压电微位移精密驱动器的设计研究

　　1 前 言

　　在微机电系统产品的加工、高密度集成芯片的制造、生物医学工程的细胞操作、扫描隧道显微镜下的原子操作等诸多领域，微米、纳米级运动分辨率的微位移驱动器已经成为必备的核心部件。微位移驱动器既可构成微机械系统的动力部分, 亦可成为微机械系统的操作或执行机构，国内外的许多著名大学及实验室都将有关微位移驱动器的设计、加工制造技术、测控技术的研究作为重点研究领域[1-7]。微位移驱动器主要有两种：一种是用通过机械方法缩小输入位移;另一类是利用各种物理原理直接产生微小位移，在这方面目前应用最广泛、研究最多的是压电材料驱动。压电材料驱动器的设计有以下三种方式：①直动型：压电体直接输出位移。②位移放大型：通过微位移机构放大压电体的输出位移，同时缩小了压电驱动器的输出力。③位移累积型：累积压电体每一次的输出位移，这种驱动方式也被称为步进型。第一种类型虽然分辨率很高，但压电体变形很小，使得驱动器的运动范围非常有限，在实际应用上受到了很大限制。后两种类型通过合理的机械结构增大了驱动器的输出位移。第三种类型还可实现驱动器动子的连续运动。从而实现了大行程和高分辨率的统一，又保留大的力输出[8-10]。因此本文主要对后两种驱动原理进行详细介绍.

　　2 位移放大型驱动器

　　压电叠堆的变形很小，一般 1$m/mm。因此要通过位移放大机构放大压电材料的输出位移。由于柔性铰链免装配、无间隙和无摩擦，可达到 1nm 的分辨率，因此柔性铰链常被用做微位移放大机构的运动副[11-13]。采用柔性铰链的微位移位移放大机构常见有以下两大类。

　　(1)利用杠杆原理放大

　　微位移放大机构常常认为仅在柔性铰链处产生弹性变形，其它部分可认为是刚体，但是由于柔性铰链存在着位移损失,利用杠杆比来估算机构的放大比误差很大，因此多采用有限元法进行仿真计算。图 1 是韩国 启 明 大 学(KeimyungUniversity)设计的基于两级杠杆放大原理的柔性铰链微位移工作台[14]。压电体连接到位移放大器的输入端，工作台固定在输出端。该结构实测位移放大比 20，一阶固有频率 189Hz。采用基于前馈补偿器和 PID反馈控制器的 Preisach 模型控制系统，步距精度达到了 30nm。

　　(2)利用压曲原理放大

　　压曲原理放大的理论基础是材料力学的压杆失稳原理，如图 2(a)所示。此种方式可以将压电体放在外侧，构成桥式放大机构，如图 2(b)所示;也可把叠堆放在内侧，构成椭圆形放大机构如图 2(c)所示。和杠杆原理相比，基于压曲放大原理的放大机构结构更简单，更容易实现对称布置。