压电陶瓷驱动的铰链放大式微动工作台研究

　　1　引　言

　　随着纳米技术的研究和应用日益广泛,作为纳米检测及计量技术基础的纳米驱动与定位技术,要求其具有纳米级的分辨力[1]和定位精度,研究设计新型微驱动与微定位机构,一直是纳米定位技术的关键。传统的驱动与定位技术中,常选用滚动导轨或滑动导轨构成定位机构[2],采用精密螺旋楔块机构、涡轮一凹轮机构、齿轮一杠杆机构等机械传动式微位移驱动器,由于存在着较大的间隙、机械摩擦和爬行现象,因此定位精度很难达到纳米级[3]。近几年发展的压电陶瓷驱动的微位移机构,具有结构紧凑,体积很小,无机械摩擦,无间隙,位移分辨力高等特点。并且由于机电耦合效应进行的速度很快,来不及与外界热交换,因此不存在发热问题,同时没有噪声,适用于在各种介质环境下工作,是一种理想的微位移器[4]。但是压电陶瓷材料的激励应变量比较小[5],由此构成的微驱动器移动速度小,移动效率低。为了在较低电压下产生较大的位移量,需要采用特定的放大机构将微位移放大。为此,现提出了一种通过铰链机构放大微位移的新方法,并研制了一种新型压电陶瓷驱动的铰链放大式微动工作台,提高了微动工作台的移动速度和移动效率。

　　2　原理和方法

　　2.1　微位移放大原理

　　传统的压电陶瓷(PZT)驱动的摩擦式微位移机构如图1所示。

　　加在压电陶瓷上的周期驱动电压在一个周期内的波形如图1(a)所示。在Δt1时间内,压电陶瓷急速伸长,与之相连接的载物平台也以很大的速度向右运动,由于主体质量较大,惯性很大,因此主体与载物平台间将产生相对滑动,也就是说这个时间内主体并不跟随平台向右移动,而是停留在原处,见图1(b);在Δt2时间内,压电陶瓷缓慢的收缩,主体在静摩擦力的作用下跟随载物平台一起向左移动,见图1(c)。经过一个周期,主体相对于起始位置有一个位移Δs。如果在压电陶瓷上施加周期性的驱动电压,就可以使主体连续的向左作步进运动。通过改变驱动电压的幅值和频率,可以调节主体运动的步距和移动速度。这种方法的缺点是,压电陶瓷的伸缩量较小,主体运动的步长也较小,在相同频率下,主体的移动速度和移动效率较低。要提高移动步长和速度,必须提高控制电压,而施加在压电陶瓷上的电压幅值并不能无限制的提高,否则会导致陶瓷击穿或失效。另外,整个机构的重量都以悬臂梁的方式加在陶瓷上,很容易造成陶瓷过载或断裂,也直接限制了移动主体不能太大和太重。采用铰链放大的方式,可以解决以上问题。现提出的微位移放大原理示于图2。

　　放大臂O端固定,A处与陶瓷粘合,构成一铰链机构。当压电陶瓷在控制电压作用下伸缩时,设A处的位移量为Δs1,放大臂上任意一点B处的位移量为Δs2,两者之间有以下比例关系: