（精密仪器及机械专业论文）基于压电驱动的线性位移以及旋转位移驱动器的研究.pdf

压电旋转驱动器的研究 摘要 微型机器人因其外形尺寸很小，便于进入微小空间实施操作， 故能广泛应用于生物医学、化工、军事、航天等领域，对微小空 腔、微小管道的检测及维修，对人体肠道、血管等的检查及医治 具有十分重要的意义，已成为当前机电领域研究的重点之一。 微驱动器是微型机器人的核心器件，是微型机器人技术研究 的重点之一。传统驱动方式如气动、液压、电磁等，由于尺寸及 环境所限，很难满足微型机器人工作要求。压电器件驱动器以其 独有的特性，比如高分辨率( 可达纳米级) 、高刚度和高控制精度 等优点，正逐步受到人们的关注。目前压电陶瓷作为驱动器主要 用于实现线性运动，比如微位移工作台等，而压电陶瓷用作旋转 驱动器的研究重点主要集中步进式方面，利用压电材料的外形特 征实现旋转驱动，此原理的缺点在于改变驱动器的旋转步距、频 率等，需要直接改变压电陶瓷的外形，对运动的针对性太强，而 缺少普遍性。 本课题研究的主要内容是采用惯性一摩擦原理，用压电器件开 发出新型的驱动机构，给出利用惯性一摩擦原理的压电旋转驱动器 的控制系统以及本体结构，把压电器件的直线运动转换成旋转运 动。在此基础上，给出了部分压电线性驱动以及压电旋转驱动的 实验数据，并采用有限元分析的方法分析运动结构，从而在分析 的基础上给出机构的改进方向。 本文首先概述了驱动器的现状以及压电器件的应用现状，然 后介绍了压电陶瓷以及惯性一摩擦原理，在此基础上提出了压电旋 转驱动器的设计，给除了压电驱动器的试验结果，包括压电线性 呕动器以及压电旋转驱动器。然后对结构进行了详细的分析，并 利用有限元工具对系统的运动作了简单仿真。得到的实验结果以 及仿真结果表明惯性一摩擦原理有一定的可行性，但距离具体的应 用的结构驱动中还有一定的距离。最后提出了此系统的缺点以及 改进方向。 关键词压电陶瓷，旋转驱动器，有限元分析，惯性一摩擦，压 电驱动 r e s e a r c h0 1 1r e v o l v i n gd r i v e r sd r i v e db yp z t a bs t r a c t b e c a u s eo ft h es m a l lf i g u r es i z eo fm i c r o r o b o t ，t h e ya r ee a s y t oe n t e rs m a l ls p a c et ow o r k 。 s ot h e yc a nb eu s e di nb i o m e d i c i n e 、 n u c l e a re n e r g y 、c h e m i s t r yi n d u s t r y 、m i l i t a r ya f f a i r sa n ds p a c e f l i g h t a b r o a d 。a tt h es a m et i m e ，t h e yc a ne n t e r 、c h e c k 、m e a s u r ea n d r e p a i rm i c r o c a v u ma n dm i c r o - p i p e ， a n dt h e yc a ni n s p e c ta n dc u r e i n t e s t i n e sa n db l o o dv e s s e lf o rh u m a nb o d y 。s om i c r o r o b o th a s b e c o m eo n eo ft h ee m p h a s e si nt h em a c h i n e e l e c t r i c i t yr e s e a r c h f i e l do a st h ek e r n e lp a r t so fa na p p a r a t u s ，m i c r o d r i v e ri so n eo ft h e r e s e a r c he m p h a s e sf o rm i c r o r o b o tt e c h n o l o g y 。t r a d i t i o n a ld r i v i n g s t y l e ，s u c ha s ：g a sp r e s s u r e 、h y d r a u l i cp r e s s u r e 、e l e c t r o m a g n e t i s m a n de t c 。c a nn o ts a t i s f yt h en e e do fm i c r o r o b o t st a s k 。 p i e z o e l e c t r i c i t yd r i v e r i sc a r e db yp e o p l em o r ea n dm o r ef o ri t s p a r t i c u l a rc h a r a c t e r i s t i c s ， a s h i g hd i f f e r e n t i a t er a t e 、h i g hs t r o n g d e g r e e a n dh i g hc o n t r o l p r e c i s i o n 。t o d a y ， a sd r i v e r ， p i e z o e l e c t r i c i t y i s m a i n l y u s e df o rl i n e a r d i s p l a c e m e n t ( e g ： m i c r o d i s p l a c e m e n tw o r k b e n c h ) 。 w h e np i e z o e l e c t r i c i t yi su s e da s r e v o l v i n gd r i v e r ，t h er e s e a r c he m p h a s e si s a ts t e pb ys t e pd r i v e r 。 t h i sk i n do fd r i v e ru t i l i z et h e p i e z o e l e c t r i c i t yf i g u r a t i o n c h a r a c t e r i s t i ct oa c h i e v er e v o l v i n gd r i v e r 。t h ed i s a d v a n t a g eo ft h i s t h e o r y i sw h e n e v e r y o uw a n t t o c h a n g e t h e r e v o l v i n gs t e p 、 f r e q u e n c y ，y o uh a v et oc h a n g et h ef i g u r a t i o no f t h ep i e z o e l e c t r i c i t y p o t t e r 。t h i sk i n do f m o d ed e p e n do nt h em o v e m e n tt o om u c h ， s o t h e r ei sal a c ko fc a t h o l i c i t y 。 t h em a i nc o n t e n to ft h i st a s ki st o e x p l o i t u r en e wd r i v i n g c o n s t r u c t u r e ， u s i n gt h ei n e r t i a f r i c t i o nt h e o r y 。t h ec o n t r o ls y s t e m a n dt h en o u m e n o nc o n f i g u r a t i o n a r e g i v e n a n dc o n v e r tl i n e a r d i s p l a c e m e n ti n t or e v o l v i n gd i s p l a c e m e n t 。t h e nt h ee x p e r i m e n t a l d a t af o rs o m ep i e z o e l e c t r i c i t yl i n e a rd r i v i n ga n dp i e z o e l e c t r i c i t y r e v o l v i n gd r i v i n g 。a tl a s t ，t h ed a t aa n d t h es t r u c t u r ea r ea n a l y s e d b ya n s y s ，t h e nt h eb e t t e r m e n to r i e n t a t i o n i sg i v e n 。 t h ec u r r e n tp i e z o e l e c t r i c i t yp a r t su s i n gs t a t u sa n dt h ed r i v i n g c u r r e n ts t a t u si ss u m m a r i z e df i r s t l y ，t h e nt h ei n e r t i a f r i c t i o na n d t h e p i e z o e l e c t r i c i t yp a r t s a r ei n t r o d u c e d ， o nt h eb a s e o ft h e s et h e p i e z o e l e c t r i c i t yr e v o l v i n gd r i v e ri sd e s i g n e d ，t h e n t h et r i a lr e s u l ti s g i v e n ， i n c l u d i n gp i e z o e l e c t r i c i t yl i n e a rd r i v e ra n dp i e z o e l e c t r i c i t y r e v o l v i n gd r i v e r 。 i no r d e rt oa n a l y s et h er e s u l ta n dt h es t r u c t u r e ， w eu t i l i z ea n s y st o o lt os i m u l a t et h er e s p o n s e 。t h et r i a lr e s u l ta n d 拍es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e 曲a f f e a s i b i l i t y ，b u ts t i l lh a sal o n gw a y d i s a d v a n t a g e a n dt h ea m e l i o r a t e d i s c u s s e d 。 i n e r t i a f r i c t i o nt h e o r yh a ss o m e f r o mm a t e r i au s e 。fi n a l l y ，t h e o r i e n t a t i o no ft h i ss y s t e m i s k e yw o r d sp i e z o e l e c t r i c i t y ，r e v o l v i n gd r i v e r ， a n s y s ， i n e r t i a f r i c t i o n ，p i e z o e l e c t r i cd r i v e r 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：二杰 日期：年，月2 _ 1 e t 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ， 保密囱，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：三荡 蛆 日期：邛年1 月2 _ 日 指导教师签名：钕j 丑手 日期：护) 年f 月多) 日 上海交通大学硕二f ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1概述 随着m e m s 技术、微传感器技术以及微加工技术的发展，微型机器人 ( m ic r o r o b o t ) 因其外形尺寸很小，便于进入微小空间实施操作，故能 广泛应用于生物医学、核能、化工、军事、航天等领域，对微小空腔、 微小管道进行检测及维修，对人体肠道、血管等进行检查及医治，微型 机器人的研究已成为当前机电领域研究的重点之一。 在一切自动化设备中，驱动器是必备的重要部件，驱动器的性能直 接影响到自动化设备的性能。为了提高自动化设备的精度、效率和减小 体积，关键在于选用精度和效率高、体积小、重量轻的高性能驱动器。 因此，驱动器的研究一直引起科技界的重视。在微型机器人的开发领域 也是如此。微驱动器作为微型机器人的核心器件，一直都是微型机器人 技术研究的重点之一。 几十年来已经开发研制出各式各样的驱动器，如，电磁式驱动器， 气压、液压驱动器，特殊型驱动器( 超声、橡胶、超导、形状记忆合金、 压电等等) 。传统驱动方式如气动、液压、电磁等，由于尺寸及环境所限， 很难满足微型机器人工作要求，而压电器件驱动器以其独有的特性，正 逐步受到人们的关注陋1 。由于压电器件具有换能效率高( 5 0 ) ，体积小 ( 几立方毫米到几十立方毫米) ，重量轻( 几克到几十克) ，输出力大 ( 3 5 0 0 k n c m 2 ) ，响应速度快( 几十微妙) ，可控精度高( o 0 1 u m ) 等优 点，故由压电元件所构成的压电驱动器的研究更引起国内外科技界的重 视。现在压电驱动器的驱动精度已经达到o 0 1 u r n ( 直线式) ，l u r a d ( 旋 转式) 的水平【3 】。这类超高精度的驱动器已经开始在机器人、生物医学 工程、精密机械、i c 和超导等领域中得到应用。 1 2 微型机器人驱动方式 在任何机械系统中，驱动器都起着举足轻重的作用。微驱动器作为微 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 机械的核心部件，一直是m e m s 研究的热点，在微小机器人的关节驱动、 微小光盘、磁盘驱动以及微小航天仪器中有广泛应用前景，并在一定程 度上成为衡量m e m s 发展水平的重要标志。 由于受结构尺寸和作业空间的限制，微型医用机器人很难采用常规 的驱动方式和驱动机构，微机器人的驱动方式大致可分为二种，其一是 运用“场”力驱动，如静电力，电磁力等；其二是运用材料本身的性能 变化产生的微小变形来驱动，如热膨胀，材料在相变时的形状记忆效应， 压电效应等。当前国内外相关的研究成果很多，主要集中于形状记忆合 金、电磁方式和压电方式驱动的机器人。 1 压电驱动方式 压电驱动的工作原理主要基于压电体的逆压电效应，即当压电体受 电场作用时会产生形变。与其它类型的驱动方式相比，压电驱动具有的 最大特点是微米、纳米量级的位移或运动。同时，压电驱动具有体积小、 刚度大、位移分辨率及定位精度高、线性好、频率响应高、不发热、无 噪声、易于控制等优点。近十年来，压电陶瓷微动机构的性能不断提高， 已逐步进入实用阶段。目前国外压电陶瓷微动机构的控制精度己达到纳 米级，频响达到上千赫兹：国内研制的压电陶瓷微动机构的重复定位精 度巳经达到了士0 0 1 “m ，频响达到数百赫兹。目前应用于超精密车削加 工的压电陶瓷微动机构主要为一维和二维微动机构【4 】。压电驱动器采用 摩擦力驱动，将阻碍运动的摩擦力变为驱动力，有可能成为m e m s 最有 前途的驱动器。 2 静电驱动方式 静电微电机选择静电作为微电机的换能形式，以表面力取代体积力起 主导作用。而静电力是最易获得的表面力。因为静电力和电极的体积没 有直接关系，所以随着体积的微型化单位体积产生的静电力应增加。由 于静电力是表面力，静电电极的制造可以采用薄膜化技术，而且也可采 用多层化的技术。静电力的另一个特点是电极上不通过电流，即静电驱 动是电压驱动，所以，静电驱动不仅控制方便、可实现高速化，而且只 2 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 要做到良好的绝缘，可较方便地制成低消耗电能器件，不产生发热等现 象。这些都有利于用平面微机械加工技术制造静电执行器或驱动器，即 实现集成化制造微驱动器。静电力与电极的间隙大小密切相关，微小的 间隙可以形成极高的电场，微加工技术可以实现微小的间隙和良好的绝 缘薄膜，因此在微器件中静电力起着较大的作用。目前静电型微马达可 以在电解质液体( 如去离子水等) 、油类( 如硅油等) 和气体环境中运转。 在空气中，开环步进操作方式微马达的转速可以达到1 5 0 0 0r p m ，寿命 可以达到数百万转。 根据静电微电机的工作原理，又可分为同步式、摇摆式、谐振式和 摇摆步进式四种。 静电力属表面作用力，随尺寸减小其作用相对增强，但是，电机中 的摩擦力和粘滞力也较强，因而，静电电机力矩较小，难以应用。 3 电磁驱动方式 电磁微电机采用传统电磁驱动方式，利用精密机械加工或i c 工艺， 实现小型化，已在毫米级微电机研制中取得较大进展。但由于“尺寸效 应刀影响，进一步微型化面临困难。电磁微电机是移居传统的电磁原理 制作的，转子靠平面线圈产生的电磁力驱动。美国在电磁微电机方面的 研究工作已取得了显著的研究成果。凭借光刻、电火花加工和精密机械 加工等综合工艺技术制造的地磁微电机已有报道，其转子直径达毫米至 亚毫米量级。日本在电磁微电机方面的研究处于国际领先地位，9 4 年东 芝公司已成功研制出整机o0 8 m mx1 2 m m 的电磁微电机。 采用电磁驱动方式的微型管道机器人已经问世。微型管道机器人有 电磁驱动单元件组成，驱动机理模拟生物体的蠕动爬行。日本东京工业 大学研制出一种蠕动式管道微机器人，它有三节单元件组成，可实现微 机器人在直径1 0 m m 管内的前后移动，移动速度为2 2 m m s 上海交通大 学精密机械与智能微系统研究所研制成功“微型多关节方式蠕动医用机 器人诊查系统。该系统由表面覆盖弹性密封膜的多节电磁驱动单元件构 成，最大横向尺寸为l o m m 、总体结构长度为5 0 m m ，机器人的运动速度可 达15 m m s ，适于在柔软、光滑、粘滑、弯曲、狭小环境下运动，可以广 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 泛应用于医疗领域进行人体内的“微创和无创 诊疗。亦可应用于核能、 化工等工业领域引。 4 s m a 驱动方式 形状记忆合金( s m a ) 是近几十年内仿真起来的一种新型的功能材料。 1 9 6 3 年美国海军武器实验室首次发现了n i t i 合金的记忆效应。形状记 忆材料可以分为两类，即形状记忆合金s m a ( s h a p em e m o r ya l l o y ) 和 形状记忆高分子聚合物。 形状记忆合金多用作执行器，可以应用于医疗器械、空间技术、电子 仪器、汽车部件和机器人等领域。在形状恢复过程中，体材的s m a 随 温度不同可产生较大的变形量和作用力，但其响应速度较低。 另一类形状记忆材料是形状记忆高分子聚合物，属于弹性记忆材 料。当温度达到相变温度时，材料从玻璃态转变为橡胶态，相应的弹性 模量变动较大并伴随产生很大变形。随着温度的增加，材料变得柔软， 容易变形：当温度下降时，材料逐渐硬化，变成持续可塑的新形状。 日本三菱公司研制了一种s m a 螺旋弹簧式主动内窥检查微型机器 人，用于人体管道进行医疗检查。日本t o h o k u 大学利用微机械制造技术， 采用形状记忆合金驱动，研制成适用于人体肠道或血管环境的蛇形机器 人，并将进一步研制和开发体内自行式诊疗系统，以实现体内诊断、体 内微细手术、体内药物直接投放等功能口1 。中国科技大学研制出了基于 s m a 导向的用于人体肠道检查和腹腔手术的医用蠕动式管道微型机器 人。上海交通大学精密机械与智能微系统研究所研制的“微型多关节方 式蠕动医用机器人诊查系统“利用了微型形状记忆合金解决了成像方向 控制问题，实现了大视野的诊疗。由于形状记忆合金的具体特性限制了 其驱动频率，机器人的动作速度难以提高。 5 磁致伸缩驱动方式 将磁致伸缩合金等材料放在磁场中时，它会产生微小的应变，这就 是磁致伸缩现象。 4 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 磁致伸缩材料的优点是：变形量大；随着材料的不同，正磁致伸缩 ( 沿外部磁场方向伸长) 和负磁致伸缩( 沿外部磁场方向收缩) 可以变 化：居里点高( 3 8 0 ) ，故可在高温下使用；可以低电压驱动；产生应 力大；磁滞损耗小，并且可调；响应速度快；磁致伸缩量的温度特性可 调哺1 。相对压电材料而言，也具有许多优势。近年来，随着大磁致伸缩 材料的不断开发应用，已形成了代替压电陶瓷( 电致伸缩材料) 的趋势。与 压电材料相比，磁致伸缩材料具有以下优点： 室温磁致伸缩应变量大，( 伸缩量) 可达0 1 5 以上。 居里温度可达3 8 0 。c ，在2 0 0 高温区工作自如。 外加磁场8 0 k a m i ( 1 k o e ) f t , j ，产生应力3 0 0 k g f c m 2 以上。 转换效率高，机电耦合系数可达到0 7 5 。 驱动电压低，工作时只需要几伏的低电压驱动。 大磁致伸缩应用器件体积大大减小。 大磁致伸缩材料可承受高达2 0 0 m p a - - 7 0 0 m p a 压力，适于高压力 的执行器，大功率的声学换能器等。 对磁化和应力几乎即时响应，用于快速执行器无比优越。 不存在压电陶瓷中失极化引起的失效问题，同时不存在老化、疲劳 问题，因而可靠性高。 大磁致伸缩材料特别适应于低频区工作，在0 5 k h z 范围内的能 量转换效率优于其它传统材料。 由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而 做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波， 这种材料可将电磁能( 或电磁信息) 转换成机械能或声能( 或机械位移 信息或声信息) ，相反也可以将机械能( 或机械位移与信息) 。转换成电 磁能( 或电磁信息) ，它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的 水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、 减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油 喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景阳3 。 上海交通大学硕士学位论文 第囊绪论 用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控 制、超精密机械加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、 线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门、传感器等等。利 用磁致伸缩现象可以制作微型驱动器，目前已有超磁致伸缩微型驱动器 的研究成果报道【1 0 12 1 。 1 3 压电驱动器的研究近况 压电驱动机构是指利用压电元件的逆压电效应，将电能转换为机械 能的新型驱动装置。 压电驱动器( p i e z o c e r a m i ca c t u a t o r s ) 的发展已经有几十年的历史， 它被广泛应用于各种力、位移、振动、加速度、冲击传感器和与之相应 的驱动器。 压电驱动器应用于微定位、微操作是近几十年的事情。与其它类型 的驱动方式相比，压电驱动器( p z t ) 的优点是： 能够产生极其细小的位置变化，达到亚纳米( s u b n a n o m e t e r ) 级，位 移分辨率及定位精度高。 压电效应只与电场有关，压电驱动器既不产生磁场，也不受之影响。 能产生几万牛顿的力。 具有微秒量级的高响应速度。 由于p z t 直接将电能转换成运动，因此能量消耗低，发热小。 能够在接近零开氏温度的低温下工作。 不需润滑，无磨损，可以在真空中应用。 结构简单，易于微型化。 因此压电驱动器日益受到各国研究人员的重视，业已应用于生命科 学、医学和生物工程，半导体及微电子，数据存储，光学、光子学、光 纤、度量和测量技术，精密机械和机械工程等领域【l3 1 。近十年来，压电 陶瓷微动机构的性能不断提高，已逐步进入实用阶段。采用压电驱动的 微型机器人也已经问世。微驱动器是微型机器人的核心器件，是微型机 器人技术研究的重点之一。传统驱动方式如气动、液压、电磁等，由于 6 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 尺寸及环境所限，很难满足微型机器人工作要求。压电器件驱动器以其 独有的特性，比如高分辨率( 可达纳米级) 、高刚度和高控制精度等优点， 正逐步受到人们的关注n 们。 利用压电材料在控制电压作用下尺寸的变化特性，目前已研制成功 多种形式的微型压电驱动或定位机构。最典型的一种压电驱动器是冲击 驱动机构( i d m ) ，由h i g u c h i 最早在提出【1 5 17 1 。该机构由三个主要元 件组成：主质量块、压电陶瓷件和配重块，其运动由压电件在长度方向 上交替的快速和慢速变化实现。目前已被广泛用于微型机器人及微定位、 微驱动等领域【1 8 1 。国内外基于这种原理的微型管道机器人及其他微机构 已经研制成功。日本d e n s o 公司采用层叠式压电陶瓷驱动器制成的微 型机器人本体直径5 5 m m ，长2 0 m m ，自重1 9 ，移动速度6 m m s1 1 9 】。上 海交通大学的压电型管道机器人样机质量4 5 9 ，外形尺寸为1 0 x1 0 1 6 m m ，能在竖直玻璃管内上下爬动【20 1 。u c h i n o 等人【2 1 1 提出一种采用层 叠式压电陶瓷的直线驱动器，其滑块在一个固定轨道上运动，此系统尺 寸太大并且结构复杂。s a n g c h a e 和s o oh y u n 2 2 提出采用互相垂直的 两个压电元件，借助摩擦力驱动，实现双向运动的直线驱动器。l j u h a s 等人设计出一个采用三个压电陶瓷管作三条腿的微定位平台，可以应用 于微定位及微操作【2 3 】。 以上提到的压电驱动器均能实现直线运动，且质量体都是靠压电元 件及其它器件之间的相对运动产生的摩擦力来驱动，但都具有各自的局 限性。除了i d m 结构之外，其它结构都难于微型化，而i d m 结构也具 有必须借助外界摩擦力才能运动的特点。 其他类型的压电驱动器也有许多种。文献 2 4 报道了使用盘型压电薄 膜驱动器的微滴液管。文献 2 5 介绍了一种采用压电元件组成的尺蠖机 构。文献【2 6 】利用多对p z t 构成折叠型线性驱动器，可以得到大位移量。 还有其他一些驱动器机构，这里不再一一介绍。 1 4 压电驱动机构现状 目前较多的压电器件用于作驱动机构，应用压电振子的新型驱动机 构如下： 7 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 压电位移工作台 压电驱动的微位移工作台因其高刚度、高分辨力、不受磁场干扰等 优点而在航天、微电子等许多行业有着广泛的应用。 图1 1 所示为一压电驱动微位移工作台的基本结构。压电驱动微位 移工作台的精度微位移丁作台的精度主耍取决于压电驱动器控制电路的 分辨力、电噪声、位置传感器的精度等因素。系统的频响则取决于控制 方式及由压电驱动器、导向机构、 预紧弹簧和惯性质量等组成部分的 特性和力状态。 2 仿生步进压电旋转驱动器 这种新型旋转驱动器的动作原 理是根据自然界爬虫类爬行的方法 而提出的，如图l 所示。首先是a b图1 1 压电驱动微位移工作台基本结构 盘( 转子) 部分膨胀，使转子固定f i 9 1 1a b a s i cf a c t u r eo f t h es t a g ed i v e rb yp z t 在圆壁( 定子) 上，如图1 2 ( a ) 所示；接着是a 盘膨胀部分复原，并 顺时针( 由下向上看) 旋转一个角度，如图1 2 ( b ) 所示；然后是a 盘部分膨胀，使a 盘固定在圆壁上，b 盘膨胀部分复原，靠a 、b 盘之 间的弹性连接，则b 盘也顺时针旋转同一个角度；最后回到了图1 2 ( a ) 所示的状态，完成旋转一个角度的动作。重复上述步骤，则驱动器继续 顺时针旋转。显然，当第二步是a 盘部分膨胀复原，并反时针旋转一个 角度，其它步骤一样时，则驱动器反时针旋转【2 7 1 。 图1 2 仿生步进式旋转驱动器动作原理图 f ig1 2t h et h e o r yf i go ft h ep a c e ddrivor 8 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 3 多自由度压电马达 目前研究的压电马达，根据 压电振子产生的振动波形，可 分为行波型、驻波型压电马达； 根据输出的运动形式，可分为 直线移动式、回转式及蠕动式 压电马达；根据压电振子的结 构形式，可分为圆环式、圆筒式 及平板式压电马达；根据动力 传递方式有接触式、非接触式 压电马达等，一般可实现回转 或直线运动，即单自由度的驱 动能力。但进行压电驱动机构 研究时，我们知道，压电元件因 为是陶瓷材料制作的，所以理 论上可以设计加工成任意形状， j 口 2 l 口口， 白 1 j 一 图1 3 多自由度回转式马达结构图 f i 9 1 3s t r u c t u r ef i go fr e v o iv in gd r iv o r 利用压电驱动机构的这种特点，有可能设计制作多自由度的驱动机构。基 于上述观点，在仔细分析了目前研究的压电马达的结构及工作原理后，提 出一种可以实现多自由度回转运动的新型压电马达结构的设想。图1 3 为多自由度回转式马达结构简图。其工作原理是矩形板压电振子在不同 频率下会产生b 3 2 和b 2 3 的振动模态，在为b 3 2 振型时( a 方向观察3 条 节线，b 方向2 条节线) ，设计在平板上的1 、3 凸起由于长、宽两个方向 复合振动的作用，其顶端的质点将产生类似椭圆曲线的运动轨迹，将驱动 其上的球体绕轴线( i ) 13 转动：当振子的振型为b 2 3 时，( a 方向2 条节线，b 方向3 条节线) ，设计在平板上的2 、4 凸起由于长、宽两个方向复合振动 的作用，其顶端的质点也将产生类似椭圆曲线的运动轨迹，将驱动球体沿 与b 3 2 振型驱动时转动轴线垂直的另一轴线2 4 转动，不同模态下，在矩 形板上的4 个凸起( 也称为“驱动足) 两两成对驱动放于其上的从动圆 球绕不同轴线转动，形成多自由度回转运动。 9 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 4 新型压电流体泵 8 0 年代中期提出的压电流体泵，工作时通过双压电片振子的上、下 弯曲振动使泵腔体积产生变化，并在单向阀的控制下，形成流体的定向流 动。和传统的机械泵比较，压电泵的动力产生元件和工作元件皆由双压电 片振子完成，结构简单，因此压电泵可以做的很小，适合微小型泵的开发 与应用研究心引。 5 超声波马达 超声波马达是利用压电材料的逆压电效应实现驱动的一种新型微特 电机，由于它通常采用固态压电材料实现电能向机械能的转化，转子的旋 转力来源于转子与定子间的摩擦力，故也可将其称为固态摩擦驱动器 【2 9 】 1 5微机械压电驱动存在的问题 相对于传统机械而言，微型机械的摩擦问题显得十分突出。由于尺 寸效应的影响，作用在表面上的摩擦力和粘滞力对于微型机械性能的影 响要比体积力大很多。此外，微型机械对于摩擦特性要求较高。对于微 型驱动器来讲，要利用摩擦力作为驱动力，要求摩擦力具有稳定的数值， 而且可以适时控制和调整。宏观摩擦学通常是根据材料表面的体相性质 在摩擦界面上的反应来表征其摩擦磨损行为，并应用连续介质力学包括 断裂和疲劳理论作为分析的基础。而纳米摩擦学则是有原子、分子结构 出发，考察纳米尺度的表面和界面分子层摩擦学行为，其理论基础是表 面物理和表面化学，研究物质相互接触，以及在滑动过程中表面的微观 摩擦、磨损机理的，对微型机械的分析有重要的价值油7 1 。目前微观摩擦 的分析主要是建立在实验基础之上，理论模型尚不完善。 1 6 论文的主要研究内容 本文的主要研究内容来源国家“8 6 3 ”计划资助项目，项目编号： 2 0 0 1 a a 4 2 2 2 1 0 。 本文的主要工作包括以下几个方面： i o 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章是绪论，概述目前常用的驱动方式，比较各种驱动方式的优缺 点，然后比较详细的介绍压电驱动的优缺点以及目前压电驱动在微机械 驱动其中的应用。 第二章介绍压电陶瓷以及惯性一摩擦原理，并分析了应用惯性摩擦原 理组成的线性位移系统，以及把线性位移转化成旋转位移的压电驱动系 统。 第三章在实验的基础上，分析了压电线性驱动器以及旋转驱动器的 实验数据以及结果。 第四章介绍了有限元方针，以及a n s y s 软件，并在此基础上给出了对 实验结构的仿真以及结果。 第五章，对本文的工作做了总结，并对未来的工作进行了展望。 上海交通大学硕士学位论文 第二章压电陶瓷以及压电驱动 第二章压电陶瓷以及压电驱动 压电陶瓷作为一种新兴的陶瓷材料，近几十年来发展甚为迅速，应 用日趋广泛，已经深入到尖端技术以及国民经济的各个部门之中，成为 必不可少的现代工业材料之一。 自发现压电性以来，压电学仅是晶体物理学的一个分支。直到19 9 4 年，人们对“压电陶瓷 这个术语仍然不理解。当时，只知道两类铁晶 体，但都不具有工程上的应用价值。二战中，19 4 2 年到1 9 4 5 年，美国 的韦纳等人、日本的小川、苏联的伍尔和戈德曼分别发现钛酸钡( b a t i 0 3 ) 具有异常高的介电常熟，此后不久有人发现了b a t i 0 3 具有压电性。b 。t i 0 3 的发现是压电材料的一个飞跃。从此以后，压电材料有了两大类：压电 单晶和压电陶瓷【3 1 1 。 随着研究的进一步发展，人们逐步认识了更多中的压电材料，压电 陶瓷也因为本身的特点以及优越性得到越来越多的重视，也获得越来越 广泛的应用。 2 1 压电陶瓷以及压电效应概述 1 压电材料 根据物体的电特性，可以把它们分为两大类：导体和电介质( 绝缘 体) 。导体中含有大量自由电荷，如金属中的自由电子、气体或液体中的 离子。如果有电场存在，这些自由电荷受电场力而运动。电介质则不同， 其中的带电粒子是被原子内在力、分子内在力或分子间的力束缚着，这 些粒子的电荷称为束缚电荷。如果有电场存在，这种带电粒子可以有微 小的移动，但不能离开分子的范围。 电介质处在外加电场中的情况和导体不同。在电介质中电子和原子 核间的内在力相当大，电荷是被束缚的。外加电场会使电介质的分子或 原子形成电偶极子，在电介质的表面将出现正和负束缚电荷，这种现象 称为极化。极化后，束缚电荷在电介质中所建立的电场一般是减弱外加 1 2 上海交通大学硕士学位论文 第二章压电陶瓷以及压电驱动 电场的，电介质表面一般也不是等位面。电介质的分子可分成两类，一 类是非极性分子，另一类是间隙分子。在正常情况下，非极性分子内所 有正电荷的作用中心与负电荷的作用中心是重合的；极性分子内所有正 负电荷的作用中心不相重合而形成一个电偶极子，但不同电偶极子的电 矩方向是任意的、不规则的。在无外加电场作用的情况下，无论哪一种 分子，就电介质一部分体积来看，它们的所有分子的等效偶极子的电偶 极矩矢量之和都为零。在外加电场作用下，非极性分子的正负电荷的作 用中心发生相对位移，极性分子的电偶极矩发生转向，这时它们的等效 偶极矩矢量之和便不再为零。 电介质所受极化的程度，可用极化强度矢量p 表示。它的定义是单 位体积内的电偶极矩。各种电介质的p 与电场强度昱有关，这里的君是 电介质中的实际电场强度，包括外加电场强度和束缚电荷建立的电场强 度。大多数电介质，尸和f 间的关系不因f 的方向而变，尸与f 的方向也 相同，称为各向同性电介质，许多电介质尹与f 成正比时，称为线性电 介质。有些电介质p 和f 间的关系随f 的方向而变，尸与f 的方向也不 尽相同，称为各向异性电介质口2 一引。 一块有电极、经过极化处理的压电陶瓷，如果在它的上面加一个力， 那么陶瓷片就会产生形变，同时还会产生电效应( 如放电或充电现象) 。 相反，如果在陶瓷片的电极上加一个电压，陶瓷片就会产生形变效应。 由于形变而产生电效应，称为正压电效应，晶体的这一性质称为压电性。 压电性早在18 8 0 年就为雅克和皮埃尔居里兄弟所发现。后来居里兄弟 发现，在晶体上施加电压时，则晶体会产生几何变形，这一效应称为逆 压电效应似”。压电效应反映了陶瓷的“压与“电 之间的线性耦合关 系3 3 1 。 压电材料的晶体结构不是一成不变的，它将随着温度而变化，由量 变到质变。对于具有钙钛矿型结构的月彦仍晶体，当温度高于兀时，晶格 为立方晶系，无压电效应：当温度低于兀时，则转变为四方晶体，存在 压电效应。从一种晶系到另一种晶系的转变是结构上的质变，物理学上 称为相变。因为相变前后都是处于固体状态，所以又称为“固一固相变”。 l 称为相交温度。对于压电陶瓷，在疋以上，无压电效应；在疋以下， 上海交通大学硕士学位论文第二章压电陶瓷以及压电驱动 存在压电效应。所以兀又称为居里点口引。 在居里温度以上，属于立方晶相，不存在自发极化；在居里温度以 下，转变为四方晶相，存在与c 轴平行的自发极化。在压电陶瓷生产中， 极化工序的作用，就是在陶瓷片上加一个足够高的直流电场，迫使陶瓷 内部队电畴转向，或者说迫使自发极化作定向排列。在居里温度以下， 压电陶瓷不但具有自发极化，而且它的自发极化方向可以引外电场作用 而转向。凡具有这种特性的固体称为“铁电体”。因此，严格地说，压电 陶瓷应称为“铁电陶瓷 ，或称为铁电多晶体b 副。 正压电效应的产生与陶瓷中极化状态的改变有密切关系，不是在任 何力的作用下，在任何方向都能产生压电效应，只有在某些力的作用下， 在某些方向才能产生压电效应。具体说来，就是在伸缩应力的作用下， 只产生沿极化方向的正压电效应。在切应力的作用下，只有与极化垂直 的方向上才产生正压电效应。因此，要利用伸缩应力来产生正压电效应， 就需选择与极化方向垂直的电极面；要利用切应力来产生正压电效应， 就需选择与极化方向平行的电极面口们。 正压电效应： d 3 = d 3 i 互+ d 3 l 瓦+ d 3 3 互：d 2 = d 1 5 瓦：d i = d 1 5 瓦 式中，各量的单位为：电位移d ( 库仑米2 ) ；应力t ( 牛顿米2 ) ； 压电常数d ( 库仑米) 或( 米伏) 。 逆压电效应的产生也与陶瓷中极化状态的改变有密切关系，只有在 与极化方向垂直的电极面上施加电场或电位移，才能使陶瓷产生伸缩形 变；只有在与极化方向平行的电极面上施加电场或电位移，才能使陶瓷 产生切变引。 逆压电效应： 墨咄孚嘞毛 驴叱冬叫a w ；是喃孚喃毛 ：s ，= d r 5 丘：而，e 。 w ；s 喝争屯与 式中，墨：_ a ；s 2 = 一a w ；s 3 ：_ a t 分别为三个方向l ，2 ，3 的伸 lwf 1 4 上海交通大学顶士学位论文第二章压电陶瓷以及压电驱动 缩应变。墨和s 是剪切应变。 上式中的比例常数d 称为压电应变常数。由上式可知，压电材料的 形变跟加在压电材料上的电压呈线性关系，对于企图用来产生运动或振 动的材料来说，希望具有大的压电应变常数d 。 2 选择压电器件考虑的基本参数 自发现压电性以来几十年，压电学仅是晶体物理学的一个分支，这 一效应的广泛应用却是在压电陶瓷被发现以后才实现的。压电陶瓷材料 除了具有一般介质材料所具有的介电性能和弹性性能外，还具有压电性 能。压电陶瓷材料经过极化以后具有各向异性，每一项性能参数在不同 的方向上所表现的数值不同，这就使压电陶瓷材料的性能参数比一般各 向同性的介质陶瓷多的多。压电陶瓷作为一项新兴的功能材料，近二十 年来发展甚为迅速，应用日趋广泛。尽管压电旋转驱动器利用的主要是 逆压电效应，可是其他元器件本身的参数特征，也将直接影响对压电陶 瓷器件的的选用。下面也主要介绍逆压电效应相关参数口引。 选择压电陶瓷器件其他需要参考参数： a ) 压电应变常数：选择压电器件首先要考虑的问题，将直接决定同样的 电压所产生的压电器件的应变量。上文已经做了详细阐述。 b ) 居里点：上文也已经提到居里点的概念，超过此温度点，压电材料将 丧失它的压电特性，此数值说明压电陶瓷工作的外界环境温度以及自身 温度条件。 c ) 耦合因子：耦合因子表征压电材料能量转换的能力。 d ) 机械品质因数：机械品质因数是衡量压电陶瓷材料的一个重要参数。 它表示在振动转换时材料内部能量的消耗程度。机械品质因数越大，能 量的损耗越小，产生损耗的原因在于内摩擦。 e ) 频率常数：频率常数是谐振频率和决定谐振的线度尺度的乘积。如果 外加电场垂直于振动方向，则谐振频率为串联谐振频率；如果外加电场 平行于振动方向，则谐振频率为并联谐振频率。 对于一个纵向极化的长棒来说，其纵向振动的频率常数通常以来n d 上海交通大学硕士学位论文 第二章雎电陶瓷以及压电驱动 表不。 f ) 介电常数：介电常数反应材料的介电性质，或极化性质，通常用e 来 表示。不同用途的压电元件对压电材料的介电常数要求不同。例如，压 电扬声器要求要大，而高频压电元件则要求要小。 更多时候我们使用的是相对介电常数e ，它与介电常数之间的关系为 er = 80 式中o = 8 8 5xl o 。1 2 ( f m ) 而，无量纲 2 2 压电驱动器的应用原理 本小节将要讨 论的是压电驱动器 应用的惯性摩擦 原理，所谓惯性 摩擦原理就是运用 了压电陶瓷的快速 变形运动，运动体 ( 移动体和旋转 体) 的惯性以及摩 擦快和运动体之间 的摩擦力来实现驱