由Piezos提供动力

控制的进步，封装和旅行距离使压电执行器为科学，汽车甚至工业应用的良好选择。

人们很容易认为压电是只用于神秘研究的太空时代材料，但事实是，压电无处不在，从产生火花的烧烤打火机到振动的手机和传呼机。在运动控制应用程序中，它们也可能成为你日常生活的一部分——由于最近在设计、控制和封装方面的进步，这项技术的能力远远超出你的想象。

“They’re definitely not a lab product any more,” says Stefan Vorndran, director of marketing communications at PI (Physik Instrumente) L.P. (www.pi.ws; Auburn, Massachusetts) “They’re currently being used in automobile engines, and that’s basically proof that they’re industrial grade.”

压电致动器101.
压电材料在压缩时产生电压;相反，对压电材料施加电压会使其膨胀，使其用于运动控制。传统思维一直认为，压电执行器除了在最神秘的运动控制应用中是无效的，主要是因为移动距离小，易受环境条件和内在非线性的影响。然而，由于最近的事态发展，许多这些假设不再成立。

运动控制有四种基本类型的压电装置。首先是标准压电致动器，仅利用材料提供位移的能力。无摩擦装置通常提供具有子毫秒响应时间的子纳米分辨率。行程范围从执行器长度的0.1到0.2％ - 10-200μm，用于由压电材料堆叠的堆叠制成的致动器。

然而，更先进的设计可以实现更长的距离。多层弯剂致动器 - 压电薄膜和其他层的预应力复合结构 - 可以提供超过一毫米的总线性位移。对于需要较长的旅行和非常直的运动的应用，基于弯曲的设计放大运动以实现2mm或更大的行程，具有亚纳米分辨率和响应时间范围为0.1至10毫秒。应用包括扫描光学显微镜和纳米尺寸。

压电技术也出现在运动控制的超声电机的形式，无论是线性和旋转设计。在超声摩擦电机中，定子板的压电振动沿着摩擦条“行走”以产生运动。超声波摩擦电机在移动距离为英寸的情况下，可以达到数十毫秒的响应时间;材料和控制器的进步使得超声波电机的速度可以达到600到800毫米/秒。

然而，摩擦具有限制空间分辨率至约50nm的负面影响。同样，通过铅螺钉将线性运动转换为旋转运动的超声波旋转电动机，遭受间隙，摩擦和弹性。

这些产品由Piezo Walk Motors和Piezo惯性电机圆。顾名思义，压电步道电机基于小，可控步骤的迭代产生运动（参见图1）。虽然步行电机在薄皮镜制度中提供了非常高的分辨率，但可以维持高达120磅的负载，但不能达到超声波电机的高速。压电惯性电机提供非常紧凑的封装，但只有低精度运动，负载小于1盎司。

图1

压电“行走”电机使用控制，可重复的步骤，提供高达英寸的运动。照片信用：PI

控制
实现高空间定位精度和稳定性是唯一可能的，如果你有位置反馈设备的工作。通常，压电驱动器使用三种不同的位置传感器技术:屏幕仪表、LVDT传感器和电容传感器。应变计传感器是精度最低的方法，它由粘在压电驱动器或弯曲器上的电阻薄膜组成。当压电材料拉伸时，它拉伸薄膜，从而使电阻与位移成比例变化。一个要求更高的应用可能需要使用线性可变差动变压器(LVDT)位置传感器。

对于诸如原子力显微镜或扫描光学显微镜等精密应用，电容传感器提供最佳精度。大多数传感器由两个电极组成，两个电极由一侧固定到框架，一个固定到定位级的移动部分。当两个元素分开时，电容变化。

这些传感器的辅助，新的控制器技术允许设备维持亚纳米分辨率超过毫米的行程。实际上，精密电容传感器允许设计人员更好地应对压电材料的内在非线性。实现高位置稳定性和可重复性的性能需要闭环系统，这是电容传感器进入的地方。此外，数字控制器可用于更好地处理压电材料的非线性特性。

另一个新进展是包装。湿度长期以来一直是压电驱动器的祸根。“基本上，我们处理的电场通常是1000 V/mm或更高，高压和湿度不能混合，”Vorndran说。“湿度会产生小的泄漏电流，然后就会产生电弧和介质击穿，这会杀死压电驱动器。”

新的陶瓷封装方法可以保护材料不受环境影响，增加材料的使用寿命，并在工业环境中开辟应用领域。这些应用包括外圆金属车削，如用于活塞制造或金刚石车削光学，或用于汽车发动机柴油喷射系统的快速阀门控制。

然后存在将电动机与压电电动机相结合的混合系统。“它们提供了一种宏/微型执行器。它们仍然可以提供与电磁线性执行器相关联的长行程，但是一旦将其达到近似最终位置，小型压电组件会使它们非常高的分辨率，“副总裁Murray Johns说动态结构和材料，LLC（www.dynamic-structures.com;富兰克林，田纳西州）。这样的系统并不简单;每个组件都需要单独的驱动器。“涉及对两个设备的控制有很多软件，”他补充道。

压电执行器在动作中
随着可用的运动控制选项的范围，为什么选择压电执行器？空间分辨率当然，压电技术为某些应用提供了其他重要优势，例如速度。结合亚纳米分辨率，压电定位器的速度使得它们为半导体制造或用于药物发现中的Biochip井上的超自速上的生物保护型，使其非常适合。“每个样品的高度可以随几十或数百微米而变化，显微镜的场通常只有几微米，因此您希望使用一个非常快的自动对焦系统，可以在几毫秒内关注几毫秒，”Vorndran, “That’s where piezoelectrics really shine.”

“它们还具有比传统电磁技术更高的带宽或动态频率响应的能力，”约翰斯说。利用这些能力的应用包括用于检查系统的光学扫描或光束转向。

由于压电性在使用电力的使用中，因此它们不会像电磁系统一样加热，允许它们用于低温应用。“它们可以用于真空系统中，其中其他传统的电磁技术在真空中的放气或其真空中的热量产生时具有一些限制，”约翰斯笔记。特别是超声波压电电动机在没有电力的情况下自锁。

在强磁场环境下工作的能力是另一个优点。约翰斯说:“我们已经有几个客户需要在核磁共振环境中进行运动控制的应用程序。“高磁场与不锈钢等铁基材料不兼容，所以我们使用了带有压电的钛驱动器框架，并创建了一个扫描平台。”其他应用包括扫描电子显微镜或电子束系统中的工作台定位。

呼应一个主题，我们已经探索了伺服电机(见服务更好的伺服，2007年1月），压电电动机可用于取代传统的液压/气动执行器在航空航天应用中，尺寸和重量是重要因素。“他们可以使用压电线性执行器来更换那些较大和更重的技术，”约翰说。“我们认为我们的部件作为科学组件的宇宙航空应用，以及作为在推进系统中的卫星或开口阀中的干涉仪的一部分的内置部件。”

Johns Nor Vorndran都没有说，压电执行器和电机随时都会更换伺服和直流电机，但对于扩大的应用范围，压电可以提供理想的解决方案。

致谢
感谢Piezo Systems Inc.的Rob Carter（www.piezo.com; Massachusetts），他还为本文提供了输入。