压电陶瓷线性位移步进马达研究.doc

 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 - 05 A Study on the Piezoelectric Linear Displacement Motor2stepper DUAN Zhi2yo ng ,WAN G Qing2ka ng ( Institute of Micro/ N ano Science and Technology , S hanghai J iaotong University , S hanghai 200030 , China) Abstract :The achievements of the piezoelectric linear motors in the world are introduced in this paper . All these motors have been classified according to their movement characters. Their advantages and disadvantages are shown. A new linear nanometer piezoelectric stepper motor which has been developed in our lab is introduced. The current problems under intensive study in this domain are listed too . Key words :piezoelectric ceramic ; linear motor ; nanomotor 美国专利 ,这种线性步进马达的驱动机理是根据仿生 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 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 Kiev Polytechnic 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