压电作动器概论
压电驱动技术及压电驱动器的应用研究PPT
06
CHAPTER
压电驱动技术的前沿研究动 态
高性能压电材料的研究进展
高性能压电陶瓷材料
研究具有高机电耦合系数、低介电损耗的压电陶瓷材料，提高驱 动器的转换效率。
压电复合材料
利用不同材料的组合，发挥各自优点，提高压电材料的综合性能。
无铅压电材料
开发环保型的无铅压电材料，替代传统含铅材料，降低环境污染。
智能传感器
利用压电驱动技术实现传感器的高灵敏度、快速响应和低 能耗。
精密定位与微动系统
利用压电驱动器实现高精度定位和微动，应用于微纳制造、 生物医疗等领域。
环境感知与自适应控制
研究基于压电驱动技术的环境感知系统，实现自适应调节 和控制。
THANKS
谢谢
05
CHAPTER
压电驱动技术的实验研究
实验设备与方法
1 2
压电陶瓷
选用高性能的PZT-5A型压电陶瓷作为驱动元件， 其具有较高的机电耦合系数和良好的稳定性能。
驱动器设计
根据实际需求，设计不同规格和形状的压电驱动 器，如直线型、弯曲型和振动型等。
3பைடு நூலகம்
实验平台搭建
搭建实验平台，包括电源、信号发生器、数据采 集与处理系统等，用于测试压电驱动器的性能。
拓展应用领域
医疗领域
利用压电驱动器的小型化和精确 控制特性，开发用于医疗设备的 精密驱动器，如手术机器人和微
型植入物。
微纳制造领域
利用压电驱动器的快速响应和高精 度特性，在微纳制造领域实现高精 度的定位、装配和加工。
航空航天领域
在航空航天领域，利用压电驱动器 的轻量化和高可靠性特性，开发用 于飞行器的高效、轻量化的驱动系 统。
压电驱动器能够实现高精度的振动控制和声波调制，被广泛应用于无损检测、噪 声控制、地震探测等领域。
压电叠层作动器
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。
指数型变幅杆螺旋驱动直线压电作动器
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。
尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究
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。
压电作动器
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
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。
压电驱动技术及压电驱动器的应用研究PPT课件
目前世界上对压电驱动与控制技术的研究以日本最为先进， 己经掌握了世界上大多数的压电驱动器发明专利技术。1992 年以后，日本文部省与日司等都在投入大量资金进行实用性 研究。
美国、德国和法国也不甘落后，正加速追赶日本。MIT(麻省 理工学院)的航空、航天系空间工程研究中心和电子工程、 计算机系的人工智能中心都在研制自己的压电驱动器。美国 有关的研究报告预计:在不久的将来，压电驱动器可能部分取 代其他传统装置而成为满足机械领域特定要求的一类新型驱 动器。
大行程高精度的压电驱动器。
图为哈工大孙立宁等研制的用于光学镜面微调整的旋转
驱动器原理图，E为活动镜面，F为固定转动轴，A、C为电 磁式箝位机构，与E通过柔铰相连，B为压电体，驱动器可实 现绕定轴顺、逆时针旋转。性能指标：行程5°；步进角 0.01°；分辨率0.02″；最大步速5步/秒。
3.惯性冲击式驱动
惯性冲击式压电驱动机构是以压电元件为驱动源，利用 电-机能量转换来形成惯性冲击力，从而产生运动的机构。
被动型压电减振与降噪技术是利用正压电效应以改变系统阻 尼实现消减振动与噪声目的的一种方法。它是在振动或噪声 源部位置入压电元件，当系统振动或有噪声出现时，压电元 件随之变形而自身产生电荷(电场)，将这个电荷接入合适的 电路中使其消耗，从而消耗了振动与噪声能量，达到了消减 振动与噪声目的。这种方法结构简单但对环境适应型较差， 有关的研究正在进行中。
自20世纪80年代以来，我国陆续开始了压电驱动与控制技术 的研究，20世纪90年代以后有了较大进展，目前的研究主要 是在政府资金支持下进行的。主要研究单位为清华大学、南 京航空航天大学、东南大学和哈尔滨工业大学等。
2.压电驱动器结构分类 按驱动方式不同，压电驱动器可分为刚性位移驱动器和
压电作动二维柔性结构稳像平台
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。
压电作动器概论
应用例： 超声针
28
单个压电元件的常用工作模态 径向振动模态
electrodes
Radial mode of a PZT disk
应用：单相超声电机、超声操控器件和压电泵等
应用例： 超声操控台
29
单个压电元件的常用工作模态 切向振动模态
应用：单相超声电机 应用例： 超声电机
30
压电作动器中的夹心式换能器（Langevin Transducer）
1600
1400
1200
Sound
1000
pressure
Freq. of
800
amplitude
sound field =
25.3 kHz
600
Sound
400
pressure
oy x
200
phase
0
0
1
2
3
4
5
x (mm)
p pme x cos[kx 0 t]
0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 6
（1）当 D+1-γ >0 （如水和空气中的固体颗粒）, 声辐射力驱动
颗粒到声压节面；
（2)
当
D+1-γ
<0
（如水中气泡）,
声辐射力驱动颗粒到声压反节 18
面。
声辐射力
如何获得具有空间衰减或梯度的行波来产生声辐射力？
声辐射点
声辐射线
上述方法的工作原理：请参阅声辐射压近似解的例子
声辐射面
19
声学流
0.8
0℃
60℃
20℃
80℃
40℃
压电作动器位移输出特性分析
压 电 作 动 器 位 移 输 出特 性 分 析
陶 帅 白鸿柏 何 建 设 侯 军 芳 ， ， ，
（ ．军 械 工 程 学 院 自行 火 炮 教 研 室 ， 北 石 家 庄 ０ ０ ０ ； ．６ ９ １部 队 ， 北 武 汉 ４ ０ １ ） １ 河 ５０ ３ ２ ３ ３ 湖 ３ ３ １
ｂ ｔ ａｓ ａ ｅ ｓ ｍ ｅ ｈ ｎ Ｏ ｄ ｔ ｈ ｕ ｕ ｌｏ ｈ ｖ ｏ ｔ ｉ ｇ ｔ ｏ ｗｉｈ ｔ ｅｎ ｍｂ ｒ ｆｔ ｓ ｏ ｈ ｄ ｅ ｏ ｔ ｇ ｎ ｈ ｒ ｑ ｅ ｃ ｆｔ ｅａ ｄ ｄ ｖ ｌ ｇ ． ｅ ｉ ｆｔ ｅａ ｄ ｄ ｖ ｌａ ｅ ａ ｄ ｔ ｅｆ ｅ ｕ ｎ ｙ ｏ ｈ ｄ ｅ ｏ ｔ ｅ ｏ ｍｅ ａ Ｔｈ ｕ ｐ ｔｃ ｒ ｅ ａ ｅ ｃ ｒ ａｎ ｄ ｉ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｈ ｓ ｂ ｉ ｇ ｏ ｉｆ ｕ ｔｅ ｏ ｈ ｃ ｕ ａ ｅ ｍｏ ｅ ｉｇ ｏ ｈ ｅ ｏ ｔ ｕ ｕ ｖ ｓ ｈ ｖ ｅ ｔ ｉ ｒｆ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓ ｔ ｕ ｒｎ ｓ ｓ ｍｅ ｄ ｆｉ ｌ ｓ ｆ ｒ ｔ ｅ ａ ｃ ｒ ｔ ｄ ｌ ｆｔ ｅ ｔ ｃ ｉ ｎ
ＴＡＯ ｈｕ ｉ Ｓ ａ ，ＢＡＩＨｏ ｇ ｉ ｎ ｂａ ，ＨＥ ｉ ｎｓ ｅ ，ＨＯＵ ｎ ａ ｇ Ｊａ ｈ 。 Ｊｕ ｆ ｎ
（ ．Ｆ ｃ ｌ ｆ ｅｆ ｒ ｐ ｌ ｄ Ｇｕ Ｏｒ ｎ ｎ ｅＥ ｇｎ ｅ ｉｇＣｏｌ ｅ Ｓ ｉａ ｈ ａ ｇ ０ ０ ０ ， ｈｎ ； １ ａ ｕ ｔ ｏ ｌ Ｐ ｏ ｅ ｅ ｎ， ｄ ａ ｃ ｎ ｉｅ ｒ ｌ ｇ ， ｈｊ ｚ ｕ ｎ ５ ０ ３ Ｃ ｉ ａ ｙ Ｓ ｌ ｎ ｅ ｉ
中 图 分 类 号 ： ２ ＴＰ １ 文献标识码 ： Ａ
Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｈｅ Ｏ ｕ ｐｕ ｓ ｌ ｃ ｍ ｅ ｔＣｈａ ａ ｔ ｒ ｓ ｉ ｓ ｏ ｅ ｏ ｌ ｃ ｒ ｃ Ａｃ ｕ ｔ ｒ ａ ｙ ｉ ｆ ｔ ｔ ｔＤｉ ｐ ａ ｅ ｎ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆ Ｐｉ ｚ ｅ ｅ ｔ ｉ ｔ ａ ｏ
压电作动器在柔性环形天线结构振动主动控制中的应用
摘要 ： 航 天 技 术 中很 重 要 的一 项 课 题 就 是 大 型 化 高精 度 星 载 天 线 结 构 的研 究 开 发 ， 而 大 型 柔 性 环 形 天
线则是 当前星载天线 结构研究 中的一个重 点研究对象 ，它 具有尺寸 大、柔性大、刚度低 、重量轻 、阻 尼弱 、固有频率低等特点 。随着天线 口径 的增大 ，其低阶频率会进入星体调姿频段 ，这将会导致星体 调姿过程 中发生低频 、大幅度 、长 时间的星线耦合振动 ，影 响天线 的精度和卫星星体的调姿过程 。所 以必须对星线耦合振动 响应 的抑制 问题进行研 究。 传统 的增强刚度 的设计对于星线耦合振动响应的抑 制 己不 能满足要求 ， 传统 的振动被动控制方式 也因为控制 能力的限制而难 以胜任 。 本文 以某星载大型
柔 性 环 形 天 线 的振 动 主动 控 制 为背 景 ， 将 一 种 新 型 压 电作 动 器 应 用 于 柔 性 环 形 天 线 结 构 的振 动 主 动 控 制 ， 并对 此 进 行 了探 讨和 试 验 验 证 。 关键 词 ：柔 性 环 形天 线 ；压 电 作动 器 ； 振动 主 动控 制
ｈ ｉ ｇ ｈ － ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｌ ｒｇ ａ ｅ ｌ ｏ ｏ ｐ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ｈ ａ ｓ ｈｅ ｔ ｃ ｈ ｒａ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ — ｓ ｉ ｚ ｅ ．
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微动平台压电作动器低频模型
ＴＡｏ Ｓｈ ｕａ ｉ ， ＢＡ Ｉ Ｈｏ ｎｇ ｂ ａ ｉ 。 ＬＩ Ｕ Ｚｈｅ ｎｇ ｕ ａ ｎｇ
（ １ ． Ｔ ｈ ｅ Ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｏ ｒ ｐ ｓ ， Ｇｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｈｅ ａ ｄ ｑ ｕ ａ ｒ ｔ ｅ ｒ ｓ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ９ ６ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｔｅ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｅ ｌ ｆ — Ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｄ Ｇｕ ｎ ， Ｏｒ ｄ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ， Ｓ ｈ ｉ ｊ ｉ ａ ｚ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ０ ５ ０ ０ ０ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｎ ｅ ｗ ｋ ｉ ｎ ｄ ｏ ｆ ｐ ｉ ｅ ｚ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｏ ｒ ｆ ｏ ｒ ｌ ｏ ｗ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｉ ｓ ｏ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ａ ｉ ｍｉ ｎ ｇ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗ
压电致动技术综述
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。
一种新型直线压电作动器[发明专利]
![一种新型直线压电作动器[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/b12ec7997fd5360cbb1adb7d.png)
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。
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不能产生声辐射力的声场
• 不具有空间衰减和 梯度的行波
16
声辐射力
如何产生驻波声场？
声压分布 曲线
换能器 声压 声压 反节 声压 反节 声压 节面 面 节面 面
声反射面
17
声辐射力
驻波声场产生的声辐射力的一些重要特性
声压分布 曲线
D
3( s f ) 2 s f
换能器
声压 声压 反节 声压 反节 声压 节面 面 节面 面
29
单个压电元件的常用工作模态
切向振动模态
应用：单相超声电机
应用例： 超声电机
30
压电作动器中的夹心式换能器（Langevin Transducer）
纵向振动夹心式换能器
金属块
压电片
交流电压
极化方向 振动方向 螺杆结构
31
压电作动器中夹心式换能器的分类
• 纵向振动夹心式换能器（Langevin 换能器）
声反射面
f c2 f s cs2
（1）当 D+1-γ >0 （如水和空气中的固体颗粒）, 声辐射力驱动 颗粒到声压节面； （2) 当 D+1-γ <0 （如水中气泡）, 声辐射力驱动颗粒到声压反节 18 面。
声辐射力
如何获得具有空间衰减或梯度的行波来产生声辐射力？
声辐射点
声辐射线
声辐射面
2. 赵淳生，超声电机技术与应用，科学出版社，2007
5
质点椭圆运动引起的摩擦驱动力
振动引起的压力N
转子
摩擦 材料 定 子 定子 振动 转子 变形 定转子 之间的 压力N 摩擦驱动力 f = μN
6
质点椭圆运动引起的摩擦驱动力
动 子
定 子
数学上可以证明，行波的行进方向和其产生的摩 擦驱动力的方向相反
1 2 1 2 2 1 2 1 1 ln ; 0 V 2 2 Va 1 2 2 1 1 ln ; 1 V 2
2 x 2 2 V p 2 D( k ) 1 me F i [ 2 ] 2 2 f cf
In air o y x
2 2 x V pm e F i 2 4 f c f
15
声辐射力
能产生声辐射力的声场
• 驻波声场 • 聚焦声场 • 衰减的声表面波 • 具有空间衰减或梯度的行波等
7
声辐射力
由声场动能密度和势能密度的空间不均匀性引起的、 作用在声场中物体表面的不随时间变化的力。
Acoustic radiation force on a rigid object
F ( K U )ndS
S
S
‹K› = time average of kinetic energy density ‹U› = time average of potential energy density
上述方法的工作原理：请参阅声辐射压近似解的例子
19
声学流
声学流: 由声场振动引起的流动
1
Sound 2
3
原因：单位时间内通过单位面积 的动量的空间不均匀性
驱动力： F 0 v v (v )v
驱动力的物理意义：
< ρv2(z) >
z
<ρv2(z+Δz)>
20
雷诺应力的不平衡产生声学流
J. Lighthill, Waves in Fluids, Cambridge University Press, Cambridge, 1978.
II 压电作动器中的驱动力及其发生机理
III 作动器中的压电换能单元 IV 压电作动器的工作原理、基本结构、设计 要点、特性和应用 V 压电作动器的发展趋势
37
IV 压电作动器的工作原理、基本结构、设 计要点、特性和应用 超声电机
压电泵 操控器件
• 作动技术的多样性 • 微纳操控和微液滴操控 • 接触式 • 非接触式
Freq. of sound field = 25.3 kHz
Sound pressure amplitude
-1.0 -1.5 -2.0 -2.5
o y x
Sound pressure phase
-3.0 -3.5 -4.0
p pm e
x
cos[kx 0 t ]
声辐射力近似解的例子
9
声辐射力近似解
• 利用Gor’kov的近似方法 • 把声场中的物体等效为小球, 等效半径为R； • 波数k和等效半径R需满足：kR<<1； • 引入声场的势P (force potential)
P V [ D K (1 ) U ]
V: 小球的体积
D
3( s f ) 2 s f
38
接触式超声电机的工作原理
椭圆驱动型
动 子
借助于定子的行波振 动或特殊的励振方式
定 子
使得定子表面的驱 动部做椭圆运动 再利用定转子间的摩 擦，驱动转子或动子
应用最为广泛的一种驱动原理
39
如何在驱动部产生椭圆运动？
方法I： 把时间相位相差 90度、空间相位相差90度 的两个驻波合成为行波。
40
定子的背面
定子背面的压电片
44
行波型旋转超声电机的结构
f c2 f 2 s cs
10
s: 小球
f：声介质 ρ：密度 c: 声速
声辐射力近似解
声辐射力
F P
• L. P. Gor’kov, Sov. Phys. Dokl 6, 773 (1962). 能吸引小颗粒；
• 可获得作用在小颗粒上声辐 射力的近似解。
压电励振结构
利用单层或多层压电结构，产生 微纳米级位移和大推力 把电能转化为受控振动，利用 该振动进行驱动转子或动子 把电能转化为受控振动，利用 该振动驱动流体或粉体
压电马达
或超声电机
压电泵
压电操控器件
把电能转化为受控超声，利用该 超声引起的物理效应对物体进行 操纵、控制、特种驱动和处理
3
II 压电作动器中的驱动力及其发生机理
r r0
r1 r0
b 2 2 V v m kr1 4c0
23
I 压电作动器的分类和功能
II 压电作动器中的驱动力及其发生机理
III 作动器中的压电换能单元 IV 压电作动器的工作原理、基本结构、设计 要点、特性和应用 V 压电作动器的发展趋势
24
III 压电作动器中的换能单元
• 弯曲振动夹心式换能器
• 纵-弯振动夹心式换能器
• 纵-扭振动夹心式换能器
32
纵向振动夹心式换能器的结构特点
压电片位于轴向位移为零或轴向正应力最大的位置。 33
纵向振动夹心式换能器的设计要点
198.1 kHz 123.4 kHz 66.8 kHz
47.1 kHz
25.2 kHz
20.5 kHz
声学流的解析解
求解声场的振动速度v
1
v v
Va
获得声学流的流场
O. V. Abramov, High-Intensity Ultrasonics, Gordon and Breach Science Publishers, Singapore, 1998.
electrodes
厚度振动模态 应用：非共振式压电马达 及各类夹心式换能器的励 振结构
Thickness mode of a PZT plate or disk
应用例： 超声针
28
单个压电元件的常用工作模态
electrodes
径向振动模态
Radial mode of a PZT disk
应用：单相超声电机、超声操控器件和压电泵等 应用例： 超声操控台
压电作动器概论
南航机械结构力学及控制国家重点实验室
胡俊辉 Email: ejhhu@
1
内容
I 压电作动器的分类和功能 II 压电作动器中驱动力及其发生机理
III 作动器中的压电换能单元
IV 压电作动器的工作原理、基本结构、设计 要点、特性和应用 V 压电作动器的发展趋势
2
I 压电作动器的分类和功能
功能： 把电能转化为受控声能； 是各类压电作动器的励振单元。
种类： （1） 单个压电元件； （2） 夹心式换能器等
25
压电元件
26
单个压电元件的常用工作模态
长度或宽度伸缩 振动模态 应用：在超声电机、压电泵和压电操 控器件中激励弯曲振动 应用例
压电元件
金属板
弯曲振动
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单个压电元件的常用工作模态
除了逆压电效应直接产生的驱动力以外， 被广泛使用的驱动力还包括： （1）质点椭圆运动引起的摩擦驱动力； （2） 声辐射力；
（3）声学流引起的声粘性力和冲击力等
4
质点椭圆运动引起的摩擦驱动力
利用超声行波或 振动合成技术使 得振动面上的质 点做椭圆运动
该质点与接触物 体之间，会产生 摩擦力。
1. S. Ueha， et.al. , Ultrasonic Motors. Oxford: Clarendon Press, 1993.
一般来讲，随共振频率增加，换能器变 小。
34
弯曲振动夹心式换能器
振型
金属块
压电片
交流电压
振动方向
螺杆结构
极化方向
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夹心式换能器的应用
V型直线超声电机
• 大力矩和大功率超声电机 • 高低温环境工作的超声电机
• 声学钳等
Trapped Particle