1、压电陶瓷线性位移步进马达研究段智勇，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 A Study on the Piezoelectric Linear Displacement Motorstepper DUAN Zhi-yong，WANG Qing-kang (Institute of Micro/Nano Science and Technology
2、, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 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 nanom
3、eter 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 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
4、、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
5、 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。 1 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“
6、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
7、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。Burleigh仪表公司研制的微尺蠖，它的每步位移都达到纳米级，移动范围则为 200mm。以后又有一些关于其它类型的微尺蠖的报导，一般它们的移动范围都只有几个毫米，定位精度是几个微
8、米，载荷能力则为几毫牛。如有的线性陶瓷马达由五个压电陶瓷堆构成，其中，三个用作夹紧元件，两个用作驱动元件，它的移动范围为 5mm，最大定位精度为 3m；再如 Seoul等研制的基于尺蠖结构的静电线性微马达，它的载荷能力就是几毫牛，定位精度为 1.5m，在工作电压为 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微尺蠖的某些特性，例如 Q.F. Chen等研制的内锁机制， 其结构如图 1(e)所示，其中微棘齿是用硅片进行湿法刻蚀(110)面而成，齿宽为 0.5m。通过采用这种内锁机制，可以使尺蠖的载荷能力提高(一般为 250N)，同时当工作频率在 0
9、.2Hz到 500Hz之间变化时，尺蠖的移动速度则在 2m/s 到 5mm/s之间变化，而定位精度则基本上由棘尺宽度决定。图 1(b)为 B. Zhang等人报道的高精度、高机械挠度的压电陶瓷马达的结构和运行原理图 2，为减少部件个数和机械界面，用点、线接触代替面接触，对机械界面使用高的预载，防止压电层的剪切和拖动应力，使用有限元设计弹性结构用做线性移动机械，较少的器件和机械接触界面获得了高分辨率、高机械挠度、结构简单等特性。使用高压缩负载能力的压电激励器和避免压电晶体层的剪切和拖动应力而获得高输出力。利用激光干涉测量仪测出这种马达的定位分辨率达到 5nm，机械挠度为 90N/m，输出负载为
10、200N，定位最高速度为6mm/s。图 1(c)是利用电流变效应(ER)取代压电陶瓷制作夹具，这种马达是清华大学董蜀湘等人的研究成果 3。ER 效应是一些物质在电流的作用下，从液态转变为固态，在撤除电场之后，又回到液态的一种效应。通过电流变体固液态之间变化来分时夹紧滑槽，中间还是使用压电晶体组，它的伸缩决定马达运动的方向和单步位移大小。使用 ER液体夹具的重要作用就是不会产生脉冲震动，从而减小震动对马达效率的影响。该马达消除了因夹具作用带来的震动、磨损作用，行程大，能耗低。定位速度为 1.5m/s，输出负载为 0.25kgf。图 1(d)是一种混合线性尺蠖马达 4。两个夹具是压电陶瓷堆，而中间
11、的驱动部分是磁致伸缩的激励器，能提供大的输出力矩和大的位移。它的运行原理与前面几种马达都相似，都是源于尺蠖的行动模式。马达移动速度随着驱动电源频率和电流增加而增加，最大能够达到 925m/s，最大输出力矩与电源频率无关，可达 0.9kgf。由于两个夹具分时夹住移动杆，在这个时间间隔内激励器作用驱动马达，因此控制夹具夹紧的时间以及激励器作用的时间对马达的性能影响极大。图 1(e)是一种具有内锁机制的尺蠖型马达 5。其中微棘齿是用硅片进行湿法刻蚀(110)面而成，齿宽为 0.5m。通过采用这种内锁机制，可以使尺蠕的载荷能力提高到几百牛，当工作频率在 0.2Hz到 500Hz之间变化时，尺蠕的移动速
12、度则在 2m/s 到 5mm/s之间变化，而定位精度则基本上由棘尺宽度决定。2 压电陶瓷线性惯性马达依靠物体的惯性驱动马达。这种马达利用压电陶瓷的形变产生位移，结构如图 2所示，其中三个部分 6为主体、压电陶瓷单元和惯性块。缓慢升高电压时，压电陶瓷单元伸张，惯性块向前移动，快速降低电压则压电陶瓷单元快速收缩，这时惯性块的惯性产生的力超过主体和台面的静摩擦力，主体向前运动。重复这一过程，马达就向前位移。各部分工作次序倒转则向后移动。利用惯性力和主体与接触平板之间摩擦力的动态关系驱动马达，试验证明系统的定位精度达到纳米精度。工业实用精度为 0.1m,输出力为 13N。这种马达不是依靠传统的利用摩擦
13、力驱动的微尺蠖式的马达，反而是摩擦力限制了它的运动，当施加在主体上的负载大于主体和平板之间的摩擦力时，主体能够被驱动。 3 行波线性马达利用压电陶瓷产生震动行波来驱动的压电超声线性马达 7。两块压电陶瓷块用胶水紧紧贴在弹性板的两端，滑块可以在弹性条上自由滑动。当压电陶瓷被驱动的时候，就在弹性条上产生行波，行波产生的推动力通过滑块和弹性条之间界面的摩擦力传输给滑块，这样滑块就可以在弹性板上做线性移动，施加的负载可以连在滑块上。在运动速度较低时有较高的、稳定的输出力矩。弹性板是铜材料，厚度为 3mm时其固有频率为 51kHz, 厚度为 2mm时其固有频率为34kHz,而固有频率和输出推动力有着密切
14、联系。当弹性板的厚度是 3mm时报道的最大推动力约为 2N。 Yongrae Roh等人还报道了一种新型行波马达 8。这种马达将金属定子和两片压电陶瓷板固定在一起以便减小外部震动，通过确定相差电源在压电陶瓷上产生两列超声波，并由此产生行波，再利用行波驱动负载质量块沿着行波相反方向运动。它的速度跟马达结构上定子上的齿长度有关，齿的长度越长，速度越大，但反应频率降低。在超声范围内速度可以达到 1.2m/s，这时齿的长度是 5mm，负载是 100g。如图 3所示。图 3(c)是上、侧、下三个方向对马达的俯视图。其中 a是齿状定子，b 是橡胶块。图 3(b)是马达的运动原理解释图，当施加电压在压电陶瓷
15、薄片上时，每一片压电陶瓷根据自己的极化模式形成自己的固定超声波，如果施加在陶瓷板上的电信号之间有 90度的相位差，加上 90度的空间相位，这两列固定超声波会产生行波效应，该行波再驱动滑动块位移。 4 步进线性马达使用压电晶体作为移动单元，再组装静电夹具。这种马达也可以称为混合马达，它的定位精度在亚微米范围，理论上可以无限制长距离运动，实际中运动距离受到接到压电部分的电线和滑槽长度的限定。整个结构是将压电单元连在两个滑块之间，滑块连接负载，滑块下面固定有静电夹具。静电夹具周期性的夹住、松开滑块，压电单元周期性的伸缩，从而产生线性移动。这种线性马达的原理是基于惯性加速以及静态摩擦和动态摩擦不同而达
16、到位移。使用静电夹具可以在夹紧的过程中有效的减小惯性力的作用 9。马达结构和运行原理如图 4所示。运行步骤总共分四步：(1)静电夹具在高电压下(500V)牢固的钉住滑块；(2)压电晶体部分在交变电压下移动整个结构的中心部位，使导向条伸出滑块一部分；(3)静电夹具松开，减小滑块和轨迹的摩擦力，使滑块在外力的作用下自由地移动，保持压电晶体上的电压不变，使其伸张确保中心部位的位置不变；(4)压电晶体上的电压降到零，使其向新的结构中心收缩，惯性使滑块向前移动。这种周期循环就可以使装置定向位移。改变电压的极性，就可以改变运动的方向。这种马达的单步精度为 70nm，运行速度范围为 5.7到 476m/s，
17、单步步距从70nm到 1.1m，根据施加电压的变化而变化(60340)V，负载可达到35g。 5 多模式压电陶瓷马达Lionel Petit等人报道了一种多模式压电马达 10(见图 5)。利用他们报道的结构既可以研制出线性马达，也可以研制出旋转马达。将压电陶瓷环、电极、固定器件组装成纵向振子，两个这样的纵向振子和一个椭形壳连在一起。椭形壳由具有良好机械形变性能的材料做成，充当两个线性振子的机械耦合器。并在纵向振子的作用下产生椭圆运动驱动马达前进。这种马达有两种运动模式：曲变模式(F 模式)、平移模式(T 模式)。当振子 1和振子 2施加同相电压时运行F模式，产生法线方向振动 UZ。当振子 1和
18、振子 2施加反相电压时运行 T模式，产生切线方向振动 U 。如果在振子上施加的电压相位相差 90时，椭形壳表面产生椭圆运动。利用这种结构就可以很容易地研制出线性马达、转动马达、辊子驱动器等等，如图 5(c)所示。线性马达可以是由这种结构在两片滑动导轨之间自身线性运动，也可以是一片滑动导轨固定，从而驱动另一导轨线性移动。6 纳米线性马达这类马达是以 kleindiek产品为代表的一类精度是亚纳米范围的压电陶瓷马达 11，有的马达的分辨率甚至达到原子级，行程可以达到 5mm-19mm，最大负载 20g，有超高真空类型、低温类型、无磁场类型等，工作能耗一般都较低。它们的结构是一个圆柱型的空腔、可在空
19、腔内自由移动的滑块。利用压电管精确定位，以及压电管产生的脉冲方波进行大范围定位，运行速度可达 5mm/s，马达的体积都很小，从图 6可以看出，能够与一根火柴相比拟，在微技术领域有着广泛的用途。这种纳米马达在轴向可以驱动挠性套管、电极、皮下注射针头、玻璃纤维、微型夹子等。图 6所示的马达，第一种分辨率达到原子量级，但行程较短，只有几微米。后两种马达(直径 4mm，长度 15mm)在径向可以负载 3g，能够很容易地切断半导体芯片内的导线，在垂直方向可以负载 50g，行程达到毫米量级，它们有两种使用方式：亚纳米精度的精确定位方式、毫米量级行程的不精确步进方式。对马达的压电晶体的两个电极施加 15V电
20、压时，纳米马达的步进精度达到10nm/V，控制电压则分辨率可到 0.01nm，但是在低电压下其行程只有 10毫米左右，在脉冲电压下可以作为纳米步进马达。纳米马达的滑动轴惯性大，跟不上压电晶体套管的收缩和舒张，每个脉冲只移动一点，由于惯性原因这种移动不可能每步都是很精确的，压电常数校准的精度无论如何都比非精确步进位移精度大，由此可以在压电晶体精度下达到任何位置，在 15V电压下非精确步距是 100nm，而精确移动行程是 300nm。另外不对压电晶体通电时压电晶体自身可以牢固地固定，不存在马达走步现象。 7 新型纳米步进线性压电陶瓷马达研究工作利用压电陶瓷材料研究成功如图 7(a)所示的新型纳米线
21、性压电陶瓷马达，以及相应的测试系统。这种马达没有常规微尺蠖马达所有的夹具，也因此减少了夹具工作所带来的震动噪声、摩擦力、控制等问题。不需要弹性铰链放大压电陶瓷的形变量，结构简单。不需要特殊的驱动电源，易于控制位移大小，最小步进控制可以控制在 1050nm。具有能大规模生产、普遍应用的特点。这种马达的运动原理如图 7(b)所示，当电源上升沿到来时，压电陶瓷产生形变，推动滑块移动和弹簧压缩。当下降沿来到时，陶瓷形变消失，弹簧形变恢复推动压电陶瓷器件碰撞滑块，一起再运动一段距离。如此周而复始滑块就能在导轨方向线性位移，在滑块上施加负载就能够做到实际应用。该新型马达不再是完全依靠摩擦力传递驱动力，降低
22、了压电马达对高性能摩擦材料的要求。该马达行程大，可以达到几个厘米；最小步进小于 50nm；负载大；速度快，达到 0.6mm/s。结构简单，易于小型化。便于进行闭环控制，为压电马达的自动化提供了条件。 8 结论及当前研究方向对于这几种马达模型，前几种部分是实验室里的研究成果，而且比较早，结构相对较大。第七种已经成为产品，结构很小，只有一根火柴的 1/4，分辨率却可以高达到 0.01nm，但行程相对较短，负载相对很小。这些已经研制出来的压电马达，都有很优异的性能，也存在一定的缺点，有的机械挠度大，精度高，但行程短，控制复杂。有些结构简单，易于小型化，但驱动电源难于研制。有的精度极高，但行程短，负载
23、小，还有一些体积过大，不适合在微系统中使用。我们自行研制的新型纳米步进线性压电陶瓷马达，一定程度上克服了其他马达的一些缺点，有着广泛的应用前景。当前研究的热点主要集中在以下几个方面：1.新颖马达结构研究，寻求简单实用的马达结构是当前很大一部分科研人员的注重热点。结构简单、易于小型化、高精度、高分辨率是压电陶瓷马达的发展方向。2.材料研究，大部分压电陶瓷马达都是利用摩擦力来产生运动，新型耐磨材料的研究，可以提高压电马达的运行寿命，是压电马达产品商品化的保障。另外，马达用压电陶瓷研究对提高马达的性能同样重要。3.闭环控制系统的研制。压电马达只有在定位、往返运动等实现自动控制才能产业化。所有报道的高
24、精度马达的测量方式都难于闭环控制实现自动化。目前以光栅测量方式做为闭环控制反馈端是一个较好的选择。4.理论研究。压电马达的理论研究一直比较少，大多数都只是对自己设计的马达结构进行有限元分析、理论模拟。缺乏系统的基础理论研究。作为高精度定位器件、控制的执行元件都需要系统的理论支持。 参考文献1V Snitka, V Mizariene, D Zukauskas. The status of ultrasonic motors in the former Soviet UnionJ. Ultrasonics，1996，34：247-250. 2B Zhang, Z Zhu. Development
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