Front. Mech. Eng. China 2008, 3(2): 119–132 DOI 10.1007/s11465-008-0034-1

REVIEW ARTICLE

Chunsheng ZHAO, Jiantao ZHANG, Jianhui ZHANG, Jiamei JIN

Development and application prospects of piezoelectric precision driving technology

E Higher Education Press and Springer-Verlag 2008

Abstract With the rapid development of science and technology, microelectronics manufacturing, photonics technology, space technology, ultra-precision machining, micro-robotics, biomedical engineering and other fields urgently need the support of modern precision driving theory and technology. Modern precision driving techno- logy can be generally divided into two parts: electromag- netic and non-electromagnetic driving technology. Electromagnetic driving technology is based on tra- ditional technology, has a low thrust-weight ratio, and needs deceleration devices with a cumbrous system or a complex structure. Moreover, it is difficult to improve positioning accuracy with this technology type. Thus, electromagnetic driving technology is still unable to meet the requirements for the above applications. Non-electro- magnetic driving technology is a new choice. As a cat- egory of non-electromagnetic driving technology, piezoelectric driving technology becomes an important branch of modern precision driving technology. High holding torque and acute response make it suitable as an accurate positioning actuator. This paper presents the development of piezoelectric precision driving techno- logy at home and abroad and gives an in-depth analysis. Future perspectives on the technologyrsquo;s applications in the following fields are described: 1) integrated circuit manufacturing technology; 2) fiber optic component manufacturing technology; 3) micro parts manipulation and assembly technology; 4) biomedical engineering; 5) aerospace technology; and 6) ultra-precision processing technology.

Keywords piezoelectric, actuators, piezoelectric pre- cision driving technology, multi-degree-of-freedom (MDOF)

Received December 17, 2007; accepted January 20, 2008

Chunsheng ZHAO (*), Jiantao ZHANG, Jianhui ZHANG, Jiamei JIN

Precision Driving Laboratory, Nanjing University of Aeronautics amp; Astronautics, Nanjing 210016, China

E-mail: cszhao@nuaa.edu.cn

Introduction

In the past two decades, many countries around the world have developed various non-electromagnetic type driving technologies based on different functional materials that include piezoelectric ceramics, memory alloy, and electro- strictive and magnetostrictive materials. Of these systems, driving technology based on piezoelectric ceramics (here- inafter referred to as piezoelectric driving technology) has developed quickly.

Currently, precision piezoelectric actuators can be divided into three types. The first is the direct-drive (non-resonance) micro-displacement actuator that directly uses the deformation or displacement of func- tional materials to drive. A typical example is the micro-displacement worktable. Although it has advan- tages in its simple structure, low cost and high accuracy, its small stroke makes its application limited. The sec- ond is the large stroke resonance actuator that amplifies the deformation or vibration of functional materials through resonance to drive. Typical examples are the stepping ultrasonic motors, stepping precision actuators and micro/nano-drive stage. This type of actuator has aroused much interest among domestic and foreign scholars for unique merits such as higher precision and larger working stroke. The third category includes the high precision flow rate pump, switch valve and servo valve. They also amplify the deformation or vibration of functional materials through resonance and can pre- cisely drive, control and transmit fluid. Therefore, this actuator has good application prospects in biomedical engineering, precision chemicals, national defense pro- jects and aerospace engineering. Piezoelectric precision driving technology has unique properties such as micro/ nanopositioning, high resolution of displacement con- trol, quick response to driving electric signals, and the absence of magnetic interference and noise. Thus, it is becoming an important branch of modern precision driving technology.

Development and analysis of piezoelectric precision driving technology at home and abroad

2.1 Foreign development status and analysis

In recent years, the direct-drive (non-resonance) micro- displacement driving technology has developed rapidly. Germanyrsquo;s PI Company has launched a series of actuators and multi-degree-of-freedom (MDOF) micro-stages shown in Figs. 1 and 2, which are made with laminated piezoelectric stacks.

Fig. 1 Actuators made with laminated piezoelectric stacks

Fig. 2 MDOF micro-stages

Figure 3 shows a single-degree-of-freedom (SDOF) lin- ear stepping motor from the University of Connecticut, whose stiffness is 90 N/mm, force output is 200 N, posi- tioning accuracy is 5 nm, and feed rate is 100 mm/s.

Fig. 3 Linear stepping actuator from the University of Connecticut

Figure 4 shows the Abalone I actuator from Switzerlandrsquo;s Codourey et al. It is a MDOF stepping elec- tromagnetic piezoelectric actuator featuring an inner plat- form embedded with one magnetic body and an outer

Fig. 4 Abalone I stepping actuator

platform embedded with three magnetic bodies. It can implement X-Y-h 3-DOF motion with movement accu- racy of 10 nm and maximum step of 5 mm.

Figure 5 shows the Abalone II 3-DOF inertial impact precision displacement actuator from the ETHZ Institute of Robotics. Compared with Abalone I, the actuator is smaller and uses an inertia impact piezoelectric drive instead of the clamping magnetic body. The velocity is 1 mm/s, the maximum step is 2 mm, and positioning accu- r

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前面，中国机械工程2008, 3(2): 119–132 DOI 10.1007/s11465-008-0034-1

春胜朝，简涛张，简慧张，贾美金

高等教育出版社Springer-Verlag 2008

文章综述

压电精密驱动科技的发展和应用前景

随着科技的快速发展，微电学的大量生产，光子学科技，空间技术，超精度加工，微机器人，生物医学工程和另外的领域急迫的需要现代精密驱动理论与技术的支持。现代精密驱动技术学可以简单的分为两部分：电磁和非电磁科技。电磁驱动科技是基于传统科技，有一个低推力比并且需要带有复杂系统或者复杂结构的减速装置。此外，这是很难提高定位精度与这种技术类型。因此，电磁驱动技术仍然不能满足上述应用的要求。非电磁驱动技术是一种新的选择。作为一只猫-非电磁驱动技术的种类，压电驱动技术成为现代精密驱动技术的一个重要分支。高保持转矩和急性响应使其适合作为一个精确的定位致动器。本文介绍了压电精密驱动技术等，在国内外的发展作了深入的分析。未来的观点，在以下领域的技术的应用：1）集成电路制造技术；2）光纤元件制造技术；3）微件操作与组装技术；4）生物医学工程；5）航天技术；及超精密加工技术。

关键词 ：压电、压电驱动技术，前景，多自由度（K-MDOF）

2007年12月17日收到；2008年1月20日受理

春胜朝，简涛张，简慧张，贾美金

精密传动实验室，南京航空航天大学，南京210016，中国

电子邮件：cszhao@nuaa.edu.cn

1导论

在过去的二十年中，世界上许多国家已经开发了各种非电磁式驱动技术，基于不同的功能材料，包括压电陶瓷、记忆合金、电致和磁致伸缩材料。这些系统，基于压电陶瓷驱动技术（这里后称为压电驱动技术）发展迅速。

目前，精密压电驱动器可分为三种类型。首先是直接驱动（非共振）微位移致动器，直接使用的变形或位移的功能材料驱动。一个典型的例子是微位移工作台。虽然它的结构简单等优点，低成本、高精度、小中风使其应用受到限制。第二是大行程共振驱动器放大功能材料的变形或振动，通过共振驱动。典型的例子是步进电机，步进精密执行机构和微/纳米驱动级。这种驱动器因其精度高、工作行程大等优点引起国内外学者的广泛关注。第三类包括高精度流量泵、开关阀和伺服阀。他们还通过共振放大功能材料变形或振动，可以预先精确驱动，控制和传输流体。因此，该驱动器已在生物医学工程、精密化学品具有很好的应用前景，国防和航空航天工程专业项目。压电精密驱动技术具有独特的性能，如微/纳米定位控制，位移控制的高分辨率、驱动电信号的快速响应，和磁干扰和噪声的情况下。因此，它已成为现代精密驱动技术的一个重要分支。

2国内外压电精密驱动技术的发展和分析

2.1国外发展现状及分析

近年来，直接驱动（非共振）微位移驱动技术得到了迅速发展。德国的PI公司已经推出了一系列执行器和多自由度（MDOF）微阶段示于图1和2，这是由层压压电叠层。

图1采用叠层压电叠层的致动器

图2多自由度微阶段

图3显示了一个单自由度（SDOF）林耳步进电机从康涅狄格大学，其刚度为90 N / mm，输出力为200 N，其定位精度为5 nm，与进给速度为100毫米/秒。

图3步进线性执行器from the University of Connecticut

图4显示了鲍鱼我执行从瑞士Codourey等人。这是一个多自由度步进电-压电致动器具有一个内部平台的形式嵌入一个磁性体与磁性体嵌入三外平台。它可以实现x-y-h三自由度运动较活泼的10 nm和5毫米最大步。

图4中的有限激鲍鱼

图5显示了鲍鱼II三自由度惯性冲击精密位移驱动器从机器人工学院研究所。与鲍鱼I相比，致动器较小，采用惯性冲击压电驱动器代替夹持磁性体。速度是1毫米/秒，最大步长为2毫米，定位准确，10 nm。当锯齿波电能提供给执行器时，获得较大的行程。当直流电压提供给驱动器，精密定位定位可以实现微位移。

图5鲍鱼II多自由度惯性冲击精密位移驱动器

超声波电机是一种新型的驱动器，它采用超声波范围内的机械振动作为其驱动源。超声电机利用压电材料的逆压电效应和不需要磁路和绕组变换能量。与电磁电机相比，超声电机具有重要的有限元特征如惯性小、响应快、位移控制精度高，无电磁干扰，定位精度高，工作行程大，结构简单，运行安静，在低转速高扭矩。因此，超声电机是精密驱动领域中最流行的驱动器之一。

在超声波电机技术领域，日本是世界领先者[ 2 ]。USM的发明专利大部分是被日本，并在全国多所著名高校和企业更加努力研究超声电机。此外，电机也被COM 由大量的公司在日本。美国、德国、法国和英国不想落后，大量的人力和资源投入到发展这些国家的超声波电机。在美国，宾夕法尼亚州立大学就投入了数百万美元的数百在压电材料和驱动因素研究Lars。事实上，电机已应用于美国太空探测器和核弹头，Mars近年来。由于电机不需要变速箱转速降低，其体积和重量可以显著减少。图6显示了火星探测从喷气推进实验室和麻省理工在microlander电机中的应用。所产生的最大扭矩约2.7 N？米，最低回火温度是2100u，其重量减少30%由于使用电机。电机也由coddar太空飞行中心的美国宇航局应用于空间机器人。microarm是由一个小的和一个直径为30 mm，扭矩为0.05 N的超声波电机驱动M. Mars探头的机械手microarm II的驱动电机三0.68 N？M的扭矩和超声波电机与0.11纳米扭矩。它的重量减少40%，因为这些电机。

图6超声波电机应用在microlander Mars探险

航天发展反导弹和反卫星系统，美国将发射卫星（8 7–超过100公斤体重）在下一年的少。不管一个人多，茶比belongs USM驱动微型纳米卫星系统的核心技术。图7 smallest shows the USM（1.5毫米直径）从佩恩。which will be used，微机器人，医疗设备和电池的公司。图8 shows the phone for线性超声微电机室系统。在美国，除了一些大学这样的机构，像QMI研究机构美国国家航空航天局喷气推进实验室的DAR和航空公司是研究人员。extensive has been conducted在研究区延寿of such as the USM，改进网络操作能力和超低的温度下（2150u超真空（1026）和PA）[ 4 ]。

图7 Penn微型超声电机（直径1.5毫米）

图8用于手机摄像系统的微型直线超声电机

与电磁作动器相比，压电作动器具有许多优点。近年来，研究人员已应用于电机的精密运动平台。图9显示了一个X-Y运动阶段使用旋转式电机，不需要变速箱来降低电机的转速。图10显示了一个压电精密运动平台单从日本的nibon赛瑞泰克公司实现小于1 nm的位移分辨率的自由度，4500 mm/s，最大推力30 N图11显示X-Y运动平台采用德国的steimeyer公司直线超声电机的最高转速。该阶段的典型表现是位移分辨率为50纳米，行程为200毫米，和速度为100米/秒。图12显示了使用线性超声波电机的旋转阶段。其典型表现是1024 U的角分辨率，和一个旋转1转/分的转速

图9 X-Y运动阶段使用旋转式超声电机

图10日本的nibon赛瑞泰克公司单自由度精密运动平台

图11使用直线超声电机的X-Y运动阶段

图12采用直线超声电机的旋转台

图13显示了真空appli -阳离子从德国的PI公司定位系统。该系统主要用于IC封装。压电直线运动阶段应用于光纤对接技术。状态如图14所示。

图13德国PI公司真空应用定位系统

图14压电直线运动台

2003、爱普生开发的先生II-P USM，原型机器人在一个超薄的微致动器的操作，并通过功率SAV -遥控蓝牙模块。如图15所示，它的一般规格是一个重量为12.5克，体积

7.8立方厘米和150毫米/秒的速度在同年十一月，爱普生推出了原型微型飞行机器人UFR，具有超薄、超声电机驱动两个反向旋转的螺旋桨驱动的电机悬浮，和世界上第一个线性致动器稳定姿态控制机制在飞行。如图16所示，它的重量约为8.9克

图15原型机器人，先生- P

图16原型微型飞行机器人UFR

通过上述工作的体波电机。世纪90年代以来，国外学者开始研究表面声波（SAW）电机[ 5 ]。SAW电机具有效率高、体积小等特点。此外，电机的影响较小的支持康迪- tions。一个SAW电机测量4毫米4毫米6毫米的制造日本和工程的频带从10兆赫到100兆赫。当作为一个步进电机，0.5纳米步进定位成功地执行，每个步骤的响应时间为0.2女士。

在现代生物医学工程的研究中，有必要进行一系列的细胞检查如切割植物细胞的染色体、细胞融合、转基因动物的卵注射、人工授精[ 6 ]。Higuchi等人最近开发出一套自动化细胞穿刺系统示于图17中（a），它是基于压电惯性影响直线电机技术和图像处理技术的纳米定位技术。图17（b）表明，传统仪器往往会严重变形细胞，并经常造成损害，使细胞无法用于特定的任务。图17（c）表明，新的系统使渗透发生没有任何损害细胞或其核。

图17自动细胞穿刺系统及两种细胞穿刺器械的比较。（a）具有惯性冲击钻的自动细胞穿刺系统；（b）细胞穿透使用传统仪器；（c）细胞穿透使用一个仪器

胜芳等人在日本山形大学开发了一种压电泵的工作频率和频率范围从2赫兹到3赫兹。其最大输出流量为110毫升/分钟时，驱动电压

120诉南洋理工大学（新加坡）

和加利福尼亚大学（美国）联合研制的超声弯曲板波微泵（泵或泵声FPW）[ 10 ]，其流体输出采用声流实现。该泵工作电压低，无发热，对液体/气体类型无限制。Audra等人。在加利福尼亚大学开发了一种基于径向传感器的超声波压电泵（11）。其最大允许输出流量为1.15毫米/秒，当驱动电压为12 V，工作频率为3.79 MHz。喷气推进实验室（JPL）开发了一种压电驱动蠕动泵采用弯曲行波为国家航空航天局（NASA）[ 12 ]。

近年来发展起来的压电泵大多是体积小、输出流量小、输出压力低的小型或微型泵。日本生产的各种小型压电式压电泵适用于多种用途，如血液输送、清洗小部件、喷涂粘合剂和化学分析等。压电泵体积小、流量大、无噪音、输出压力相对较小，是液体冷却系统执行器最有发展前途的候选产品。计算机芯片冷却一直是所有主要的计算机公司的重点，特别是因为奔腾IV CPU成为流行。计算机的热生成成为一个更严重的问题，计算速度显着增加。因此，一些外国电脑公司，包括NEC，东芝和日立，进行CPU水冷系统的研究。在2003六月，NEC公司开发了一台水冷式电脑，使用压电泵循环冷却液。图18显示了冷却系统的工作过程。这些计算机水冷却系统具有体积小、成本低、易于PC连接等优点，在市场上具有明显的优势。

图18带压电泵的CPU水冷系统

图19来自加利福尼亚大学的微型压电泵智能药丸

压电技术与精密生物医学工程相结合[ 13 ]。科学家认为第二十一世纪将是生命科学的世纪。一个在生物医学研究中的主要问题是开发微型压电驱动器，运行的时间更长，如电机和压电泵。图19显示了一个微泵熟食在药物进入人体。

2.2国内发展现状及分析

近年来，国内许多单位在微位移直接驱动（非谐振）技术方面进行了大量的工作，取得了一系列初步成果。压电驱动与控制研究中心（吉林大学）开发的YDB系列步进精密驱动器从2001到2005基于层叠型压电元件。该驱动器具有位移分辨率高（0.05毫米），驱动力大（10N），高速度（1毫米/秒）、大行程（10毫米）。提出了一种基于叠层压电元件的步进式精密旋转驱动器。（吉林大学）2006。位移分辨率

0.206毫米，3308毫弧度/秒的转速，在360u中风，和最大扭矩0.294 N？m实现。一个精密的旋转驱动器的微镜调整的光学镜是由Sun等（哈尔滨工业大学）在2001。使用拉迷水平的压电元件可以很容易地转换旋转方向为正或反向器。它能够增加行程达5U，步0.01u旋转角度，分辨率为0.020和行走速度可达5步/秒。吉林大学在压电泵和电液伺服阀方面做了大量工作，取得了许多成就。

国内研究机构刚刚开始开发基于共振驱动技术的直线超声电机，以推动复杂的阶段。使用直接驱动的致动器相比（非共振）微位移技术，该驱动器具有明显优点，包括低能耗和较高的效率。

自1995以来，赵某等人从精密传动实验室（南京航空航天大学、南京航空航天大学）已经开发了共振直线超声电机的16–[ 18 ]。单光束行波型直线超声电机，如图20（a）是由1996所大学。一个线性行程大，力大如图20所示，超声波电机（B）和直线超声电机如图20（c）是由1998和2001开发的南航。该实验室获得了中国专利的直线超声电机如图20（b）[ 19 ]。图21显示了在平面内的振动直线超声电机，而赵从中国专利局收到专利[ 20 ]。

图20系列直线超声电机传动

图21南航

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