前言:
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OK,我们开始吧。
有一次,我们给客户做一些东西,他们提到用PI的压电运动平台Q-545。
这款压电平台,其实已经很小巧了,宽度只有45mm,可以提供7N的推力或者拉力,分辨率更是高达1纳米。
但是我们需要用两个,空间还是不够。
虽然我们最终没有使用,但是压电技术,特别是压电电机已广泛用于各行各业。
比如,压电超声用于检测人体内部组织,高精度压电电机用于手机相机调焦,压电传感器用于检测水流速,压电制动器用于喷墨打印机墨水的喷洒,逆压电原理用于收集机械能等等(在文章05部分一一给出图例)。
那么,什么是压电效应?常见的压电电机有哪3种类型?压电技术如何应用于镜头调焦,人体探测,机械能收集?
01
压电效应及压电材料
通俗来说,压电就是压一下就有电。
当然,正如光路可逆一样,压电也可逆。
也就是说,通电时它就压缩(或者伸长),而压缩可以产生运动,于是有了压电驱动。
其实,压电效应最先在石英(二氧化硅)上发现。
1880年,雅克(Jacques)和皮埃尔·居里(Pierre Curie)发现,压力会在许多晶体中产生电荷,例如石英和电气石。
他们称这种现象叫“压电效应”。
随后,他们又发现电场可以使压电材料变形,他们称这为“逆压电效应”。
压电效应:图a材料受拉力,在两端产生负电压,图b材料受压力,在两端产生正电压。逆压电效应:图c材料两端接通电压,材料产生拉伸形变,图d压电材料两端被夹住,接通电压时,会产生一个向外的推力。
但是,在接下来的几十年中,压电研究仍停留在实验室中。
直到第一次世界大战的爆发,压电材料才第一次应用于声纳设备。声纳中压电技术的首次使用,引起了压电设备在国际上的强烈关注。
虽然石英是第一种商用压电材料,但科学家们一直在寻找性能更高的压电材料,结果在第二次世界大战期间,美国,俄罗斯和日本的研究小组,发现了一种新型的人造材料,称为铁电材料,其压电常数比天然压电材料高出许多倍,于是钛酸钡和锆钛酸铅(PZT)压电材料诞生了。
压电陶瓷及其极化的含义:通常,陶瓷是由微晶体组成的,而每个晶体是由带正电荷或负电荷的原子构成的,大多数陶瓷带有的正负电荷是平衡的。但是,在自然状态下,有一种介电陶瓷(称为铁电陶瓷)在晶体中带有不平衡的正负电荷,会造成偏电荷,也就是发生自发极化。如顶部图,焙烧后,铁电陶瓷会立即发生自发极化,并产生随机极轴(也称为偶极,此概念我们下一节解释),整体来看,陶瓷似乎有了平衡的正负电荷。但是,随着高直流电压的施加,自发极化产生的极轴在相同的方向上对齐,即使去掉电压,极轴也不会随之消失。使自发极化极轴对准的过程称为极化。如果将极化应用于铁电陶瓷,就会生成压电陶瓷。
压电材料PZT的极化过程,总体意思和上图一样。
当给压电陶瓷施加交流电时,陶瓷内的正负电荷中心会相互吸引或排斥,就会造成陶瓷的膨胀或缩小。
机械压应力或拉应力使石英原子结构中电荷移动,形成电偶极子,导致在石英的顶部和底部之间产生电压。
一些天然的压电材料包括柏林铁矿,蔗糖,石英,罗谢尔盐,黄玉,电气石和骨头(由于磷灰石晶体,干骨表现出某些压电特性,通常压电效应作为生物力传感器)。
人造压电材料的例子,包括刚刚提到的钛酸钡和锆钛酸铅(PZT)。
几种PZT压电材料的属性,来自Piezo.com
压电材料属性来自PI
几种压电材料的属性
天然单晶材料,例如石英和托玛琳的压电效应相对较小。多晶铁电陶瓷,例如钛酸钡和锆钛酸铅表现出更大的电压效应。
而且PZT有许多改进形式,例如含Ni,Bi,Sb,Nb离子的PZT陶瓷,在制造时还可以专门优化压电和介电参数,所以广泛用于压电执行器或传感器中。
02
压电效应底层逻辑
为什么会产生压电效应呢?
首先,我们需要理解压电材料和非压电材料有什么区别。
先看几张图。
下面这张图是非压电材料晶胞示意图。
非压电材料压缩时正负电荷抵消:晶胞中正离子和负离子的总电荷中心重合,即使施加了压力产生变形,电荷也会相互抵消,并且不会出现整体极化。注意,即使考虑到由于压缩而在水平方向上的伸长率,电荷仍然会抵消。
而在压电材料中,电荷的独特分布会在材料变形时引起偶极矩。
如下图所示,单位单元用虚线勾勒出。在没有任何外部应力的情况下,正负电荷的质心重合,用黑点标记。
压电材料电偶极子的产生:如右图,当材料被压缩时,原子之间的距离保持不变,只能在水平方向扩展。水平扩展又将由“*”表示的正电荷和负电荷分开,正负电荷的质心不再重合,而是由蓝色和红色点表示,从而形成电偶极子。
压电材料压缩示意图:当材料未被压缩时,分子将以某种方式排列,从整体上看,电荷相互抵消。当施加压力时,这些分子会改变位置并排列成偶极状态,此时全局电荷不再为零,也就产生了电压。
压电材料的这种变化,和其晶体结构有关,压电晶体呈六边形排列(可以回过头,看看本文的第3张图),在压缩时,会产生如下的变化。
压电材料受压时,电荷变化示意图:顶部的2个正电荷水平移动,导致正电荷中心向上移动。同理,3个负电荷中心平均值向下移动。正负电荷中心不重合,最终在一个面上积累正电荷,而在另一面上积累负电荷,也就形成电势差。图片来源于。
压电材料受拉伸和压缩时,正负电荷中心不再重合,发生偏移,于是产生电压。图片来源于PI。
有一点需要注意:压电现象是一个动态过程。
即使材料保持压缩状态,也不能用作“电池”,只有进一步压缩或拉伸材料时,才会出现新的电荷。
03
压电电机的分类及对比
压电材料有很多应用,工业领域中,最常见的是压电电机,压电传感器,压电集能器等。
压电电机,可以实现纳米甚至压纳米极的分辨率,从而可以用于高速,高精度的应用,比如光学调焦。
压电执行器(也可以叫压电电机)也可以应用于柴油喷油器,超声波清洁,喷墨打印机,压电扬声器,加湿器等。
压电传感器包括发动机爆震传感器,压力传感器,声纳设备等。
此外,压电还可以用来收集机械能,无污染,是新能源领域的一面旗帜。
压电的典型应用覆盖很多领域,包括通信控制,工业及自动化,健康,军事,以及MEMS设备等新兴领域。
压电电机的应用及分类
因为即使是高电压,也只会使压电晶体尺寸发生微小的变化,所以,可以用压电来控制晶体宽度,这使压电材料成为极高定位精度电机的首选。
PI压电柔性纳米定位系统
具有大角速度和高分辨率的惯性压电混合执行器
压电电机的众多应用
常见的压电电机有3种:超声压电电机,惯性压电电机和步进压电电机。
压电电机的分类:总体上分为准静态和超声电机,准静态电机又分为惯性电机和步进电机,超声电机分为行波和驻波电机。
几种常见的压电电机:超高速超声压电线性电机,旋转压电电机,直线压电电机,超高精度步进压电电机。
几种常见的压电电机运动原理图:直线超声压电电机,惯性压电电机,旋转超声压电电机,步进压电电机。
压电电机,直线电机,步进电机,音圈电机的对比
压电电机,步进电机,直线电机,音圈电机的尺寸及精度对比,压电电机尺寸最小,精度最高。
压电平台,电磁驱动,步进蜗轮,空气轴承等的尺寸和精度对比,压电平台精度高,尺寸小。
压电平台,电磁驱动,步进蜗轮,空气轴承等的成本和耐用性对比
电磁驱动和压电驱动的比较,明显压电可以实现更高的精度,且反应迅速,但位移较小。
音圈电机,压电电机,步进电机的比较;相比之下,压电电机反应迅速,功耗小,但重复性稍差。
超声压电电机
超声压电电机,是通过电路,产生100-200kHz的高频交流电压,使得压电材料产生超声波振动,进而带动部件高速运动。
超声电机,结构简单,连接少,而且能够自锁,可以应用于空间非常有限的应用。
直线超声压电电机应用于平面三自由度纳米定位平台。
线性超声电机:在超声电机中,压电致动器被电激励以产生高频振荡。致动器通过耦合元件预紧在轨道上。当执行器振荡时,触点带动部件线性移动。
直线超声波压电电机核心结构:压电制动器上耦合触点元件,两边导向并做预压,使触点紧贴移动部件,传感器用来读取运动的位置和速度等信息,图片来源于PI。
直线超声波压电电机结构及原理图
直线超声压电电机运动示意图,来自PI。
旋转超声压电电机结构示意图
旋转超声压电电机运动示意图,来自PI
超声波压电电机的原理,决定了它可以实现长距离和长使用寿命。
粘滑压电电机(惯性压电电机)
粘滑压电电机,也称为惯性压电电动,是基于两个元件之间的摩擦来驱动的。
粘滑压电电机的工作原理:它由一个固定在一侧的压电叠层(压电材料叠在一起,可以产生更大的位移和力),一个触点,一个运动部件和一个轴承组成。在中间图所示的“粘滞阶段”,由于电压的缓慢升高,压电材料缓慢伸长,由于接触点和滑块之间的摩擦力,滑块与接触点一起运动。然后,如最下方图,通过施加迅速减小的电压,使压电执行器迅速缩回,滑块由于惯性保持静止,而接触点滑回到原始位置。通过重复这两个步骤,可以实现宏观运动。
惯性压电电机主要驱动结构示意图:压电制动器来回伸缩,带动耦合元件运动,图片来源于PI
惯性压电电机动作原理:以向左运动为例,压电材料缓慢伸长,摩擦力带动滑块一起运动,压电材料迅速缩回,滑块因为惯性不动,压电材料再继续缓慢伸长,带动滑块持续运动。
旋转惯性压电电机:也使用耦合元件和转轮产生运动。在这种设计中,压电执行器会缓慢伸长,带动结构运动,但是会非常快速地收缩,因为收缩太快,摩擦力近乎为零,转轮的惯性让其继续运行,因此,转轮在压电伸缩过程中,可以持续运动。
粘滑电机,在滑移阶段对载物台有冲击,会产生振动和噪音,同时这种驱动机制,还会导致接触材料的磨损,通常会限制此类运动平台的寿命。
粘滑电机的特征在于,运动过程中步长小,但是由于步长取决于许多运行条件(例如运动方向),因此几乎不可能实现高重复性。
一些粘滑电机使用直流扫描模式,来达到非常精细的分辨率,虽然这对于提高定位精度有帮助,但无法将最终位置保持在零飘移的纳米水平上。
步进压电电机
如下图所示,一个典型的步进压电电机,至少由三个压电致动器组成。2个致动器与滑块接触,并用作夹紧机构,如图中的A和B,而其他致动器(如图中的压电C)用于产生滑块的平移运动。
压电步进电机运动原理:静止时,压电体A和B都与滑块接触。在运动周期开始时,如图1所示,压电A缩回,而压电B伸长,仅压电B的接触点保持与滑块接触。接下来如图2所示,压电C伸长,压电B的触点带动滑块运动。再接下来如图3所示,压电A伸长,压电B缩回,现在只有压电A与滑块接触。随后如图4,压电C缩回原始位置,最后,压电体B再次伸出,压电体A缩回,恢复图1所示的状态,继续下一个周期。
步进压电电机的动作示意图
步进压电电机的动作示意图
线性步进压电电机可用于驱动交叉滚子滑台,以实现极低的摩擦力和高刚度。而且由于驱动机构没有间隙,使用微步控制时,可以实现纳米级的分辨率,在某些情况下还可以达到亚纳米(皮米)的范围。这使得线性步进压电电机驱动平台非常适合显微镜和扫描应用。
由于压电器件不产生磁通量,并且线性步进压电电机的所有部件都可以用非磁性材料制成,所以它非常适合于具有强磁场的环境。
而且大多数设计都使用无机材料作为绝缘和电触点,因此可以承受较高的温度,又因为产生的热量少,可以在真空环境使用(散热不是问题)。
因为步进压电电机容易磨损,所以它通常比其他类型的压电电机寿命短。步进压电电机,由于需要大量的压电致动器和严格的公差控制,所以这类电机比粘滑和超声压电电机更贵。
压电应用于手机调焦的优缺点
超声,粘滑,步进压电电机在速度,力,分辨率,寿命,噪音,能耗等方面的对比,图片来自Xeryon
压电运动平台在精度,速度,力和应用等方面的对比,来自PI
超声,粘滑,步进压电电机的速度和耐用性对比
04
压电电机的优缺点
优点:
尺寸紧凑,易于安装:压电电机的尺寸通常在毫米或厘米,适合小型化的各种自动化系统,也很容易安装在高密度电子设备中。
高频响应:与其他设备相比,压电材料具有更高的频率响应。
快速点对点定位:由于高频驱动原理,可以实现超过100mm/s的最大运行速度。
高精度:压电运动平台,可以实现千分尺精度,甚至可以达到亚纳米精度。
高柔性:大多数压电材料可以构造成各种形状和尺寸,因此在各种应用和领域中都非常有用。
可堆叠:多个压电元件可以彼此叠置,形成所谓的堆叠式压电执行器,产生需要的运动和力。
低磁干扰:与传统电磁驱动电机不同,压电电机不会产生任何明显的磁场,压电平台可用于强磁场或不允许电磁干扰的应用中。
低速扫描:大多数压电运动平台都用于点对点定位,但是可以对超声波压电电机进行编程,可以实现每秒几微米的低速运动。
真空兼容性:由于真空中不存在对流,因此传统电机在置于真空中时,会迅速发热并退化。相反,压电电机消耗更少的能量,发热量非常小,并且非常紧凑,这使得它们适合于真空运用。
长行程:压电电机可以实现超长行程运动,行程范围仅受轴承或导轨长度的限制。
低功耗:超声压电电机具有非常低的功耗,通常小于1瓦,电机以自然频率运行,运动幅度可以通过调节电功率来改变。
自锁:压电电机具有自锁性,即使关闭电机电源,平台仍保持位置。
零飘:通过恰当的控制算法,可以进行纳米级的定位,同时由于静态保持力的作用,有可能实现零飘移的极限定位分辨率。
直接驱动:压电电机不需要传送带,皮带,丝杠或齿轮,这降低了系统的复杂性,并实现了无反冲和更精确的定位。
低压运行:超声压电电机可用小于48V的低压信号驱动,对于手持设备,可以通过标准的5V USB电压供电。
缺点:
价格高:压电电机中使用的高级晶体材料(PZT)生产成本高昂,并且经常包含铅和其他可能有害的物质。压电控制装置也很昂贵,并且操作起来通常很复杂。
对温度和湿度敏感:压电材料具有高温敏感性,一些晶体是水溶性的,在高湿度的环境中会溶解。
寿命问题:由于压电电机是摩擦驱动,所以容易磨损。超声压电电机可以达到100公里甚至更长的使用寿命。粘滑和惯性压电电机的使用寿命有限,大约为1至10公里,而压电步进电机更容易磨损。
压电换能器仅适用于动态条件:压电材料用于输出电压信号时,仅适用于动态测量,不适用于静态条件下使用。
压电发电产生电荷少:尽管压电材料是自发电的,但它们产生的电荷却很小,通常需要外部电路,才能将它们连接到电气接口。
05
压电技术应用举例
压电传感器
APATOR Ultrimis W水流传感器:具有直通型,无移动元件,抗杂质,检查或免维护,耐强磁场,耐水动力冲击,尺寸小,超轻等特征。
光学调焦
压电驱动应用于高精度光学调焦,来源于PI
压电驱动应用于光学调焦,来源于PI
压电电机用于光学调焦
压电电机用于光学调焦:欧菲光展示了一种用于智能手机的潜望镜镜头模块,该模块可提供连续变焦,与典型的宽幅相机相比,此模块可提供3到7倍的放大倍率,而且模块只有5.9毫米厚。压电电机可平滑准确地前后驱动3镜头组件,以达到所需的焦距,自动对焦子组件随镜头一起移动。连续变焦将可以提供更高质量的图像,使潜望镜更加有用。
压电电机用于光学调焦
DOF-5应用于光学调焦,来源于Dover Motion
压电用于光学调焦,结构示意图
压电驱动应用于液体镜头调焦
压电驱动应用于光学调焦,产品参数如表,来源于Piezolution GmbH:PZM-M12-06-DB
压电电机用于手机摄像头调焦
相机调焦工作流程图
数字相机信号处理链
调焦用音圈电机及超薄压电自动对焦电机对比(UTAF=Ultra-Thin Auto Focus)。
超声波应用
压电晶体在给定高频交流电压时,会在超声波范围内进行振动,可以作为超声波的发射器。
实际上,它振动如此之快,以至于发出声音,但是声音频率太高了,所以我们的耳朵听不到。
这些超声振动可用于扫描,清洁和其他各种用途。
压电超声波产生示意图
压电产生超声波示意图
一种压电超声设备结构示意图
一种压电超声设备结构示意图
一种压电超声设备结构:它由压电元件,背衬,匹配层和用于保护电池组的密封材料构成。
压电不同的振动模式:压电振荡频率与交流电频率相等,当交流电频率等于晶体的固有频率时,发生共振。晶体的固有频率主要取决于几何形状,所以可以通过改变几何形状,将晶体的固有频率调节到期望值。
压电用于超声检测,来源
压电用于超声检测,来源
压电超声波成像:压电高频振动,产生超声波,超声波穿过要分析的身体部位,到达人体组织并被反射,以创建组织的图像,这是超声成像的原理。压电超声特别适用于医学成像和工业无损检测。
压电超声用于探测皮下血管
压电超声用于探测人体内部器官
压电超声应用于探测水下物体
压电技术应用于超声探测
超声波清洗
压电执行器也用于超声波清洗应用。
为了进行超声波清洗,将物体浸入溶剂(水,酒精,丙酮等)中。压电换能器然后搅动溶剂,使用这种方法,可以清洁许多表面难以触及的物体。
微型泵
压电用于微型泵:盘形压电执行器,可以直接安装在膜片上,以使其振动。
CurieJet微型压电空气泵GS8S,具有体积小巧,重量轻,能耗低等特性。
燃气灶和烧烤炉的打火装置
按下打火机开关,你会听到咔哒声,并看到火花。
当你按下开关时,其实是在挤压压电晶体,产生电压,并使火花飞过一个很小的间隙。
压电应用于打火机,当被压缩时,它会产生“电”火花,从而点燃气体。
压电应用于点烟器,当被压缩时,它会产生“电”火花,从而点燃气体。
喷墨打印机及喷油器
如果你的办公桌上有一台喷墨打印机,那么它就是在使用精密的“注射器”将墨水喷到纸张上,一些喷墨机使用电控压电晶体注射器,来完成喷射。
压电用于爱普生喷墨打印机:其中压电PZT薄板与振动板,腔室和通信板层压在一起,形成了单压电晶片致动机构。
压电用于喷墨打印机工作示意图
压电制动器应用于柴油喷油器:为了提高柴油机效率,需要高压燃料和快速喷射控制。为此,采用了压电执行器,这些器件在150°C高温下,实现了10年之久的可靠性。共轨式喷射阀已被西门子,博世和电装公司广泛商业化。
加湿器和雾化器
压电技术用于雾化器
压电技术用于雾化器:压电陶瓷将振动传到谐振器,谐振器连接到流体导管,流体导管的自由端放大弯曲。当设备以预定的共振频率运行时,振动会达到最大幅度,并导致经过的流体在流体导管的末端破裂成雾状。来自Loxim Technologies Co., Ltd
扬声器
压电扬声器是电子电路中的常见组件,如图所示,压电材料在通电时会膨胀,断电时返回,使前面的空气来回振动,产生我们听到的声音。
压电储能器
压电晶体可以嵌入道路的沥青层下面,以收集经过的车辆所散布的动能。当车辆在道路上行驶时,它会在沥青上施加垂直压力,从而使压电晶体变形并产生电能。把车子的压力转换成电能,存储起来,以供使用。这一应用在新能源和智能道路方面有所突破。来源于。
压电用于收集机械能,储存为电能示意图
微电子机械系统(MEMS)
MEMS设备已变得越来越普遍,因为在较小的封装(例如手机,平板电脑等)中需要集成更多的功能。
MEMS设备的优势在于,可以把陀螺仪,加速度计和惯性测量设备等,集成到芯片大小的封装体中。为此常使用压电致动器和传感器。
自动感应门
用于餐馆或机场,当有人靠近门时,门自动打开。
此处所使用的概念是,当有人走近门时,人的体重施加在传感器上,由此产生电触发效应,从而把门打开。
麦克风
在麦克风中,把振动部分粘在压电晶体上,当声音发出的压力波到达时,会使晶体来回振动,并产生相应的电信号,电信号再放大,产生更大的声音。
06
压电材料振动模式
压电材料用作电机时的计算公式:变形量,阻挡力,及共振频率的计算。
压电材料用作发电机的计算公式:短路充电,开路电压,及共振频率计算。
压电材料用作发电机时的计算公式,续
压电材料计算式符号含义及单位
一种放大压电微小运动的机构
一种放大微小运动的机构运动示意图
压电上下振动模式
压电上下振动模式
压电弯曲运动模式
压电弯曲运动模式
上下振动模式
压电步进运行模式
压电步进运行模式
压电超声波运行模式
压电驱动装置
压电驱动装置
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