论文标题：Review on piezoelectric actuators: materials, classifications, applications, and recent trends

期刊： Frontiers of Mechanical Engineering

作者：Xuyang ZHOU, Shuang WU, Xiaoxu WANG, Zhenshan WANG, Qixuan ZHU, Jinshuai SUN, Panfeng HUANG, Xuewen WANG, Wei HUANG, Qianbo LU

发表时间： 15 Feb 2024

DOI：10.1007/s11465-023-0772-0

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科学和工程领域的发展使超精密定位和驱动技术应用迅速扩展，压电驱动器在纳米级分辨率、快速响应和抗磁干扰等方面表现出优越性，但存在行程短、非线性强等局限。各类压电驱动器发展近年来备受关注，但缺乏对其材料、工作原理、典型方案和发展趋势的最新综述，缺乏科学的视角也导致了分类的模糊性或对一些未来发展趋势的把握不足。

西北工业大学黄维院士团队卢乾波副教授研究团队在《Frontiers of Mechanical Engineering》2024年第19卷第1期发表了题为“Review on piezoelectric actuators: materials, classifications, applications, and recent trends”的综述论文。文章系统地综述了压电驱动器的相关内容，为深入了解压电驱动器提供了全面的视角。

压电驱动器通过逆压电效应将电能转化为机械位移或力，具有高精度、快速响应、抗电磁干扰和结构可扩展性等优势，广泛应用于精密制造、医疗、机器人、航空航天等领域。该综述将压电驱动器分为直接型和间接型两大类，并深入探讨其工作原理、设计特点及性能表现。

1. 压电效应与材料

压电效应源于非中心对称晶体结构的机电耦合，包括正压电效应（机械应力产生电荷）和逆压电效应（电场诱导形变）。压电材料分为三类：

压电单晶材料：压电常数范围广但成本高、易碎。

压电陶瓷：压电常数和介电常数较高，广泛用于商业产品。

压电聚合物：柔韧性好、密度低但压电性较低，适用于柔性电子和医疗领域。

2. 直接压电驱动器

直接压电驱动器又可细分为单压电晶片、双压电晶片和放大型结构三类。单压电晶片驱动器结构简单，可靠性和重复性好，但行程短、负载能力弱；双压电晶片驱动器是单压电晶片的结构改进，具有更大的尖端位移、更可靠的整体结构和更强的输出力；放大结构压电驱动器包括多压电叠堆驱动器和带柔性铰链的压电驱动器，前者具有较大行程、高阻塞力等优点，后者结构紧凑、运动平稳，但存在输出扭矩弱等缺点。

3. 间接压电驱动器

间接压电驱动器通过相对复杂的结构输出位移，可细分为超声波电机和步进驱动器。超声波电机分为驻波、行波和混合模式电机，具有高速、高扭矩等优点，但结构和控制系统复杂；步进驱动器包括摩擦惯性驱动器和尺蠖式驱动器，能实现无限行程，但存在速度慢、输出扭矩弱等问题。

4. 性能比较与选择

该综述系统比较了不同类型压电驱动器的优缺点，如直接型中叠堆驱动器负载能力最佳，带柔性铰链结构的行程表现最好；间接型中超声波电机速度最快，尺蠖式压电驱动器负载能力最佳。在工业应用中，应根据精度、速度、功耗等多种因素选择合适的驱动器类型。

未来的研究方向包括提升超声波电机波质量与效率、压电驱动器微型化与半导体工艺集成、抑制步进驱动器的回退现象、结合现代控制算法（如神经网络）优化非线性响应，以及开发新型压电材料（如高稳定性PZT陶瓷）。

关键词

压电驱动器；压电效应；放大压电驱动器；超声波驱动器；步进驱动；压电聚合物

引用

Xuyang ZHOU（周旭瑒）, Shuang WU（吴霜）, Xiaoxu WANG（王小旭）, Zhenshan WANG（王振山）, Qixuan ZHU（朱启轩）, Jinshuai SUN（孙金帅）, Panfeng HUANG（黄攀峰）, Xuewen WANG（王学文）, Wei HUANG（黄维）, Qianbo LU（卢乾波）. Review on piezoelectric actuators: materials, classifications, applications, and recent trends. Front. Mech. Eng., 2024, 19(1): 6

https://doi.org/10.1007/s11465-023-0772-0

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团队介绍

黄维院士团队卢乾波副教授课题组围绕特种智能惯性与柔性传感开展研究，开发了国内一流的μg级光学加速度计、ng级微振仪和皮米级光腔式位移传感器。课题组已在Nature Communications、Mechanical Systems and Signal Processing、Opto-Electronic Advances、Microsystems & Nanoengineering 等国际权威学术期刊发表学术论文30余篇，获授权中国发明专利20余项、英国专利2项。部分研究已成功应用于航空、船舶等领域的重大项目及产品中，获应用单位高度评价，相关技术和成果获得国家一级学会科技奖励一等奖和二等奖各一项。

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