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壓電�(qū)�(dòng)�
閱讀�13409�(shí)間:2011-04-12 23:08:27

  壓電�(qū)�(dòng)器利用�壓電效應(yīng),將電能�(zhuǎn)�?yōu)闄C(jī)械能或機(jī)械運(yùn)�(dòng),聚合物�(qū)�(dòng)器主要以聚合物雙晶片作為基礎(chǔ),包括利用橫向效�(yīng)和縱向效�(yīng)兩種方式,基于聚合物雙晶片開(kāi)展的�(qū)�(dòng)器應(yīng)用研究包�顯示�件控�、微位移�(chǎn)生系�(tǒng)等�

分類(lèi)

  按驅(qū)�(dòng)方式不同 ,壓電�(qū)�(dòng)器可分為剛性位移驅(qū)�(dòng)器和諧振位移�(qū)�(dòng)��

  1  剛性位移驅(qū)�(dòng)�

  剛性位移驅(qū)�(dòng)器的�(qū)�(dòng)模式主要有多層式�(qū)�(dòng)器和�(�) 晶片�(qū)�(dòng)� ,此外還有 Rainbow �(qū)�(dòng)器、Moonie �(qū)�(dòng)器和 Cymbals �(qū)�(dòng)器等 ,幾種模式在大�、質(zhì)量、位移量及負(fù)載能力上均各有特�(diǎn)�

  2  諧振位移�(qū)�(dòng)�

  諧振位移�(qū)�(dòng)�(超聲波電�(jī))種類(lèi)繁多 ,從毫米級(jí)的微型電�(jī)到厘米級(jí)的小型電�(jī);從單自由度的直線電機(jī)到多自由度的平面電機(jī)和球型電�(jī);從原理上基于摩擦的超聲波電機(jī)到利用聲懸浮的非接觸式超聲波電機(jī);從高分辨率的蠕動(dòng)式電�(jī)到無(wú)磨損的壓� ———電流復(fù)合型步�(jìn)電機(jī)。按照工作原� ,可將超聲波電�(jī)分為接觸式和非接觸式兩種�

特點(diǎn)

  (1)不需傳動(dòng)�(jī)�(gòu) ,位移控制精度� ,可達(dá) 0.01 微米�

  (2)響應(yīng)速度� ,約為 10 微秒 ,�(wú)�(jī)械吻合間� ,可實(shí)�(xiàn)電壓隨動(dòng)式位移控制�

  (3)有較大的力輸� ,約為 3.9KN/cm �

  (4)功耗低 ,比電磁馬�(dá)式的微位移器� 1 �(gè)�(shù)量級(jí) ,并且�(dāng)物體保持一定位�(高度)�(shí) ,器件幾乎�(wú)功��

  (5) 它是一種固體器� ,易于電源、側(cè)位傳感器、微�(jī)等實(shí)�(xiàn)閉環(huán)控制。并且磁控合金和溫控形狀記憶合金等其他位移器件體積要小得��

性能

  如果采用單板型壓電陶� PZT,1cm 厚的PZT要想得到 10 微米左右的驅(qū)�(dòng)位移 ,則兩端需要施� 5KV 的壓�。給 PZT施加如此高的電壓 ,可能�(huì)使絕緣擊穿而引起機(jī)械的破壞 ,�(fā)生危�(xiǎn)�?yàn)閴弘娞沾傻淖冃瘟颗c厚度�(wú)�(guān) ,由此人們開(kāi)�(fā)出了層疊式壓電驅(qū)�(dòng)�。如圖l 所� ,將壓電陶瓷做成很薄的薄片(�(xiàn)在已�(jīng)能制造出� 0. 05 毫米的壓電陶瓷薄�) ,將多片壓電陶瓷片 ,采用�(jī)械上串聯(lián)、電路上并聯(lián) ,然后燒結(jié)在一起的方式制成這樣 ,給它施加�(shù)百伏的電壓便可得到很大的�(qū)�(dòng)位移。以我國(guó)電子工業(yè)部第二十六研究所制造的WTDS—IK型壓電驅(qū)�(dòng)器為� ,尺寸 7 ×5 ×25 毫米 ,施加 300V 電壓 ,�(qū)�(dòng)位移大于 10 微米�

壓電驅(qū)動(dòng)器的性能

�(yīng)�

  1 超精密測(cè)�

  隨著科學(xué)技�(shù)的迅速發(fā)� ,�(duì)儀器精度的要求出現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的變�。從精密�(cè)� (0. 5�0.005μm) ,�(fā)展到超精密測(cè)�(0.05�0.005 nm) ,最近又提出納米精度�(cè)�(5�0. 05nm)的要�。在一定范圍內(nèi) ,PZT 伸長(zhǎng)量和施加的電壓近似成線形�(guān)� ,故此利用其精度高的特�(diǎn) ,可在超精密測(cè)量中得以�(yīng)用�

  例如 ,1982 � ,IBM 蘇黎世研究所等成功地研制出世界上�(tái)新型的表面分析儀� ,即掃描隧道顯微鏡(scanning Tunneling Microscope ,STM) ,其掃描頭便由三�(gè)相互垂直的壓電陶瓷組� ,可用于三維掃�。STM 具有極高的空間分辨能�(平行方向的分辨率� 0. 04nm ,垂直方向的分辨率�(dá)� 0.01 nm) �

  2 超精密定�

  在定位技�(shù)� ,利用傳統(tǒng)的定位裝� ,如滾�(dòng)或滑�(dòng)�(dǎo)�、精密螺旋楔塊機(jī)�(gòu)、渦� —凹輪機(jī)�(gòu)齒輪 —杠桿式�(jī)�(gòu)等機(jī)械傳�(dòng)式微位移�(qū)�(dòng)器構(gòu)成定位機(jī)�(gòu) ,由于存在著較大的間隙和摩� ,所以無(wú)法實(shí)�(xiàn)超精密定�。而采用壓電驅(qū)�(dòng)器結(jié)合柔性鉸鏈放大機(jī)�(gòu) ,可以克服上述缺點(diǎn)而實(shí)�(xiàn)微納米級(jí)的超精密定位。此�(lèi)技�(shù)� ,精密微動(dòng)工作�(tái)的研制開(kāi)�(fā)已經(jīng)成為�(dāng)今國(guó)�(nèi)外研究的熱點(diǎn)�(wèn)題之一 ,不斷地出�(xiàn)新的形式 ,它們大多以柔性鉸鏈為�(dǎo)向機(jī)�(gòu) ,由壓電驅(qū)�(dòng)器�(jìn)行驅(qū)�(dòng)。此�(lèi)工作�(tái)己被廣泛用于能束加工、超精密檢測(cè)、微操作系統(tǒng)等要求具有納米級(jí)定位分辨率的技�(shù)�(lǐng)域中�

  3 超精密機(jī)械加�

  超精密加工技�(shù)在航天產(chǎn)品和�(xiàn)代化精密制造中占有非常重要的地� ,近十幾年�(lái)世界各國(guó)都十分重視超精密加工技�(shù)的研究和�(fā)� ,美國(guó)最早成立了 Nano 研究中心 ,英國(guó)制定� ERATO(Ex2ploratory Research for Advanced Technology) �(guī)劃等。微�(jìn)給機(jī)�(gòu)在超精密加工�(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)� ,一般被用來(lái)作為微�(jìn)給或�(bǔ)償工� ,目前使用最多的便是以壓電陶瓷為�(qū)�(dòng)器的基于彈性鉸鏈支撐位移機(jī)�(gòu)。日本東京工�(yè)大學(xué)用壓電陶瓷微�(jìn)給機(jī)�(gòu)�(bǔ)償氣浮導(dǎo)軌運(yùn)�(dòng)直線� ,可將直線度提高到0. 14μm/600mm。美 �(guó) � � �(xué) � � � �(chē) �(LODTM) 上用的快速道具伺服機(jī)�(gòu)(FTS) � ±1127μm 范圍�(nèi)分辨率達(dá) 2. 5nm ,頻率響應(yīng)�(dá)100Hz ,可�(jìn)行主軸回�(zhuǎn)誤差的補(bǔ)� (�(zhuǎn)速在 1.50r/ min 以下) 。隨著超大規(guī)模集成電路的�(fā)展及微型�(jī)械的要求 ,超精密加工技�(shù)正從亞微米級(jí)向納米級(jí)�(fā)展�

  4 微型�(jī)�

  作為�(qū)�(dòng)部件 ,壓電陶瓷在微型機(jī)械當(dāng)中應(yīng)用非常廣�。廣東工�(yè)大學(xué)與日本筑波大�(xué)合作 ,已研制出一維、二維聯(lián)�(dòng)壓電�(qū)�(dòng)� ,其位移范圍為10 ×10μm ,位移分辨率為 0.01μm ,精度� 0.1μm ,用于微型�(jī)器人的驅(qū)�(dòng);�(zhǎng)春光�(xué)精密�(jī)械研究所研制出的直徑 <3mm 的壓電超聲馬�(dá);日本東京大學(xué)工科研究所研制出利用壓電陶瓷快速變形的沖擊�(qū)�(dòng)�(jī)�(gòu)(IDM) ,并通過(guò) IDM 制成了兩種類(lèi)型的微型�(jī)器人(一種為三自由度 ,另一種為四自由度) 。在�(jī)器人的端部最小步�(jìn)�(yùn)�(dòng)小于 0. 1nm ,速度大于 2mm/ s,并將它們成功地用在�(duì)�(xì)胞的操作中�

  我國(guó)在微型機(jī)械領(lǐng)� ,也不斷出�(xiàn)新的成功 ,如壓電超聲馬�(dá)、微型機(jī)器人、微小夾持器� 例如,上海交通大�(xué)研制的壓電式微型可控鑷子�

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