微位移驱动器

微位移执行器是精密驱动系统的末端执行环节，由驱动元件(致动器)和微位

移传递机构二部分组成。目前，微位移驱动元件种类很多，如机电驱动类、电磁

驱动类、压电／电致伸缩驱动类、磁致伸缩驱动类等。从控制精度和可操作性分

析，压电陶瓷驱动器以其体积小、分辨率高、响应快和推力大等特点有其独特的

优点，但它的输出位移小，尤其在需要较高频响场合位移输出幅度受到了很大的

限制，故目前主要应用在加工中的误差补偿、微量进给和精密调整等场合。

压电陶瓷驱动器(PzT)具有体积小、分辨率高及承载能力强等优点，使用Pzr

控制简单，易实现亚微米甚至纳米级的精度，且不产生热量和噪声。

2.2.1 压电陶瓷微位移器的原理、特点及应用

压电陶瓷微位移器是由多层压电陶瓷薄片，经过多层叠层技术制成的固态移动器，它能直接将电能转换成动能(机械位移)。压电驱动的工作原理是基于压电体具有逆压电效应：

即当压电体受电场作用时会产生形变。与其他形式的驱动相比，压电驱动具有的

最大特点和优点是为微米、纳米量级的位移或运动提供了新手段和新途径。同时，

压电驱动具有控制方便、位移分辨率高、频率响应好、不发热、推力大、无噪声、

外界干扰小等优点。但压电陶瓷本身存在着非线性、迟滞、蠕变等缺点，需要通

过一些措施来改变和补偿。压电驱动具有很大的发展前途，大多应用在高技术

领域，如光纤光学定位，自适应光学，生物工程细胞穿制，精密微定位，摄影，

摄像器材快门控制，光纤熔接机等。

2.2.2 电致伸缩陶瓷微位移器(以WTDS型为例)

WTDS电致伸缩微位移器是由PLZT陶瓷材料(在电场作用下，该材料晶格定位引起介电驰豫而发生形变)，经叠层工艺制作而成的。它是一种高分辨电压控制微小应变的器件。其位移量是由叠层数和电场大小控制的。它具有工作电压低、分辨率高、响应快、滞后小、回零再现性好、无老化现象、稳定性好等突出优点。它是光学、机械加工、电子、航空、生物、医学、遗传工程和光纤通讯等领域中实现超精定位、超精加工、误差补偿、相位调制等功能的理想执行器件。该器件定位精度可达亚微米级，分辨率可达到几十纳米。

2.2.3 超磁致伸缩驱动器

超磁致伸缩驱动器是利用超磁致伸缩材料在外部磁场发生变化时，其材料发生伸长形变这一特点研制的，驱动器是由磁致伸缩棒、永磁铁套桶、驱动用螺线管线圈、轭铁及弹性钢片等组成。基于超磁致伸缩材料的驱动器以其输出力大、位移分辨力高、位移范围大、漂移小、低压工作等特点在超精密定位系统中有着广阔的应用前景。但其结构复杂，有漏磁、工作时存在发热和受温度变化影响的缺点和不足。

2.2.4 压电/电致伸缩陶瓷微位移器的比较

压电/电致伸缩陶瓷微位移器是近年发展起来的新型微位移器件，它具有体积小、出力大、精度和分辨率高以及频响高等优点，且不发热、无噪音，目前在光学、电子、航天航空、机械制造、生物工程、机器人等领域得到了广泛的应用。随着纳米技术的兴起与发展，为了实现精微操作，不但要求压电陶瓷具有很高的可控精度，而且对压电陶瓷位移的线性度、重复性及响应速度的要求也越来越高，但是由于压电陶瓷本身存在着非线性、迟滞、蠕变等缺点，使其应用受到了一定的限制，因而有必要对压电/电致伸缩陶瓷的机理进行进一步的分析和研究。

压电陶瓷和电致伸缩陶瓷都是电介质，电介质在电场的作用下有两种效应，逆压电效应和电致伸缩效应。其中逆压电效应是指电介质在外电场作用下产生应变，应变大小与电场大小成正比，应变的方向与电场方向有关。而电致伸缩效应是指电介质在电场的作用下由于感应极化作用引起应变，且应变大小与电场方向无关，但与电场的平方成正比。上述效应可用公式表达如下：