压电双晶片型微位移放大机构研究

米 级 、纳米 级 。
下 的 压 电晶 体 。 由于 晶 体 没 有 受 到任 何 外 力 的作
用 ， 正 电 荷 的 重 心 与 负 电 荷 的 重 心 处 于 重 合 状
近 年来 ，随着 大规 模 和超 大规 模集 成 电路 的蓬
勃 发展 ，微 机械 的研 究 也逐 步兴起 ，对 微位 移 驱动
微 型装 置 的研 究制 造与 开发 利用 。传统 的精 密 驱动 机 构一 般采 取精 密 丝杠 副或 滚动 （ 动） 滑 导轨 、涡轮
一
凸轮机 构 、精密 螺 旋楔 块机 构 、齿 轮一 杠杆 式机 构
等 作 为动 力和运 动 的主 要转 换方 式 。 由于 在机 构
工 作 的时候 存在 摩 擦 、爬 行 、间 隙、 多环节 传动 等 原 因 ，使它 们 的定位 精度 、运 动精 度较 难达 到亚 纳
件 ，这 类高 精度 仪 器和装 备 正在激 光 通讯 、生物 工
程 、纳 米加 工 、 自动 控制 、机 器人 等 高新技 术领 域 得 到推 广应 用 ，将 会在 国 民经 济 中发挥 越来 越 重要
的作 用 。
１ 压 电驱 动理 论
１１ 压 电效应与压电逆效应 ．
当某 些 电介 质 在 沿 一 定 方 向上 受 到 外 力 的作 用 而 发 生变 形 的 时 候 ，它 们 的 内部 会 产 生 极 化 现
技 术 的要 求也 越来 越 高 。压 电驱动 器 是基于 波动 原
理 的新 型控 制微 驱 动器 ，利用 压 电元件 所具 有 的逆 压 电效应 ，将 电能转换 为机 械能 的新 型驱 动装置 ，压
电陶 瓷微位 移器 件 具有 体积 小 、输 出力大 、分辨 率
高 和频 响 高 的优 点 ， 同时还 不发热 、无 噪 声、 易于 控 制 ，是 纳米 驱动 定位 技 术 中的 比较理 想微 位移 器
关键 词 压 电双 晶 片 柔性铰链 微 位 移 放 大 机 构
当前 ，人们 在 向宏观 世 界不 断进 军 的同 时 ，也 在 积极 地 向微观 世 界发起 冲 击 。人 们不 断地 致力 于
被称 为正 压 电效应 。当作 用 力 的方 向改变 时 ，电荷 的极 性也 会 随之改 变 。相 反 ，若在 电介质 的极化 方 向上 施加 电场 ，这 些 电介质 也会 发生 变形 ， 电场 去 掉后 ，电介质 的变 形随之 消 失 ，这 种现 象被 称为 逆 压 电效应 。 利用 图 １ 示 的圆柱 形压 电晶体来 说 明压 电效 所 应 ，其 中图 １ａ 表 示在 没 有受 到 电压和 外 力 条件 （）
构 。通过理 论计 算、建模 等对微位 移放 大机 构进 行设计，制作了微 位移放大机构的样 机，并进行 了试验 。对得到 的测试 数据 进行分析 ，研 究结果表 明，采用压 电材料作 为精密 设备 的驱动元 件性能 良好，所研制压 电双 晶片型微 位移放 大机 构原理，可推广应用到其他微位移定位系统 ，是一项具有实 际应用价值 的技术 。
１ｂ 所 示 表 示压 电 晶体 受 到 外 力压 缩 时 的荷 电的 （）
情况 ； 图 １ Ｃ 所 示 则为 压 电晶体 受 外力 拉 伸 时 的 （） 荷 电情 况 。在这 两种 情况 下 ，压 电晶体表 面所 带 电 的 符 号 相 反 。 反 之 ，若 将 压 电 晶体 放 置 于 外 电场 中 ，由于 受 到外 电场 的作用 ，就会 导致 压 电晶体 内 部 的正 负 电荷重 心发 生偏 移 。这 一 极化位 移 又使 压 电晶体 发生 形变 ，如 图 １ ｄ 、 （） （） （） ｅ 、 ｆ所示 。
２ １年 第 ３ ０１ 期
１２ 压 电双 晶片 ．
图 ２所 示是压 电双 晶片 的结 构 ，中间是 弹性金 属 片 （ 般 用 铍 青 铜 ） 金 属 片 的 两 侧 是 压 电 晶 一 ， 片 ，金 属 薄片和 压 电晶片 一般通 过 胶粘 或其 它方 式 联接 。 当对 金 属 片和两 侧表 面 的 电极 间施加 合适 电压 的 时候 ，上层 的压 电 晶片在水 平方 向膨 胀 ，在 垂 直 方 向收 缩 ， 而 下 层 压 电 晶 片 在 垂 直 方 向 膨
精密 制造 与 自动Байду номын сангаас
２ １ 年 第 ３期 ０１
压 电双 晶片型微位 移放大机构研 究
张 斌 李士进 贡 玉杰 王德 昌
郑 州 ４０ ０ ； ５０１ 郑州 ４００） ５ ０ １ ２ ．索凌 电气 有 限公 司
摘 要
（ ．河 南 中煤 机 械有 限公 司 １
介绍 了以压 电双 晶片作为驱动元件 ，由三角放大机理构造 的柔性铰链机构作 为位移输 出的微位移放大机
ｔ 的两 极 间产生 ， 因此 图 ３ （ ）的 电场 强 度是 图 Ｄ ｂ
３ ａ 的 ２倍 ，在 一定 的范 围 内，对 压 电陶瓷通 的电 （）
压 越 大 则 产 生 的变 形 就 越 大 。 因 此 ， 一 般 情 况 下 ， 使 用 并联 方 式 作 为压 电双 晶片 的 电压 驱动 方 式 ，可 以获得较 大 的弯 曲变 形 ，本 文采用 并联 型压
象 ，同时在 它 的两个 相对 表面 上会 出现 相 反的 正负 电荷 ， 电荷 的面 密度 与施 加 力 的大小 有关 。当把 外 力撤掉 后 ，它 又会恢 复 到不 带 电的状 态 ，这 种现 象
（） ｄ
：
（） ｅ
（ １ ）
图 １ 晶体的压 电效应
精 密制造 与 自动化
态 ，整个 压 电晶体 的表面没 有 电荷 。但 是 ，当沿着 某一 方 向对压 电晶体施 加作 用力 的 时候 ，压 电 晶体 就 会 在 外 力 的 作 用 下 而 发 生 形 变 而 导致 了 正 电荷 和 负 电荷 的重 心不 再重 合 ，也 就是 它 的 电矩 发生 了 变化 ，这样就会 引起 了压 电晶体表面 的荷 电现象 。图
电双 晶 片 。