压电电机，执行器简化医疗设备性能

研究、设计、建模、测试、原型设计以及美国FDA和欧盟对新型机电设备的批准，或对现有设计的变更的集成，都影响着医疗设备设计的改进，以实现更好的精简功能和性能。在设备进入批量生产之前，这通常意味着相当大的资本资源投资。设计考虑因素包括设备尺寸、运行速度、发热、便携性、静态或动态负载的处理、电源、测量系统、真空和非磁性要求、传感器、机器控制、部件磨损和诊断。

医疗和生物研究公司以及其他涉及产品开发周期的公司可以利用技术进步来制造操作更好、成本更低、效率更高的设备和装置。例如，最近高速激光扫描技术的改进促进了哈佛医学院最新光学成像技术的发布，光学频域成像(OFDI)，据说能够提供前所未有的患者冠状动脉的超详细3D可视化。对外直接投资比其前身光学相干断层扫描技术(OCT)有了几个量级的改进，而OCT本身是15年前激光扫描技术的进步实现的。

压电电机和驱动器与激光扫描技术的改进具有类似的影响。由于医疗设备设计的固有优势，医疗设备制造商越来越多地选择使用压电电机和执行器而不是传统的电磁电机。使用压电器件的医疗应用包括超声波发射器，人工受精，医用纳米微升泵，微监测，手术设备，MRI(磁共振成像)兼容机器人，微剂量分配，细胞病理学中的细胞穿透和细胞成像，医疗材料处理，如挑选-n-place系统，药物输送设备，3D扫描，以及眼科，皮肤学和美容学中的激光束转向。

压电致动器

压电致动器(压电致动器)是一种基于压电材料在施加电场时形状变化的固态致动器。它利用压电陶瓷元件对电信号产生机械能，反过来，也能对机械刺激产生电信号。

压电材料的使用可以追溯到1881年，当时皮埃尔·居里和雅克·居里观察到石英晶体沿主轴受压时会产生电场。这个词压电源自希腊语piezein，意为挤压或按压，与施加在石英晶体上的压力所产生的电流有关。

压电陶瓷由铁电材料和石英组成。高纯度PZT(铅，锆酸盐，钛酸盐)粉末经过加工，压制成型，烧制，电极和极化。极化是利用高电场沿主轴对齐材料域实现的。压电驱动器在其基本形式提供非常小的位移，但可以产生巨大的力。位移的微小尺寸是高精度运动的基础。

对于较长的行程范围，多个执行器的巧妙安排，或单个压电元件在其谐振频率下的操作，已被证明是可行的。这些压电运动装置被称为压电电机。

最新的压电电机设计在医疗设备和设备中比电磁电机有优势。超声波压电直线电机(也称为谐振电机)和压电步进电机可以提供无限的旅行(运动)和不同的设计，规格和性能。

在超声波压电电机中，压电陶瓷材料在纳米尺度上产生高频(人耳听不清)声振动，以产生线性或旋转运动。对于较大的行程范围，特别是当需要高速时，使用超声波线性驱动器。由于分辨率高达50纳米，它们成为电磁电机主轴组合的更好替代品。超声波驱动器比传统的EM电机要小得多，并且不需要将旋转运动转换为直线运动所需的传动系统元件。

超声波压电直线电机采用一个矩形整体压电陶瓷板(定子)，在一侧由两个电极分割。根据所需的运动方向，压电陶瓷板的一个电极被激发产生数十到数百千赫兹的高频本征模振荡(振荡系统的正常振动模式之一)。附着在板上的氧化铝摩擦尖端(推子)以特征模态频率沿倾斜线性路径移动。通过与摩擦杆接触，提供微脉冲，带动机械机构的运动部分(滑块和转盘)向前或向后运动。每个振荡周期产生几纳米的步长。宏观的结果是平滑的运动与几乎无限的旅行范围。

新型超声谐振电机(如Physik Instrumente PILine模型)的特点是速度非常高，可达500毫米/秒(19.69英寸/秒;1.12英里每小时)，在一个简单，紧凑的设计。这样的马达可以产生10克的加速度。它们也非常坚硬，这是快速步进-沉降时间(几毫秒量级)的先决条件，并提供0.05µm的分辨率。

压电步进直线电机通常由几个单独的压电驱动器组成，并通过一系列协调的夹紧/松开和膨胀/收缩循环产生运动。每个延伸周期只提供几微米的运动，但以数百到数千赫兹运行，实现连续运动。尽管这些步骤是递增的，在纳米到微米的范围内，它们可以以每秒10毫米的速度移动，每秒走数千步。

与超声波压电电机相比，压电步进电机(如Physik Instrumente PiezoWalk)可以实现更高的力，最高可达700 N(155磅)和皮米(万亿分之一米)范围分辨率。分辨率已达到50皮米。该电机能够在长行程范围内执行高精度定位。当位置已经到达，它执行高动态运动跟踪，扫描，或主动振动抑制。就像超声波压电电机一样，这些运动可以在强磁场或非常低的温度下进行。

向压电器件的迁移

在光学相干层析成像中，压电电机被用于向单元的参考镜和成像光学元件传递快速周期运动。为了能够从光学干涉图案中创建二维和三维图像，光纤必须在扫描过程中同时轴向和横向移动。压电电机可以提供更精确的运动，从而提高了传统电磁电机的图像分辨率。

即时护理和医疗测试设备采用压电技术。在需要非常精细的定位和测量设备的地方，压电电机可以满足需求，它可以创造从英寸到纳米的极高精度的运动。

压电致动器开始用于透皮给药，如无针胰岛素注射系统。监测内窥镜-胃镜装置也开始使用压电装置。

生物医学微型工具，如镊子、剪刀和钻头，已经适应了由压电电机驱动的微型机器人基座。压电电机在显微外科手术和非侵入性手术工具中越来越普遍。

三维锥束成像(用于正畸治疗和治疗睡眠呼吸暂停患者，以获得口腔的精确模型，以安装口腔器械)使用压电驱动器。

共聚焦显微镜(在眼科用于保证植入物的质量)将压电电机集成到光学系统中。非常精确的光学运动需要调整焦平面和表面扫描。

电磁器件在当今医疗设备设计中的驱动机构中占主导地位。然而，在微米和纳米范围内不断增加的精度要求，以及小型化、动态流线型和抗干扰性的倾向正在推动电磁驱动系统的物理极限。压电电机正在为越来越多的医疗设备应用提供可行的实施替代方案。

Physik Instrumente L.P. (PI)生产用于光子学，纳米技术，半导体和生命科学应用的纳米定位，线性执行器和精密运动控制设备。PI开发和制造标准和定制的压电和电磁驱动精密产品超过35年。公司于1994年通过了ISO 9001认证，在全球拥有8家子公司。欲知详情，请浏览www.pi-usa.us．

吉姆·麦克马洪为斑马通信公司撰写仪器技术方面的文章;jim.mcmahon@zebracom.net．马克·霍斯克编辑，控制工程，www.globalelove.com

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机器控制通讯，控制工程．

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