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1、压电陶瓷线性位移步进马达研究Ξ段智勇,王庆康(上海交通大学微米/纳米科学技术研究院,上海200030)摘要:详细介绍了当前国内外线性压电陶瓷马达的研究成果,对已有的这类马达进行了分类,并对它们的优缺点做了分析比较。介绍了当前该领域的研究热点以及新型纳米步进线性压电马达的广泛应用前景。关键词:压电陶瓷;线性马达;纳米马达中图分类号:TM383.6;TM282文献标识码:A文章编号:1008-5300(2004)03-0004-05AStudyonthePiezoelectricLinearDisplacementMotor2step
2、perDUANZhi2yong,WANGQing2kang(InstituteofMicro/NanoScienceandTechnology,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)Abstract:Theachievementsofthepiezoelectriclinearmotorsintheworldareintroducedinthispaper.Allthesemotorshavebeenclassifiedaccordingtotheirmovementcha
3、racters.Theiradvantagesanddisadvantagesareshown.Anewlinearnanometerpiezoelectricsteppermotorwhichhasbeendevelopedinourlabisintroduced.Thecurrentproblemsunderintensivestudyinthisdomainarelistedtoo.Keywords:piezoelectricceramic;linearmotor;nanomotor美国专利,这种线性步进马达的驱动机理是根据
4、仿生尺蠖的运动形态获得,因此被称之为微尺蠖。一般可以根据驱动原理来对这类马达进行分类:驻波马达、行波马达、蠕动仿生马达等。也可以根据其位移形式进行分类:一个驱动脉冲产生一定角位移的旋转马达;一个驱动脉冲产生一定线性位移的步进马达。文中主要探讨线性纳米精度位移步进马达。0引言压电陶瓷马达由于其优异的机电性能近年来越来越受到人们的关注。这种马达相比较电磁马达具有不受外界电磁场的影响、不会发热烧毁、精度高、输出力矩大、结构简单、单体体积小、易于实现闭环控制等诸多优点。对于目前的半导体生产工艺曝光过程中掩模板与硅片的对准;高精度定位仪器如
5、STM、AFM的探头对准;以及光学领域XYZ三维移动平台;光纤耦合端;微米细流驱动器;纳米级粒子操纵;高密度存储器磁头定位器等有着广泛的应用。在纳米技术、微机电系统、通讯传感技术、半导体技术、光电子技术、微生物技术以及航空航天技术领域都存在广阔的应用市场。自压电陶瓷的电致伸缩性能发现以来,前苏联KievPolytechnic研究所的V.V.Lavrinenko最早开展压电陶瓷马达研究工作,他在1964年研制出世界上第一个压电陶瓷旋转马达。从1969年到1990年乌克兰Kaunas大学的Vibrotechnika研究中心和俄罗斯列宁
6、格勒科学技术研究所进行了大量的研究工作1。Burleigh公司在1975年申请了第一个压电陶瓷马达的微尺蠖仿生线性马达高精度位移定位马达很多都是根据尺蠖的仿生原理来驱动马达线性位移,这种马达最少使用三组压电晶体,连接成“工”字形状,前后两组作为夹具用,分时夹住滑轨。中间一组通过伸缩产生位移驱动负载。这类马达已有很多报道,图1列出了比较有代表性的几种结构。其中图1(a)就是微尺蠖的原理。关于微尺蠖的最早报道可见于上世纪七十年代,它是利用三个压电陶瓷元件有规律的扩张和收缩来驱动主轴作线性运动的。微尺蠖的基本结构如图1(b)所示,两侧的
7、压1电元件编号为1和3,起夹头作用。当电压加上其中一个,其直径收缩而将轴紧紧夹牢。中间的压电元件不与轴接触,其长度可按所加电压而变化。它的基本运行过程为:(1)夹住左端(在第一节加电压);(2)使第二节伸长;(3)夹住右端;(4)松开第一节;(5)使第二节缩短;(6)松开第三节。当完成一次循环后,轴就实现了向左的位移。控制马达运行的脉冲时序规律见右图,箭头距离对应一次循环,夹紧脉冲相对于驱动脉冲有一定的提前量,这样就保证每次伸缩操作时都至少有一端是夹紧的,其中提前量的大小和每次脉冲的持续时间则都由压电陶瓷的响应速度决定。每次循环位
8、移的大小受中间压电元件形变大小的限制,可通过所加脉冲的电压高低来进行控制。它的轴向载荷能力取决于夹紧机制与轴之间的摩擦系数,空载速度则取决于步进尺度和运行频率。100V,工作频率为1.4kHz时移动速度为13cm/min。改变传统的夹紧机制也可提高
