（测试计量技术及仪器专业论文）大行程压电微动台驱动控制系统的研究.pdf

中文摘要 微驱动、定位技术是当今世界各国研究的热点问题，是纳米测量及加工技术 中的关键技术之一，而微位移致动器则是微驱动、定位系统中的重要组成部分。 压电陶瓷致动器是目前微位移技术中比较理想的驱动元件，它的出现开创了精度 进入纳米级的新时代。 本文中研究的课题是大行程压电微动台的驱动控制系统，其主要内容和创瓤 点包括： 1 、论文系统地介绍了压电陶瓷的性能参数及压电元件等内容； 2 、着重阐述了压电微动台的运动原理、总体机械结构设计、驱动控制系统 设计以及性能测试实验：结构设计方面，采用平台式结构，增强了其实 用性：变传统单驱动器为双驱动器结构，采用新颖的根据尺蠖运动 ( i n c h w o r mm o t i o n ) 原理改进的“推一拉”接力运动原理，配以适当的 四路驱动信号，使压电微动台实现连续平稳的运动。系统控制方面，通 过单片机系统产生四路信号，经直流放大器放大后加载到压电微动台。 控制程序采用c 5 1 软件编程，以中断方式实现波形控制。 3 、对压电陶瓷驱动器电源的作用原理、设计特点及分类进行了介绍，并给 出了压电陶瓷驱动器的电源设计要求、方法、电路及相关测试参数等方 面的内容。驱动电源采用直接稳压和直流放大式原理进行设计，通过与 单片机控制系统相结合，保证压电微动台的运动精度。 4 、实验结果表明：压电微动台的运动位移是线性的，运动速度在驱动电压 为2 0 0 v 时可达1 3 8 6 p m s ，最小步距为亚微米级，行程大于1 0 m m ，载 物能力可以达到2 4 n 。 关键词：压电陶瓷驱动电源微驱动微定位尺蠖运动 a b st r a c t m i c r o d r i v i n ga n dp o s i t i o n i n ga r eo n eo ft h eh o t t e s tr e s e a r c ht o p i c s a l lo v e rt h e w o r l da n dt h ek e yo fn a n o m e a s u r e m e n ta n dn a n o f a b r i c a t i o n m i c r o d i s p l a c e m e n t a c t u a t o ri st h ei m p o r t a n tp a r to f t h es y s t e mo f m i c r o - d r i v i n ga n dm i c r o p o s i t i o n i n g a t p r e s e n t ，p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca c t u a t o r i s r e l a t i v e l yp e r f e c td r i v i n ge l e m e n ti n m i c r o d i s p l a c e m e n tt e c h n o l o g y i t sa p p e a r a n c ei n a u g u r a t e sn e w t i m e so fp r e c i s i o no f n a n o m e t e r i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed r i v i n ga n dc o n t r o l l i n go fp i e z o e l e c t r i c m i c r o m o v i n g p l a t f o r mw i t hl o n g r a n g ei si n t r o d u c e d t h em a i nc o n t e n t si n n o v a t i v ep o i n t si n c l u d e ： 1 、p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ，p i e z o e l e c t r i ce q u a t i o na n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca r ei n t r o d u c e d 2 、t h em o v e m e n tp r i n c i p l e ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e d e s i g n ，t h ec o n t r o l l i n g s y s t e ma n dc h a r a c t e rt e s t i n ge x p e r i m e n t so fp i e z o e l e c t r i cm i c r o - m o v i n g p l a t f o r ma r ee x p a t i a t e di ne m p h a s i s i ns t r u c t u r ed e s i g n ，t h es t r u c t u r eo f p l a t f o r mm o d e lw h i c hb u i l d u p si t sp r a c t i c a b i l i t yi sa d o p t e dt h et r a d i t i o n a l s i n g l ea c t u a t o ri su p d a t e dt od o u b l ea c t u a t o r s w i t ht h en o v e lp r i n c i ! c ) l eo f p u s h 。a n d - p u l lr e l a ym o v e m e n tw h i c hi si m p r o v e df r o mt h ep r i n c i p l eo f i n c h w o r mm o t i o na n dp r o p e rf o u r - c h a n n e ld r i v i n gs i g n a l s ，p z tp l a t f o r mc a n m o v ec o n t i n u o u s l ya n ds m o o t h l y a st oc o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h ef o u r - c h a n n e l s i g n a l sf r o mm c ua r eo u t p u tt od ca m p l i f i e rt ob ea m p l i f i e da n dt h e n l o a d e dt op z tp l a t f o r mt h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e dw i t hc 51 a n dt h e p e r i o do fw a v e f o r mi sc o n t r o l l e di nt h ei n t e r r u p tm o d e 3 、t h e p r i n c i p l e ，d e s i g np o i n ta n ds o r to f p o w e rs u p p l yo f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c a r ea l s oi n t r o d u c e d d e s i g nd e m a n d ，m e t h o d ，c i r c u i ta n dt e s t i n gp a r a m e t e r s o f p o w e rs u p p l ya r eg i v e n i nt h ed e s i g no f p o w e rs u p p l yo f p z t , t h es u p p l y m a g n i f i e sa n ds t a b i l i z e sv o l m g ed i r e c t l y c o m b i n e dw i t hm c u m o v e m e n t p r e c i s i o no f p i e z o e l e c t r i cm i c r o - m o v i n gp l a t f o r mi se n s u r e d 4 、t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h em o t i o no ft h ep i e z o e l e c t r i cp l a t f o r mi s l i n e a r , t h em o v i n gs p e e dc a nr e a c h13 6 8 “m sa tt h ev o l t a g eo f2 0 0 va n dt h e m i n i m a ls t e pi ss u b - m i c r o n l e v e l ，t h em o v i n gr a n g ei sm o r et h a n 1o m m ，c a r r y i n gc a p a c i t yi s2 4 n k e y w o r d s ：p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，p o w e rs u p p l y , m i c r o d r i v i n g ，m i c r o - p o s i t i o n i n g ， i n c h w o r mm o t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘凄蠢堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：煜莉趣 签字日期：加哆年，月，2r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁注盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：冱雨叛 导师签名：乏生芰蓉 签字日期：y 哆年月2 日 签字只期：旷年月，2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微驱动定位系统发展状况 纳米微定位系统( n a n o p o s i t i o n i n g ) 是指系统的运动位移在几微米和几百微 米的范围内，其分辨率、定位精度和重复定位精度在纳米级的范围内。微位移致 动器是微定位系统中的重要组成部分，是一类能够实现微米、亚微米及纳米尺度 超高精度位置执行与控制的传感或执行器。它的出现带动了诸如超大规模集成电 路加工、精密光学控制、超精加工、显微分析、人工智能控制等的飞速发展，在 国防、微电子、航空、航天等尖端领域发挥着极为重要的作用”。1 。 1 1 1 微位移致动器分类“1 l 、电热式微位移机构 电热式微位移是利用物体的热膨胀来实现微位移的。这种机构结构简单，操 作方便。但由于传动秆与周围介质之间有热交换，从而影响位移精度。由于热惯 性的存在，不适于高速位移。 2 、磁致伸缩微位移机构 磁致伸缩微位移机构是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动来实 现微位移的。但铁磁材料在磁场的作用下，除产生磁致伸缩外，还伴随着受热伸 长，其应用受到了限制。 3 、电磁铁驱动的微位移机构 这种机构利用电磁原理，通过控制线圈中的电流人小来控制电磁力的大4 、， 使具有弹性支承的工作台产生精密微位移。它的缺点是电磁铁中始终要通过一定 的电流，结果由于发热而影响精度。此外这种机构的位移阶跃响应存在瞬间的振 荡，灵敏度高时系统难于稳定。 4 、压电陶瓷微位移机构 压电电致伸缩微位移致动器是利用电介质在电场中的逆压电效应或电致伸 缩效应，直接将电能转换成机械能，产生微位移的换能元件，通常统称为“压电 陶瓷致动器”( p i e z o c e r a m i c a c t u a t o r ) 。压电陶瓷致动器在超精密定位和微位移 控制中具有其它致动器无法比拟的优点，如体积小( 几立方毫米几十立方毫米) 、 位移分辨率高、响应速度快( 几十微秒) 、输出力大、换能效率高( 5 0 ) 、不发热、 采用相对简单的电场控制方式、位移重复性好等，是目前微位移技术中比较理想 采用相对简单的电场控制方式、位移重复性好等，是目前微位移技术中比较理想 的驱动元件。 第一章绪论 1 1 2 压电驱动器在微位移技术中的应用 微位移技术是指为使位移精度保持在微米级以下所采取的系列方法和措 施。随着科学技术的飞速发展，航天、航空、光学、电子、机械、生物、通信等 领域迫切需求微位移技术。 1 、压电驱动器特点“。” 压电驱动器是近年来发展起来的新型驱动器，是一种利用压电陶瓷逆压电效 应制作的微位移器，具有体积小、推力大、精度高、位移分辨率高和频响快等优 点，并且不发热，不产生噪声，是理想的微位移传感器。国外已经在精密仪器、 航天航空、自动控制、办公自动化、微型机械系统、微装配、精密定位等领域得 到了实际应用。 压电陶瓷作为一种高精度工作台的微动机构，是不少精密仪器所必不可少 的。它利用加在其上面的电压，通过压电晶体的电致伸缩特性，产生与电压相应 的形变，推动工作台移动，精度达几至几十纳米，形变总量一般可达几十微米。 近年来，随着压电超声马达技术的深入发展，各国专家学者越来越重视其理 论的研究，目的是解决马达在实用、产品化阶段所存在的诸多问题，如压电超声 马达的机电转换效率低的问题，压电马达工作时的显著温升问题，压电马达摩擦 损耗问题等。 环境对压电陶瓷马达的影响这一课题深受学者的关注，因为该项研究可以为 压电马达进一步在某些高科技领域，特殊场合的应用从理论和实验方面积累经 验。比如，航天宇航( 外层空间的低温环境) ，高精度的光学系统等对环境要求 严格的应用场合。 同本东京工业大学的k a n t a r on a k a m u r a 和s a d a y u k iu e h a 等对如何减少压 电陶瓷马达的磨损进行了研究。美国宾洲州立大学材料研究室的 q i n g m i n gw a n g 和x i a o - h o n gd u 对直接影响到压电马达机电转换效率的因素进 行了研究。 压电陶瓷马达中使用的主要材料包括两种：功能陶瓷材料( 如：压电陶瓷材 料，电致伸缩材料等) 和摩擦材料。功能陶瓷材料是压电马达的超声振动发生器 件和传感反馈器件，而摩擦材料是压电马达输出力矩的传播介质，两者都直接关 系到马达的输出特性。所以材料的研究始终是各国专家从事压电马达研究的重 点。 韩国国家教育大学的j i n s o o k i m 和美国宾洲州立大学的k e n j i u c h i n o 共同 研究了用于压电马达的大功率压电陶瓷材料，他们研究掺杂f e 2 0 ，的 o 5 7 p b ( s c l 2 n b l 2 ) 0 3 0 4 3 p b t i 0 3 压电陶瓷材料的压电和介电特性。 2 、压电马达的类型介绍 第一章绪论 ( 1 ) 微小型压电马达 微小型压电陶瓷马达的开发是当前压电马达发展的一个大方向。微型马达的 应用很广，如微型机械、特种加工技术、电子集成技术领域。 微型压电马达现在主要有三种类型：表面波型压电陶瓷马达，薄膜压电陶瓷 马达，固体压电陶瓷马达。 日本东京大学t a k e s h im o r i t a 等研制的薄膜压电陶瓷马达，定子直径为 2 4 m m ，长1 0 m m ，最大转速6 5 0 r m ，最大输出力矩o 2 2 m n m ，输入电压1 0 0 v ， 驱动频率8 5 k h z 。日本新生工业公司推出的真径1 l m m ，长度2 m m ，将压电陶瓷 纵向振动变换成旋转运动的超小型超声波电动机则属于固体压电陶瓷马达。该马 达的起动转矩为7 0 m n m 。 ( 2 ) 内置位置传感器的压电马达 同本s h i n s e i 公司开发了内景编码器的压电陶瓷马达，用于精确的速度和位 鸯控制，在需要精确定位的场合得到了广泛地应用。法国的s e r v i c ed e s m e s w r e s 的f ，t r i g u i 和m g n e t im a r e l l i 的j j b e z a r d 也正在开发低成本的具有位置传感器的 压电马达。 ( 3 ) 大功率、大力矩的行波压电马达 目前获得大功率、大力矩压电马达是实现马达实际应用需要解决的主要问 题。日本在这方面作了大量的工作。他们以轻量、薄型的行波压电陶瓷马达作为 主要研究对象。研究人员所设计的实验马达尺寸分别为外径5 0 m m ，7 0 r a m 9 0 m m 三种类型行波马达，最大力矩输出是通常压电马达的2 倍，最大输出能量是传统 的4 倍”。 圈1 1 雎电与柔性铰链结合的微位移系统 ( 4 ) 直线型微驱动马达”9 3 直线型压电马达可分为两种：一种是基于柔性铰链的设计，如图i l 所示。 这种结构的缺点是运动范围小。只有几个微米。另外一种是采用蠕动结构设计， 自从1 9 8 9 年i b m 的科学家首次将这种结构用于s t m 以来，一直成为各国研究 的焦点，并提出了多种改进结构，例如图卜2 所示的r 本研制的w a l k i n gd r i v e 第一章绪论 压电马达。这种设计的运动范围较大， 常为3 0 5 0 m m ，最大可达2 0 0 r a m 。 3 、压电陶瓷驱动器的应用“” 压电陶瓷驱动器的应用范围很广，现 将其主要应用范围与应用实例列于表卜l 图1 _ 2w 8 l k i ”2 “”。 中。这些应用范围的界限并不是很明确，大致可分为以下四类： ( 1 ) 在机械方面的应用 目前己获得实用的有冲击式点阵打印机的打印头，它是由叠层压电驱动器与 位移放大机构组合而成的。这种打印机头，电源电压9 0 v ，位移放大率约3 0 倍， 端位移约为6 0 吮m ，可以得到1 0 0 字s 以上的高速印字性能，同时具有低功耗、 低发热等特点。 另外还有用于半导体制造和超精密切自, j j l a 工等方面的超精密定位装置。其位 移量多在亚微米范围，考虑到滞后现象和直线性，必须注意闭合回线控制。 ( 2 ) 在动力方面的应用 在压电风扇、压电阀、压电泵和超声马达等动力装置中的应用，主要是利 用压电驱动器的耗电低和可精密控制等特点。这些器件位移量必须是几百微米 多利用双膜片弯曲型压电材料，其中作流量控制用的压电阀已接近实用。 表1 - 1 压电驱动器应用 应用范围 应用实例 精密机械x - y 载物台、遥控设备、工件传送器、线性步进电机、超声电机 测量、控制压力、振动、加速度的传感器、压电继电器、声波定位仪、精密 定位、电子阀 汽车燃料喷射、泵、阀、制动嚣控制、振动控制 v t r 、v d 等影像磁头自动跟踪、电视摄像机的自动聚焦 光学器件透镜、棱镜、反射镜的自调整、光纤偏振控制器 半导体制造装置 x y 载物台、曝光装置等的定位 医疗机械血液、x 射线分析器的加振辛定位微型泵 打印机 冲击点阵的驱动、墨水喷嘴泵 其他 缝纫机、家电用泵、乐器 ( 3 ) 在光学方面的应用 目前，正广泛开展压电陶瓷驱动器在光通信系统等新领域中的应用研究，如 激光用反射镜的微小位置的确定、光纤对接耦台器、光纤偏振控制器等。 ( 4 ) 在传感器方面的应用 叠层型压电驱动器与一般的压力传感器比较，可用小的压力得到大的输出电 第一章绪论 压，因此可作为高灵敏度的压力传感器和加速度传感器。 压电陶瓷马达因其具有不同于传统马达的显著特点，国外在某些场合已经 采用了这种压电驱动技术，在纳米技术、精密测量、微细加工、微电子、机器人 等领域获得广泛应用。例如：r 本相机自动聚焦( c a i - l o n ) ，摄像机的图样自动 放大器，相机压电快门( m i n o l t ac a l 2 q e r a ) ，点阵打印机( n e c ) 卡和低纸张进给 机构，手表静音报时( s e i k oe e l e t r i ci n d u s t r i a lc o l t d h a t t o r is e i k oc o l t d ) ，汽 车头架定位，辊轴筛的开闭，幼苗分选装置，窗前控制电视摄像机扫描圆周控制 等。美国在某些仪器设备、航天宇航设备上也采用了压电陶瓷马达作为驱动源。 它也被广泛应用于s t m 、大规模集成电路制造以及超高精密几何表面的生成、 监测等许多需要精密测量微位移的定位系统中3 。 目前，压电陶瓷位移技术以其位移精度高、分辨率高、频响快、便于应用控 制等特点，开始渗透到精密工程的各卜领域中。如：用于精密切削加工和超精密 切削加工的压电陶瓷微量进刀机构、压电陶瓷补偿执行机构：用于精密测量和微 细加工的压电陶瓷微动工作台；用于光学制造工程的压电陶瓷光纤对接机和压电 陶瓷自动调焦跟踪系统等1 。 虽然压电马达达到了应用的水平，但由于价格比较贵而难以在更加广泛的范 围内应用，改变马达的结构和选择适当的材料都可以进一步降低马达的成本。 为了进一步扩大压电马达的应用，国际上的些学者正在致力于解决摩擦材 料的耐磨性，马达自身的温升问题，高性能陶瓷材料的制备，闭环精密反馈控制 问题，高频驱动电源的集成化，高频电源增加的附加成本等问题“”。 一般来说，套完整的纳米测量系统应该由三部分组成，即控制系统、位移 系统和测量系统。对于小范围位移，应用比较多的是压电陶瓷驱动器与基于柔性 铰链机构的微动工作台组成的位移系统。”。对于大范围的位移，驱动器通常有 直线伺服电机、直接直线驱动等，也有采用伺服电机加丝杠螺母的，导轨一般采 用气浮、磁浮或滑动的形式“，但对于高分辨率的微位移来说，目前还没有特别 优秀的机构。本文中将大范围微位移作为要解决的关键问题进行更深入的研究。 1 2 课题研究内容 本文旨在研制大行程实用型微驱动压电微动台。为提高系统的抗干扰能力和 稳定性，系统采用了新颖的推拉原理实现微动台的微位移连续运动，对传统驱 动马达的结构进行了改进，并且为了进一步提高其驱动精度，可采用闭环定位控 制技术，将压电微动台、激光干涉仪有机结合，形成一个纳米驱动、纳米定位、 纳米测量的闭环测量和控制系统。如图1 - 3 所示。虚框中为本文研究内容。 本文所研究的大行程压电微动台控制技术可以得到非常广泛的应用。该技术 输 第一章绪论 与s p m 相结合，可用于微型机电产品、微电子产品的检测中；该技术还可与纳米 机械加工过程相结合，对加工过程进行实时控制，实现在线检测，并可进一步发 展成为智能机械系统：在此基础上进行改进，可构成三维纳米测量系统。相信该 技术的发展将在我国的纳米技术领域，特别是纳米机械加工、电子器件生产、微 型机电系统、纳米材料、生物医学等领域中做出应有的贡献。 图1 。3 闭环控制系统构成图 本文的主要内容如下： 1 、 分析研究微驱动系统发展状况及当今各国研究的热点问题，对压电陶 瓷驱动器的特点、类型，以及在微位移技术中的应用现状进行探讨。 2 、 简要介绍压电晶体的相关理论及材料特性，并对固有的影响误差的蠕 变、非线性、迟滞等特性进行分析，对微位移应用方面的压电元件进 行比较，为设计方案提供参考。对本文的核心内容，即压电微动台的 设计和运动原理进行研究，其中包括总体设计、夹紧器和驱动器的设 计与选材、以及加工的关键技术等。 3 、 研究分析压电微动台的驱动波形，对驱动系统进行设计。介绍压电陶 瓷驱动器的专用电源的原理，为电源设计提供理论基础，根据压电陶 瓷驱动电源的设计要求，设计实现电源的具体电路，并给出相关测试 参数。 4 、 进行实验研究和实验结果分析。主要有压电材料的位移性能测试、压 电微动台的载重能力测试、速度测试、单步状态下电压和频率对速度 的影响测试等，并对实验结果进行必要分析。 5 、 对全文进行总结，并提出以后可以改进的方案。 第二章压电微动台运动原理及结构设计 第二章压电微动台运动原理及结构设计 21 压电微动台运动原理 2 1 1 尺蠖运动原理m 侧 在微位移方面，压电材料表现出良好的性能，目前已在很多领域得到应用， 尤其是在亚微米及纳米驱动方向，体现出体积小、无热源、超高分辨力等优点， 因此我们选择利用压电材料来实现微驱动。本文所采用的设计原理来自于s t m 压电马达上所用的“尺蠖运动( i n c h w o r m m o i l o n ) ”原理，并做了技术改进。s t m 所用的设计如图2 一l 所示。它运动时可像无足的昆虫蠕动一样前进，即通过 “首”、“尾”轮番咬住或松开基轴，间隙中配合“身体”的伸、缩，使整个微 位移器与基轴发生相对的步进运动。“首”、“尾”的压电陶瓷作径向收缩位移， 而“身体”部分作沿轴向的伸缩位移。运动时序为： ( 1 ) a 夹紧，b 夹紧，c 保持原始状态； ( 2 ) a 松开，b 夹紧，c 保持原始状态； ( 3 ) a 松开，b 夹紧，c 产生伸长变形； ( 4 ) a 夹紧，b 夹紧，c 保持伸长状态： ( 5 ) a 夹紧，b 松开，c 保持伸长状态； ( 6 ) a 夹紧，b 松开，c 恢复原始状态。图2 - 1s t m 尺蠖马达示意图 经过六拍之后达到一个运动周期。改变a 、b 的信号可以使马达改变运动 方向。这种马达直接把三个管状陶瓷粘接在一起，由于压电陶瓷的变形量非常 小，所以对a 、b 与轴的配合要求非常高，目前国内尚未有此类加工工艺。这 种运动的不足之处在于两夹紧器在传送轴时有悬空状态，由此可能产生促动。 2 1 2 “推一拉”原理简述 在此原理基础上我们对其进行适当的技术改进，由信号控制系统产生四路 激励信号，采用新颖的推一拉原理可实现微动台匀速连续直线运动。 “推一拉”原理如图2 2 所示。压电马达是由两个夹紧器c l 、c 2 和两个 驱动器a 1 、a 2 组成的。当夹紧器c 1 夹紧时，夹紧器c 2 放松，同时驱动器 a 1 膨胀，推动驱动轴向左运动，此时，驱动器a 2 膨胀( 此为预备动作) ；下 一步，当夹紧器c 2 夹紧时，加紧器c l 则处于放松状态，驱动器a 2 收缩，由 第二章压电微动台运动原理及结构设计 于c 2 的夹紧，故继续推动驱动轴向左运动，同时驱动器a 1 收缩( 此也是预备 动作) ；下一步，同第一步，即c 1 夹紧，c 2 放松，a 2 和a 1 膨胀，推动驱动 轴运动。如此往复，交替地“推”和“拉”，从而使驱动轴不断地向左连续 运动。 图2 - 2 压电马达运动原理图 2 2 压电微动台的设计要求 可调速压电微动台除要求运动连续平稳、噪声小、速度可调、生热量小及 效率高外，对微动台本身的外形尺寸及其它一些参数( 反映微动性能的参数) 要求： 1 行程范围：1 0 m m 左右 2 运动方式：步进式直线运动 3 最小步距：5 0 r i m 以下 4 ，推力： 1 0 n 根据使用的压电元件的尺寸设计压电微动台的外形尺寸，要求微动台全长 一 1 5 0 r a m ，平台宽度7 0 m m ，高度 一5 0 r a m ，尽量达到体积小、重量轻、牢固 可靠的特点。 第二章压电微动台运动原理及结构设计 2 3 压电陶瓷特性简介乜4 。2 ”及压电元件选择 2 3 1 压电陶瓷的性能参数 压电陶瓷材料除了具有介电性质和弹性性质外，还具有压电性质。压电陶瓷 材料经极化之后具有各向异性，每一项性能参数在不同方向上表现的数值不同， 这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质陶瓷多得多。压电陶瓷 材料众多的性能参数是它具有广泛用途的重要基础。在这里，只对其一些主要性 能进行介绍。 l 、介电常数 因为陶瓷材料的介电常数反映了材料的介电性质，或者说反映材料的极化性 质。对于压电陶瓷，未经极化工序处理以前，陶瓷内部不存在极化强度，它是一 个各向同性的多晶体。经过极化工序处理以后，压电陶瓷内部因自发极化的取向 排列而存在剩余极化强度，它是一个各向异性的多晶体。如极化方向为“3 ”方 向的话，贝0 ：s 】l = s 2 2 占”。 2 、介质损耗 我们知道，压电元件工作时，总有一部分电能要转换成热量而损失掉。通常， 把在交变电压作用下，在单位时间里因发热而消耗的电能，称为介质损耗。在压 电陶瓷中，主要由于以下原因产生介质损耗： a 、由于极化状态的变化跟不上外加电压的变化而引起的滞后现象，造成了介质 损耗。 b 、由于陶瓷内存在漏电流及陶瓷结构不均匀而引起的介质损耗。 3 、弹性常数 在压电陶瓷材料中，反映材料的弹性性质的参数为弹性柔顺常数。其意义是 伸缩应变与伸缩应力的比例系数。 4 、机械品质因子q 。 机械品质因子q 。表示压电陶瓷材料在谐振时，机械损耗的大小。产生机械 损耗的原因是材料存在内摩擦。当压电元件振动时，要克服摩擦而消耗能量。 q m 与机械损耗成反比，q 。大表示材料的机械损耗小，q 。小表示材料的机械损 耗大。 5 、频率常数n 压电元件的谐振频率与沿振动方向的长度的乘积为一常数，称为频率常数。 n = f r l ( 2 - 1 ) 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；如果电场平行 第二章压电微动台运动原理及结构设计 于振动方向，则谐振频率为并联谐振频率。 6 、机电耦合系数k 机电耦合系数k 是综合反映压电材料性能的参数， 能与电能的耦合效应。其定义为： ，： 通过逆压电效应而转换的机械能 一 输入的电能 2 3 2 压电陶瓷材料的固有特性”7 3 它表示压电材料的机械 ( 2 - 2 ) 在理想条件下，压电伸缩陶瓷微位移器和电致伸缩陶瓷微位移器的应变与外 电场强度曲线分别是线性和二次曲线，但实际上，由于复杂的机理，压电伸缩陶 瓷微位移器和电致伸缩陶瓷微位移器存在迟滞、非线性、蠕变等特性，其应变与 外电场强度曲线并不是理想条件下的线性和二次曲线。 1 、迟滞特性 压电、电致伸缩微位移器的正反向电压一位移特性曲线不同，存在着回差， 即存在着迟滞现象。图2 3 ( a ) 为压电伸缩微位移器电压一位移特性曲线，图 2 3 ( b ) 为电致伸缩微位移器电压一位移特性曲线。 a 电压( n b 电压( 矿) 图2 - 3 压电、电致伸缩微位移器电压一位移特性曲线 迟滞定量地定义为压电、电致伸 缩微位移器正反向电压一位移特性z ( p m ) 曲线的最大差值同该电压下最大位 移之比，一般压电微位移器较大，可 达1 5 2 0 ，电致伸缩微位移器 迟滞较小，约2 1 5 。迟滞大小 与电场强度的变化有关。 2 、非线性特性 在理想条件下，压电伸缩微位移 u ( r ) 图2 - 4 压电伸缩微位移器非线性特性 第二章压电微动台运动原理及结构没计 器应变与外加电压之间呈线性关系，但实际上，其应变与外加电压之间并非线性 关系( 见图2 4 ) 。 非线性可用最大的应变偏差x ( 实际伸缩量与理想伸缩量偏差的最大值) 与该点伸缩量x 之间的比值，以百分数来表示。典型的压电伸缩微位移器非线性 误差为2 1 0 。 3 、蠕变特性 蠕变是指压电、电致伸缩微位移器对 时间的迟滞效应，如图2 5 所示，当对压 电、电致伸缩微位移器施加一定电压之 后，它不是马上完成全部形变，而是分成 两部分，第一部分形变x 发生在施加电 压几毫秒内完成，第二部分形变正发生 在第一部分形变以后较长时间内。 蠕变是由于电介质内部的晶格间存 在内摩擦力，在施加电场后极化作用不能 立即完成，因而存在一定滞后，电极化强 度与电场变化史有关，因此表现在压电、 电致伸缩微位移器的机械应变上存在蠕 图2 - 5 压电、电致伸缩微位移器蠕变特性 变特性。蠕变定量的定义为第二部分形变坼同第一部分形变膏之比。压电、 电致伸缩微位移器蠕变约为l 2 0 ，发 4 、温度特性 压电、电致伸缩微位移器的热膨胀系 数和陶瓷及玻璃相似，在不同的方向上数 值不同，通常约为卜5 p p m 。c 。一般通过 实验的方法测得在实际使用条件下微位 移器的温度特性曲线。 5 、负载特性 一般压电、电致伸缩微位移器内部存 恒定负载 在较大的预紧力，恒定负载对其微位移性 图2 - 6 微位移器负载特性 能影响较小。压电、电致伸缩微位移器通 常驱动的是弹性负载，外部弹性负载的柔度越大，对微位移器的应变影响越小。 图2 - 6 为微位移器加载后与加载前伸长量的相对值与恒定负载之间的关系曲线。 第二章压电微动台运动原理及结构设计 2 3 3 压电元件的选择 1 、压电材料选择 明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。由于它是物性型的，因此选 用合适的压电材料是设计的关键。主要应考虑以下几个方面：具有大的压电常数 d 和g ；机械强度高、刚度大，以便获得高的固有振动频率；高电阻率和大介电 常数；高的居里点；温度、湿度和时间稳定性好。 压电晶体材料的种类很多，各种材料的电学性质、机械性质都有所不同，因 此，其应用领域也不同。常用的压电晶体材料是锆钛酸铅和钛酸钡。由钛酸铅和 锆酸铅组成的多晶固溶体，全名为锆钛酸铅压电陶瓷，代号p z t ( p 一铅，z 一 锆，卜钛) ，其特点是： ( 1 ) 灵敏度高，可达1 4 0 1 7 0 m m v c m ，输出功率大； ( 2 ) 机电耦合系数大，故机电换能效率高： ( 3 ) 机械品质因数高，几百到几千； ( 4 ) 材料性能稳定，老化性能在五年内小于0 2 ； ( 5 ) 居里温度很高，可达3 0 0 。c ，可作高温压电元件，它的使用温度范围 在一4 0 3 0 0 之间”。 鉴于该种压电陶瓷材料的特性，对于夹紧器和驱动器两种压电陶瓷元件，我 们考虑可选用p z t _ 一5 压电陶瓷材料。该材料具有较高的机电耦合系数k ，= 5 0 ， 压电应变常数d ”= 2 1 5 x1 0 - 1 2 c n ( 动态情况下参数如前，动态时出同更大) ，高 居里湿度t c 约为3 1 0 ，适合在低频率情况下使用。 2 、几种典型的压电元件” 在微位移器件中我们应用的是逆压电效应，即电介质在外界电场作用下，产 生应变，应变的大小与电场的大小成f 比，应变的方向与电场的方向有关，即电 场反向时应变也改变方向。电介质在外加电场作用下应变与电场的关系为 j = d e + m e 2( 2 - 3 ) 式中d e 逆压电效应；m e 2 电致伸缩效应；d 压电系数( m v ) ； m 电致伸缩系数( m 2 v ) ；e 电场( v m ) ；s 应变( m ) 。 逆压电效应仅在无对称中心的晶体中才有，而电致伸缩效应则在所有的电介 质晶体都有，不过一般来说都是很微弱的，故可以忽略不计。所以不考虑电致伸 缩效应时，m e 2 = 0 ，压电系数为 d ：三：掣旦( 2 4 ) 上fv 式中v 外界施加的电压；b 压电陶瓷的厚度：l 为压电陶瓷所用方向 的长度；l 为施加电压后的变形量。 一 兰三至垦皇塑垫鱼壅塑! 狸墨箜塑堡盐一 所以 ， 创= 二v d( 2 - 5 ) 6 由上式可见，元件的变形量与外加电压、元件的形状、尺寸及压电常数有着 密切的关系。因此，对于这些元件，除了要选择优质的压电材料外，制成的元件 质量要高、性能应稳定，而且要求元件本身结构尽可能简单，加工、制造容易实 现。 下面就几种典型的元件进行分析。 ( 1 ) 圆管型的压电元件 对于这种压电元件，其电极面在内圆面和 # b i l l 面上，所施加的电场方向为径向，如图2 7 。 ， 所示。元件在其长度方向上形变量为a i = 【w 。 d 这种元件的缺点是变形量太小，例如：当 壁厚b = 2 m m ，外加电压u = 1 0 0 0 v 时，欲使变形 量大于4 , u r n ，则元件的长度，应大于3 0 r a m 。 b 图2 7 管型压电元利 从公式中可以看出，提高变形量的措施可以从以下几个方面考虑： a 、增加元件的长度j 和提高施加的电压u ，这是实际中常用的方法。但增加 长度会使元件的结构尺寸增大，提高电压u 会造成使用不便。而且，电压太高， 给直流放大器的设计和制造也带来困难。 b 、减少压电陶瓷的壁厚b ，可使变形量增加，但壁厚度减少，又会使强度 下降。如果是承受较大的轴向压力，可能导致元 极 件遭到破坏，故应兼顾机械强度。 化 因此，为了使元件具有较大变形量，可考虑 窨 采用压电堆的形式。 ( 2 ) 由圆形片组成的压电堆 所谓压电堆，就是用多个晶片叠加在一起 组成的压电元件，如图2 8 所示。 对于图2 8 所示的这种圆片，其极化方向 为“3 ”方向，所施加的电场方向与极化方向相 同，也为“3 ”方向。即采用“3 3 ”模式工作。 由公式( 2 - 5 ) 可以看出，当b = f 时，有； ，= w ” ( 2 - 6 ) 可见，压电陶瓷的变形量与厚度无关，故 图2 - 8 圆片型元件 ， 。 ， ， 图2 - 9 结构示意图 第二章压电微动台运动原理及结构设计 可以选取较小的厚度，为得到大的变形量， 正负极并联连接，则总的变形量为： a l = n a z 可用多块压电陶瓷片组成压电堆，其 ( 2 7 ) 式中：n 一块数 其结构示意图如图2 - 9 所示。 实验证明，当外形尺寸一样时，由图2 - 9 所示的这种压电堆的变形量是圆管 形的2 3 倍。 根据需要也可做成如图2 1 0 所示的块状 压电堆。 对于出压电堆组成的压电元件，可用来作 压电马达的夹紧器压电元件和驱动器压电元 件。不过，当变形量要求较大时，其片数仍然 会很多，元件的外形尺寸会增大。若用来作夹 紧器压电元件时，将导致马达的径向尺寸增 大，若用于作驱动器压电元件，则仅增加马达 的轴向尺寸。 ( 3 ) 开槽型元件 幽2 - 1 0 块状压电元件 + 电极面仍镀在圆管的内、外圆面上，极化方向沿圆周方向，如图2 一l1 所示。 对该元件施加电压后，其管子的径向尺寸r 变小。因此，可用该元件作为夹紧器 压电元件。在管子的内壁可以镶一层衬套，用来与传动轴接触。对元件的内圆的 尺寸精度及圆度误差均有一定的要求。由于压电陶瓷材料的加工较困难，因此， 在元件的制造上会带来一定的困难。另外，内圆面作为电极面，对衬套材料的绝 缘性要考虑。 图2 - 1 1 开槽型元件 ( 4 ) 长条双叠片压电元件 这种元件以弯曲振动模式工作，如图2 一1 2 所示。 第二章压电微动台运动原理及结构设计 倒2 - 1 2 长条粘合片 h + 图2 1 3 凸形弯曲形变 对于图示这种两个厚度相同而极性相反的长条粘合片，当上电极为正，下电 极为负时，通过逆压电效应，上片伸长，下片缩短，因此产生凸形弯曲形变，如 图2 - 1 3 所示。 当改变电压的极性时，上片缩短，下片伸长，因此产生凹形弯曲形变，当改 变外加电压的电极时，产生如图2 一1 4 所示的弯曲形变。 压电元件作弯曲形变时，上部分要伸长( 或缩短) ，下部分要缩短( 或伸长) ， 因此，定有一个既不伸长又不缩短的面。对于厚度相同的陶瓷片，这个面就是 粘合面。粘合面上a 、b 两点，在振动时始终保持不变，称为节点( 或波节) 。节 点a 、b 分别位于距片子端点的0 2 2 4 l 处( l 为片长) 。 图2 - 1 4 弯曲形变 图2 1 5 波节支撑 我们可将弯曲元件支撑在振动的波节上，支撑的结构既轻便又结实，而且装 置的损耗也降到最低程度，如图2 1 5 所示。 对于该元件来说，由于采用弯曲振动模式工作，故元件的变形量相对来说较 大，可以考虑选用该元件作为夹紧器 压电元件。 如将长条片改为圆片，仍用弯曲 振动模式工作，则也可以将该元件用 作压电马达的驱动器压电元件。如图 2 一1 6 所示。 对于图2 1 2 和图2 1 6 所示的这 两种压电元件来说，其元件的变形量 图2 1 6 圆片压电元件 d ，与元件的厚度h 2 成反比，驱动力f 与元件的厚度h 成正比。因此，为了提高 变形量，可减少元件的厚度h ，但随着厚度h 的减少，其驱动力也会下降，应兼 颁z - 者之间的矛盾。 兰三兰里皇垡垫鱼堡垫堕堡墨堕塑堡生 通过对上面几种压电元件的比较，综合考虑其结构、形变特性和加工的难易 程度，我们选用块状压电陶瓷作为微动台中使用的压电元件。 2 4 压电微动台结构设计 2 4 1 总体设计： 如图2 1 7 所示，图中没有像图2 - 2 所示的传动轴，而是靠压电陶瓷的伸缩 来完成“推一拉”运动。图中的a l 、a 2 、c l 、c 2 都是压电陶瓷，并且都与连接 块紧密相连，c 1 和c 2 两组( 共四块) 压电陶瓷在无电压状态下与平台没有接 触，也就是说两者之间没有摩擦力。 图2 - 1 7压电微动台的基本结构 如图2 - 1 7 所示，我们将两个装置对称放置，合理安排整个微动台，使微动 台的外观更加漂亮。微动台全长小于1 2 0 m m ，宽小于? o m m ，高小于4 0 r a m ， 主要由夹紧器、驱动器、平台、导轨块和底座组成，结构简单，安装方便。 2 4 2 夹紧装置和驱动装置的设计 1 、夹紧装置的设计 ( 1 ) 夹紧装置设计 对于夹紧装置而言，在满足强度和刚性的要求下，应尽量减轻重量，选用热 膨胀系数小的材料。在夹紧装置和平台之间，我们采用热膨胀系数较小的铜作为 摩擦片，摩擦片和夹紧装置的压电陶瓷粘合在一起。压电陶瓷在电压的作用下发 生形变而产生夹紧力，如给压电晶体块的电极通电，它们会同时产生变形一伸展 或收缩，其变形力通过摩擦片夹紧平台，从而实现夹紧的作用，带动平台的移动。 由于载物平台是铝合金制作而成，所以压电陶瓷与铜片之间应是绝缘的。 第二章压电微动台逛动原理及结构设计 摩擦片材质选为铜，而平台的材质为铝合金，导轨块材质为钢，铝和钢作为 一对摩擦副，其摩擦系数