压电作动器概论

压电叠层作动器
压电叠层作动器是一种利用压电效应的器件，用于产生机械运动或执行精密的位置调节。

压电效应是指在某些晶体材料中，当施加电场时，产生机械应变的现象。

压电叠层作动器通常由多层压电陶瓷片和电极组成。

以下是压电叠层作动器的一些基本特点和工作原理：
●结构组成：
压电叠层作动器通常由多层薄压电陶瓷片叠加而成，形成层叠结构。

每一层压电陶瓷片都有电极，电极通过外部电源提供电场。

●工作原理：
当施加电场时，各层压电陶瓷片都会发生压电效应，引起长度方向的微小机械变形。

这些微小的机械变形叠加在一起，就能够产生较大的整体机械位移。

●位移范围：
压电叠层作动器的位移范围通常取决于其结构、材料和尺寸，可以实现亚毫米到数毫米的位移。

●响应速度：
压电叠层作动器具有较高的响应速度，能够在毫秒或微秒级别内实现快速的机械响应。

●高分辨率：
由于压电效应的高灵敏性，压电叠层作动器具有较高的分辨率，可用于精密位置控制和微调。

●应用领域：
压电叠层作动器广泛应用于精密仪器、光学系统、微调平台、声波发生器等领域。

由于其快速响应和高分辨率，常被用于需要快速而微小位移的应用。

●控制方法：
控制压电叠层作动器的位移通常通过调节电场的强度和极性来
实现。

压电叠层作动器在需要快速、高精度机械位移的应用中表现出色。

其小尺寸、高响应速度和高分辨率使其成为精密仪器和光学系统中重要的执行元件。

第２３卷　第１０期２０１５年１０月 光学精密工程　Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．２３　Ｎｏ．１０　Ｏｃｔ．２０１５ 收稿日期：２０１５－０５－１５；修订日期：２０１５－０６－１０． 基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．５１２７５４６７）；浙江省自然科学基金（Ｎｏ．ＬＹ１６Ｅ０５００９）文章编号　１００４－９２４Ｘ（２０１５）增－０３３５－０８指数型变幅杆螺旋驱动直线压电作动器李加林１，２，华顺明２＊，李志强１，孟玉明１，楼应侯２（１．太原科技大学机械工程学院，山西太原０３００２４；２．浙江大学宁波理工学院，浙江宁波３１５１００）摘要：为实现微小型机电系统中驱动单元的小型化，设计了一种采用指数型变幅杆放大定子振幅的螺杆式直线压电作动器。

分析了作动器运行机理，设计了作动器定子基体内螺纹副和变幅杆。

然后，利用有限元软件仿真分析了定子基体的振动模态。

最后，确定了作动器尺寸并加工出样机；搭建实验平台，对作动器样机的机械性能进行了测试。

测试结果显示，在电压有效值为３００Ｖ，激励频率为１５．６ｋＨｚ，两相激励电压之间的相位差为π／２时，作动器输出直线速度最大值达到３．３９２ｍｍ／ｓ，最大输出力达到１５．０２Ｎ。

得到的结果表明：作动器具有良好的输出性能，具备了作为微小型机电系统直接驱动单元的能力，可满足微小型设备微量进给的要求。

关　键　词：直线压电作动器；指数型变幅杆；螺旋驱动；弯曲振动中图分类号：ＴＭ３８４ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１５２３１３．０３３５Ｓｐｉｒａｌ－ｄｒｉｖｉｎｇ　ｌｉｎｅａｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＬＩ　Ｊｉａ－ｌｉｎ１，２，ＨＵＡ　Ｓｈｕｎ－ｍｉｎｇ２＊，ＬＩ　Ｚｈｉ－ｑｉａｎｇ１，ＭＥＮＧ　Ｙｕ－ｍｉｎｇ１，ＬＯＵ　Ｙｉｎｇ－ｈｏｕ２（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎｉｎｇｂｏ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ　３１５１００，Ｃｈｉｎａ）＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｉｔｈｕａｓｍ＠１２６．ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｕｎｉｔ　ｉｎ　ａ　ｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ａ　ｓｐｉｒａｌ－ｄｒｉｖｉｎｇ　ｌｉｎｅａｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎ　ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｃｒｅｗ　ｐａｉｒｓ　ｏｆ　ｓｔａｔｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｓｔａｔｏｒ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｏｆｔｗａｒｅｉｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｗａｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｗａｓ　ｍａｄｅ，ａｎ　ｅｘｐｅｒｉ－ｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗａｓ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉ－ｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　３００Ｖ，ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　１５．６ｋＨｚ，ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｖｏｌｔａｇｅｓ　ｏｆπ／２，ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｒｅａｃｈｅｓ　ａ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｌｉｎｅａｒ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　３．３９２ｍｍ／ｓ，ａｎｄ　ｔｈｅｏｕｔｐｕｔ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　１５．０２Ｎ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｈａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｉｎ　ＭＥＭＳ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｕｎｉｔ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄｓ　ｏｆ　ｓｕｂｍｉｎｉａｔｕｒｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅｍｉｃｒｏ　ｆｅｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｉｎｅａｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ；ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｓｐｉｒａｌ－ｄｒｉｖｉｎｇ；ｂｅｎｄｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎ１　引　言 微小型机电系统可将电路与可动机械集成，组成具有独立完整功能的智能微型装置，成为近几十年来自然科学和工程技术的重要研究领域。

第 43 卷第 3 期2023 年 6 月振动、测试与诊断Vol. 43 No. 3Jun.2023 Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究∗柏德恩1，邓少龙1，李云涛2，沈刚1，朱真才1（1.中国矿业大学机电工程学院　徐州， 221116） （2.上海航天控制技术研究所　上海， 201109）摘要针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求，考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点，仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。

首先，利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷（Pb⁃Zr⁃Ti，简称PZT）叠堆的输出位移，以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量，将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组，分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源，以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长；其次，借助有限元仿真分析软件，研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法，并实验验证该方法的可行性；然后，简化柔性铰链式位移放大机构，提出放大倍数的数值分析方法，对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析，并验证放大倍数的数值分析方法的准确性；最后，基于设计的线性作动器开展实验研究。

结果表明：位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3，处于理论值与仿真值之间；在激励电压频率为5 Hz时，作动器的最大空载移动速度为413 μm/s；作动器的最大推动力为16 N，对应的驱动速度为19 μm/s。

以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。

关键词尺蠖式；压电作动器；压电陶瓷叠堆；位移放大；断电自锁中图分类号TH122引言压电作动器利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能，实现运动的输出，广泛应用于机器人［1⁃2］、精密仪器［3⁃5］、纳米级定位台［6⁃7］、多自由度指向平台［8⁃9］及生物工程［10⁃11］等领域。

对压电作动器用于振动噪声控制的原理和控制方法进行分析讨论，并举例说明。

原理：压电材料是种具有力一电耦合性质的智能材料，能靠材料的正、逆压电效应实现能量转换。

压电材料的正压电效应是指，当对压电材料施加力使之产生变形时，它会产生电荷；压电材料的逆压电效应是指，当给压电材料施加电场时，材料会产生应变。

压电材料的这种特性使得它能很好地同时承担起感应器和作动器的功能。

压电主动控制的基本原理是以压电材料作为受控结构的传感器和作动器，由传感器感受因振动产生的结构应变，将其转变为响应的电信号，并通过一定控制规律产生控制信号，经放大后施加于作动器，由作动器将电能转换为机械能，从而实现智能结构的振动控制。

控制方法：控制方法即设计控制律所采用的控制理论及控制器分析和综合方法, 是振动主动控制的核心环节, 其最终任务是在满足各种实际约束的条件下, 使结构目标位置的振动水平达到最小。

（1）特征结构配置法。

特征结构包括特征值和特征向量, 闭环系统的特征值决定了系统的动态特性, 特征向量则影响着扰动输入对结构的激励能力以及结构上目标点或目标区域的响应水平。

通过同时配置系统的特征值和特征向量,可以增加结构阻尼,在一定范围内改变结构频率以避开扰动的主频段, 以及改善系统性能, 并降低控制能量消耗。

该方法可采用状态反馈或直接输出反馈, 首先将控制目标直接或间接地以理想的特征结构来表征, 构造适当的优化问题来求解最优反馈矩阵,控制器设计就体现在优化目标函数的构造方法上。

（2）线性二次最优控制。

它以控制输入和性能输出的加权二次型为优化指标, 兼顾了控制能量和控制性能, 理论形式简单, 物理意义清晰, 可以比较容易地求得解析形式的控制律, 因此在振动控制中被广泛应用。

王宗利等提出了一种状态相关方法, 针对模态坐标下的方程, 在控制过程中每隔一定时间根据各模态的响应动态调整优化指标中状态加权矩阵, 并在线重新求解反馈矩阵, 以加强对主要模态的控制能力。

矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。

如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。

㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。

(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。

如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。

对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。

二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。

2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。

㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。

2、矿产品价格稳定性及变化趋势。

三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。

2、矿区矿产资源概况。

3、该设计与矿区总体开发的关系。

㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。

2、矿床开采技术条件及水文地质条件。

压电作动二维柔性结构稳像平台党冰楠;黄卫清;王寅【摘要】基于一种大行程、双向主动作动的压电直线作动器,设计了压电作动二维柔性结构稳像平台.稳像平台采用并联式设计方案,利用直角型柔性铰链作为导向机构,将压电作动器和二维柔性结构一体化设计.在有限元分析软件ANSYS里对稳像平台进行输出位移仿真,并加工样机进行实验研究.实验结果表明,在低压低频工作环境下,稳像平台有足够的行程满足二维平面的作动需求,并且内外压电部件嵌套设计的方法成功进行位移解耦.稳像平台的设计方案有效可行.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2019(048)005【总页数】4页(P110-112,274)【关键词】压电作动器;稳像平台;柔性结构;直角型柔性铰链;位移解耦【作者】党冰楠;黄卫清;王寅【作者单位】中国飞行试验研究院,陕西西安 710089;广州大学机械与电气工程学院,广东广州 510006;华侨大学机电及自动化学院,福建厦门 361021【正文语种】中文【中图分类】TH112.5;TN3840 引言光学稳像工作原理是在光学系统中利用稳像平台驱动成像系统中的光稳元件作动来补偿光轴的位移偏差以达到稳像目的[1-2]。

以压电作动器驱动的二维柔性结构稳像平台通过部分或全部具有柔性的构件弹性变形来产生位移和传递力，具有体积小、易制造、免装配、无摩擦、高精度等优点，可以实现纳米级的定位精度以及位移分辨率，引起了国内外学者的广泛研究[3-8]。

基于课题组研究的一种大行程、双向主动作动的压电直线作动器[9-10]，设计了一种压电作动二维柔性结构稳像平台。

对稳像平台输出位移进行了有限元仿真，实验研究了稳像平台位移输出特性。

1 稳像平台结构设计1.1 压电直线作动器作者所在课题组提出了一种大行程、双向作动的非共振式压电直线作动器，其结构如图1所示。

压电直线作动器由2种三角位移放大机构串联组成，当位移放大机构中的压电叠堆两端电压升高，压电叠堆受压伸长，作动器进行主动作动。

压电致动技术综述摘要：本文通过对压电致动技术国内外专利的检索和统计分析，综述了该技术的发展脉络，并详细分析了压电致动领域专利申请的发展趋势和主要申请人的专利申请分布。

关键词：压电驱动，专利分析1、压电致动技术概述在压电晶体的极化方向上施加电场，此时压电晶体发生变形，电场去掉后，压电晶体的变形随之消失，这种现象为逆压电效应或电致伸缩现象。

压电致动器就是利用压电材料的逆压电效应，将电能转化为机械能，再通过一定的机械机构将机械能输出，进而驱动负载。

压电驱动装置按照工作方式主要可以分成直接驱动式、惯性冲击式和蠕动式，近十几年来，研究人员主要在以下几个方面进行主要研究：结构设计、控制电路、压电材料等。

2、压电致动领域专利申请分析1961年至1980年，由于压电致动电机的发展才刚刚起步，其相关技术的专利申请还较少，1980年至1990年，随着微电机MEMS制造业的迅速发展，压电致动技术逐渐得到了各国研究机构、全球各大公司的重视，压电致动领域的专利申请量快速增长， 1990年至2008年，专利申请量逐渐趋于平稳，压电致动技术逐渐被应用到各行各业，其技术发展逐渐趋于成熟，2008年以后，压电致动技术发展越发完善，研究人员就压电致动技术中的存在的缺陷展开更加深入的研究，使得压电致动技术的发展开始变得较为缓慢，专利申请数量也稍有下降。

图1表示全球专利申请数量的年度分布趋势，日本的申请量位居榜首，远超位居第二的美国及其他国家，从2013年至今日本在该领域申请量一直处于领先，与此同时，美国、欧洲国家以及德国的申请量，也都占据重要分量，中国从1990年开始在压电致动领域申请专利，专利申请数量很少，直至2003年，我国的压电致动技术才逐步发展起来，发展至2005年，我国的专利申请的数量才渐渐趋于稳定。

图1全球专利申请数量年度分布趋势图图2全球主要申请人图2表示全球前10位申请人的申请申请数量，目前，精工爱普生股份有限公司是该技术领域的领军申请人，位居全球第一，佳能公司、松山电器有限公司分别位居全球申请量第二、第三。

专利名称：一种新型直线压电作动器专利类型：发明专利
发明人：邵环宇
申请号：CN201711025925.1
申请日：20171027
公开号：CN107947448A
公开日：
20180420
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种新型直线压电作动器，该作动器主要由丝杠、承载螺母、力矩电机及驱动螺母等组成，其特征在于：承载螺母、力矩电机和驱动螺母通过柔性联轴器依次连接在一起，置于外壳的内部，驱动螺母的另一侧设有压电叠堆，丝杠位于作动器的中心，穿过压电叠堆、驱动螺母、柔性联轴器、力矩电机和承载螺母，丝杠位于作动器内部的一端上设有滚珠花键，压电叠堆及滚珠花键均置于外壳的内部；本发明的优点是：该作动器螺旋箝位机构只需偏转扭矩，不需偏转力，可以方便地通过传统的电磁电机或者超声电机提供偏转扭矩，具有大行程、大推力、断电自锁和成本低等特点。

申请人：邵环宇
地址：225327 江苏省泰州市高港区永安洲镇明珠大道
国籍：CN
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压电陶瓷微位移作动器压电陶瓷微位移作动器技术是一种新型的微纳米位移技术，它可以实现大范围的精密位移控制和高精度的空间时间控制。

压电陶瓷微位移作动器具有超低占用电路尺寸、高负载能力、高精度驱动和可靠高精度控制等特点，因此，它在精密定位、微机械、光学系统、微加工电机系统、高位移控制、精密检测、高分辨率微操作系统等领域具有重要的应用价值。

压电驱动器是压电驱动系统中的重要组成部分，其工作机理是使压电陶瓷片弯曲，产生位移的过程。

当压电陶瓷片被外部电场作用，压电陶瓷片的表面就会发生变形，使片内晶胞缩压、拉伸，产生弯曲现象并形成扭矩，这就是压电驱动器的原理。

压电驱动器具有低成本、轻量化、高动态性、节能环保等优点，这使得它们成为一种优良的位移控制元件。

压电陶瓷微位移作动器的设计原理是使用压电驱动器驱动压电陶瓷电梯以实现超精密位移控制，它能够满足大幅度位移需求而又具有超高的精度。

在微位移作动器中，利用压电驱动器的输出力和精密的控制系统，实现高精度的正反转、步进控制和宽范围的位移控制。

同时，压电陶瓷微位移作动器更加紧凑，使电路尺寸可以有效减小，这使得它可以用于多种精密控制系统中。

同时，压电陶瓷微位移作动器除了具有上述性能优异之外，它还具有良好的柔性驱动特性和稳定的压电机械特性，同时可以实现高精度的变形控制。

此外，压电陶瓷微位移作动器的安装及维护更加简单，更加方便快捷，在安装及维修过程中，可以省去拆解、清洁及安装的步骤。

压电陶瓷微位移作动器的应用前景非常广阔，在机械、微机械、光学、智能机器人等领域有着重要的应用价值，它可以替代传统的机械式操作，更加精确地控制位移，实现更加精准的工作。

压电陶瓷微位移作动器的发展，有助于推动技术的进步，提高人类的生活品质。

总而言之，压电陶瓷微位移作动器的发展是将受到投资者和工程师的越来越多的关注，其发展前景十分乐观。

压电陶瓷微位移作动器将在未来精密定位、精密检测、微机械、高位移控制、高分辨率微操作系统等领域发挥重要作用，带来重大的技术突破和创新。