成0≤x ≤0.107～9/65/350105≤x ≤013 01050≤y ≤013
烧结温度1200～1250℃
1250℃
1050～1100℃
应 变小大中 间温度稳定性中 间不 好好敏感性
制作糖果盒中 间
速记教程很敏感
相对不敏感
第三类驱动器材料以Pb (Ti ,Zr ,Sn )Q 3(简称
PSZT )系为代表，该陶瓷处于反铁电状态时，在足够高的电场作用下反铁电体变为铁电体，导致应变产生。因为反铁电相比铁电相的单胞小得多，相变将导致明显的体积膨胀。这种尺寸变化为驱动应用提供了一种有用的机械性能。据报道，在组成为
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相转变附近的PSZT ，纵向应变在0.2%～0.9%之间。
2 压电驱动器性能和特点2.1压电驱动器特点
(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 2。
(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。
2.2 压电驱动器的位移性能
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 —I K 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
。
图1 压电驱动器电压一位移曲线3 压电驱动器的结构类型
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。
3.1 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。
防喷器试压A 多层片式陶瓷驱动器
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、唯一可重复性好、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。
B 单(双)晶片弯曲驱动器
d 31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接在一起形成的，结构如图2所示。d 31双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
。
图2 d 31双晶片弯曲驱动器
d 33单晶片弯曲驱动器结构如图3所示。其中导电环氧树脂既起到电联结作用，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 33双晶片弯曲驱动器是用同样的压电陶瓷代替了图3中的金属板。由于常用压电陶瓷的d 33值是d 31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d
31弯曲驱动器要高得多。
图3 d 33单晶片弯曲驱动器C Rainbow 驱动器
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。
D Moonie 驱动器和Cymbals 驱动器
Moonie 驱动器可得到中等的位移量和承载力，其横截面如图4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。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。
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图4 复合Moonie 驱动器
3.2 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。
A 接触式超声波电机
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，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。
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，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
。
图5 复合型超声波电机
复合型超声波电动机如图5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
半自动打包出力，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。
B 非接触式超声波电机
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6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 。他们还分别对以水、氯化钠溶液和硅油为媒质的USM 工作情况做了研究，电机转速最高可达800r/min 。电机结构如图7所示。
图6 气体媒质非接触
USM
图7 液体媒质非接触USM
4 压电驱动器在精密机械中的应用4.1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(0.5～0.005
μm )，发展到超精密测量(0.05～0.005nm )，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第一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0.01nm )。
4.2 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
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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
。
图8 微动工作台
例如，清华大学开发的以单轴柔性铰链作为机折叠炕桌
械传动机构的压电驱动微动工作台，如图8所示，其工作原理如图9所示。该工作台分辨率ΔS ≥0.1μm ；工作行程S max ≤235.6μm ；最大输出力F 0≤485N
。
图9 工作原理图
4.3 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ERA TO (Ex 2ploratory 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
0.14
μm/600mm 。美国的光学金刚石车床(LOD TM )上用的快速道具伺服机构(F TS )在±
1127
μm 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。
4.4 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
10×10
组培容器
μm ，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 ，最大速度大于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。
5 结语
由压电驱动器构成的微位移系统以其体积小、承载力大、效率高、唯一分辨率高、不产生噪声等优良
特性，已在超精密加工、微电子工程、微细作业系统、微型机械等领域中得到广泛的应用。目前在国内外的科研机构和企业正大力开展这方面的研究和促进其成果产业化。
利用压电驱动器分辨率高、响应快等动态特性，可将其制作成超声波发生器件，如超声波物化器件、压电超声马达等。利用其控制精度高的静态特性，开发了微动工作台等超精密定位装置。随着人们开发出了性能优越的柔性铰链，便可利用柔性铰链制作位移放大机构，将压电陶瓷驱动器产生的微小位移进行放大，从而使压电驱动器的应用领域大大拓宽，尤其在精密机械的设计与制造中，应用较为广泛，开发出了如微位移精密工作台、微型机器人等机械产品。可以预料，随着高新技术的发展，压电驱动器在机械工程中的应用将会更加广阔。参考文献:
[1]郑伟智，辛洪兵.压电驱动器在精密机械中的应用[J ].机械工程师,3003,3.
[2]陈大任.压电陶瓷位移驱动器概述[J ].电子元件与材料,1994,13(1):2.7.
[3]徐永利，李尚平.陶瓷驱动器的发展与展望[J ].功能材料,2000,31.
[4]杨凯，张德林等.压电驱动器研究与应用中的若干新进展[J ].国家自然科学基金,TM359.9
[5]陈大任.压电陶瓷微位移驱动器概述[J ].电子元件与材料,1994,2.
(责任编辑：郝存义)
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