超聲電機的發(fā)展與應用

1、PAGE .PAGE ：.；PAGE 7超聲電機的開展及運用摘要：回想了超聲電機的開展和運用情況，表達了超聲電機的特點，總結了超聲電機的分類方法，指出了超聲電機技術的開展趨勢。針對我國超聲電機技術開發(fā)和研討現(xiàn)狀，提出了我國超聲電機產(chǎn)業(yè)化進程中亟待處理的一些關鍵問題。關鍵詞：超聲電機;壓電資料;摩擦驅(qū)動;精細定位中圖分類號：TM359.9 文獻標志碼：ADevelopment and Application of Ultrasonic MotorsAbstract: The development history and the application of the ultrasonicmoto

2、r are reviewed, and its characteristics are also summarized. A method for classifying the ultrasonic motor is proposed. The development trends of the motor is pointed out ,Some key technical problems, which have to be solved in the industrilization progress of the motor, are present according to the

3、 research actuality in our country.Key words: ultrasonic motor; piezoeletric materia;friction actuating; precision positioning引言自1980年日本學者指田年生勝利地制造出第一臺駐波型超聲電機至今，各種類型和構造的超聲電機不斷地被研制，其性能目的也越來越接近實踐工程運用的需求。到上世紀90年代，隨著MEMS技術成為國際上的研討熱點，超聲電機中的微型超聲電機也逐漸成為該領域的研討熱點。超聲電機(ultrasonic motor,簡稱USM)是一種全新概念的微特電機。它的任務

4、原理是利用壓電資料的逆壓電效應,激發(fā)彈性體在超聲頻段內(nèi)微幅振動,并經(jīng)過定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(動子)的旋轉(zhuǎn)(直線)運動。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的一個根本特征是，“尺寸在毫米到微米的范圍內(nèi)，區(qū)別于普通的宏，即傳統(tǒng)的、大于1cm尺度的機械，但并非進入物理上的微觀層次1。MEMS的驅(qū)動器作為機械系統(tǒng)的中心動力源是其研討的重點和突破點。微型超聲電機不僅構造靈敏，而且更能滿足MEMS對電機的輸出力矩以及輸出功率要求，它是新穎的，也是最具開展?jié)摿Φ奈⑿万?qū)動器?，F(xiàn)實證明，微型超聲電機在航空航天、半導體工業(yè)、醫(yī)療器械等領域曾經(jīng)起到了電磁電機、靜電電機等不可替代的作用2。就目前的研討現(xiàn)狀來說

5、,超聲電機是諸類新型電機中技術較為成熟的一種,并且在許多領域曾經(jīng)得到了實踐運用。本文將綜述超聲電機技術的開展歷史、特點、分類和運用情況,最后針對我國超聲電機的研討現(xiàn)狀提出幾點亟待處理的關鍵問題。超聲電機的特點與分類2.1 超聲電機的特點由于超聲電機具有全新的原理和構造,因此它與傳統(tǒng)電磁型電機比較具有許多特點。a)優(yōu)點:1)構造緊湊,設計靈敏、轉(zhuǎn)矩密度(轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比)大,可以實現(xiàn)電機的短、小、薄。超聲電機的轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比可以到達傳統(tǒng)電磁電機的5-10。2)低速大轉(zhuǎn)矩,無需齒輪減速機構,可實現(xiàn)直接驅(qū)動。3)電機運動部件(轉(zhuǎn)子)的慣性小,呼應快(毫秒級)。斷電自鎖,且具有較大的堅持力矩。4)位置和速度控

6、制精度高,位移分辨率高,呼應快。5)不產(chǎn)生磁場,不受外界磁場干擾。6)低噪聲運轉(zhuǎn),噪聲在45dB以下(間隔 電機軸端100mm處丈量)。7)假設設計合理,壓電資料和摩擦資料選用適當,那么可在真空、高/低溫環(huán)境等極端環(huán)境下任務。b)缺陷:1)功率輸出小,效率較低。超聲電機任務時存在兩個能量的轉(zhuǎn)換過程:一是經(jīng)過逆壓電效應將電能轉(zhuǎn)換為定子振動的機械能;二是經(jīng)過摩擦作用將定子的微幅振動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子(動子)的宏觀運動。這兩個過程都存在著一定的能量損耗,特別是第二個過程。因此,超聲電機的效率較低,輸出功率小于50W。2)壽命較短,不適宜于延續(xù)運轉(zhuǎn)的場所。3)對驅(qū)動信號的要求嚴厲,且本錢較高超聲電機的特點【3

7、】。2.2 超聲電機的分類超聲電機設計靈敏、構造多樣,目前尚無一致系統(tǒng)的分類方法。按波的傳播方式分為行波型、駐波型；按運動輸出方式分為旋轉(zhuǎn)型、直線型；按定、轉(zhuǎn)子的接觸方式分為接觸式、非接觸式；按壓電元件對定子的激振方式分為共振式、非共振式；按轉(zhuǎn)子運動的自在度數(shù)分為單自在度、多自在度；按驅(qū)動點的振動位移方向相對于定子任務外表的幾何關系分為面外模態(tài)、面內(nèi)模態(tài)；按定子的構造方式分為板式、環(huán)式、桿式。趙淳生院士以為,超聲電機是一個振動利用的典型例子,以其振動的特征來進展分類能較好地反映出超聲電機的特點。按照這樣的分類方法,從現(xiàn)有的超聲電機來看,主要有五類,即:縱振電機、縱/彎電機、縱/扭電機、彎/彎電

8、機和基于面內(nèi)振動模態(tài)的超聲電機【3】。超聲電機的研討現(xiàn)狀以下是對旋轉(zhuǎn)型和直線型超聲電機的研討情況作一些大致概括。3.1 旋轉(zhuǎn)型超聲電機的研討現(xiàn)狀3.1.1 基于IC工藝的微型超聲電機1989年加州大學伯克利分校的R.M.Moroney分別察看到了在IC工藝制造的硅膜上的多晶硅體的直線運動和旋轉(zhuǎn)運動4。1992年麻省理工學院Anita M.Flynn等在2.2mm2.2mm的氮化硅薄膜上堆積20nm厚的Ti層,然后堆積460nm的Pt層做為底層電極,再用溶膠-凝膠法沉淀PZT薄膜并覆蓋金膜作為頂層電極,制造出微型行波超聲電機5,定子的外徑為2mm,內(nèi)徑為 1.2 mm。平面內(nèi)的電極分區(qū)如圖1所示

9、。每片電極激發(fā)出1/4波長的駐波,經(jīng)過施加圖1所示相位的鼓勵電壓,在薄膜面內(nèi)可以激發(fā)出兩個波長的行波,從而推進放置在薄膜面上的透鏡轉(zhuǎn)動。電機的轉(zhuǎn)速范圍為100-300r/min。1993年瑞士學者G.-A.Racine等運用IC技術與傳統(tǒng)加工工藝的結合制造出另一種駐波驅(qū)動型超聲電機6。該電機的根本構造如圖2所示。 圖1 PZT分區(qū) 圖2 彈性葉片微電機的驅(qū)動機理IC工藝制造的微型電機尺寸小,可以把電機與驅(qū)動控制電路很好的集成起來,但工藝過程較復雜。采用薄膜定子時電場與應力場的耦合問題給實際分析帶來了很大的難度,電機的輸出性能很難得以保證7。3.1.2 利用懸臂梁構造驅(qū)動的微型超聲電機為了進一步

10、簡化電機的構造,1998年日本新生公司的研討人員K.Tani和M.Suzuki等開發(fā)出一種利用懸臂梁的伸縮和彎曲模態(tài)的新構造電機8,其任務原理如圖3所示。圖3懸臂梁端面質(zhì)點橢圓運動軌跡在陶瓷片的上下外表施加交變電壓,由于壓電陶瓷的d31效應會導致陶瓷片長度方向的伸縮;在陶瓷片與梁的接觸面的剪切力對梁中性層的彎矩同時又會激發(fā)懸臂梁的彎曲振動。對于懸臂梁的端面質(zhì)點而言,程度方向與豎直方向的運動合成了質(zhì)點的橢圓運動軌跡。電機的構造如圖4所示7。圖4懸臂梁構造的微電機3.1.3 利用柱體彎曲模態(tài)的微型超聲電機1998年東京大學Takeshi Morita利用水熱法在金屬體外表堆積壓電薄膜的方法研制出一

11、種高性能的微型超聲電機。2001年清華大學周鐵英教授課題組勝利研制出直徑為1mm、長5mm的微型超聲電機【9】,成為當今世界上最細微的超聲電機,其構造如圖5所示。在壓電陶瓷柱的頂部粘結定子帽的構造設計,使整個電機加工工藝大大簡化。圖5微型壓電柱電機2002年賓州大學Burhanettin Koc又研制出一種利用中空金屬柱體彎曲模態(tài)的微型超聲電機,其電機定子的構造如圖6所示【7】。圖6中空構造的微電機3.2 直線型超聲電機的研討現(xiàn)狀自80年代開場,國外一些從事超聲電機技術研討的學者和科研機構就著手直線超聲電機的研討。其中,日本在這方面的研討不斷走在世界前列,它掌握了世界上大多數(shù)超聲電機技術發(fā)明專

12、利,已研制出多種型式的直線超聲電機【10】。美國、德國、法國、英國等都不甘落后,他們己經(jīng)或正在投入大批的人力、物力開發(fā)超聲電機,努力追逐日本。特別是美國,MIT、Pennysyvania州立大學著名的智能資料研討所也開場從事壓電資料和超聲電機的研討,還有NASA設在加州理工的JPL實驗室等。在德國,有University of Paderborm,Darmstadt University ofTechnology等都在研討超聲電機。在英國,University of Cambridge的工程系也在對超聲電機進展研討和開發(fā),EMS公司已開場小批量消費。在法國,有Besancon Universi

13、ty等大學正在開發(fā)和研討超聲電機。其他,如意大利、瑞士、新加坡、中國香港、中國臺灣等地的大學也都相繼研討和開發(fā)超聲電機【11】。最早的直線超聲電機是行波型直線超聲電機【12】。1982年日本學者指田年生提出了兩種行波型直線超聲電機,一種是直梁式,另一種是環(huán)梁式。直梁式由直線軌道與兩端分別用于激振和吸振的蘭杰文振子組成。利用軌道中產(chǎn)生單一行波來驅(qū)動挪動體,其驅(qū)動機理與行波旋轉(zhuǎn)型USM一樣,經(jīng)過交換鼓勵振子和吸收振子的功能,可以方便地改動滑塊挪動方向,但是由于發(fā)射端的發(fā)射振子要鼓勵整個傳動棒,只需很小的部分是用來驅(qū)動挪動塊,所以其效率只需3%左右,單位力密度值極小。Mhermann、W.Schin

14、kothe等于1998年制造了利用定子環(huán)面內(nèi)彎曲模態(tài)任務,用粘貼在環(huán)形梁下面直梁段處內(nèi)側的壓電陶瓷鼓勵出定子外表行波的環(huán)形行波直線超聲電機。國內(nèi)南航的胡偉等人在1996年勝利研制了單梁式行波型直線超聲電機,并對其運動機理作了初步討論。清華大學的周鐵英等人也從自校正實際的角度對該電機進展了研討,并獲得了可喜的成果。但總的來看,該種構造的電機輸出驅(qū)動力很小,效率非常低而且體積較大,構造相對復雜。由此可見,行波方式不太適宜直線型超聲電機。因此,目前直線超聲電機研討和運用多轉(zhuǎn)向駐波型直線超聲電機。駐波直線超聲電機可分為有單一模態(tài)、復合模態(tài)及方式轉(zhuǎn)換型等,其驅(qū)動原理是:在定子上加工出齒,齒頂端點的軌跡也

15、為橢圓,根據(jù)定子齒相對駐波位置的不同而構成左斜向上或右斜向上的碰撞力,推進定子作單向直線運動。在1988-1989年間,日本富川義郎等人先后研制了單足式駐波型直線超聲電機和平板型直線超聲電機;上羽貞行研制出利用四組縱振壓電陶瓷片分別用于產(chǎn)生縱向和橫向振動的雙足式直線超聲電機;隨后,大西一正提出了型直線超聲電機(見圖7),該種電機已被日本的SUN-SYU公司勝利運用于X-Y定位儀上。2001年,日本東京技術學院的Cheol-Ho Yun等人研制出了一種圓柱形縱彎復合型多端子直線超聲電機,該電機利用一階縱振和二階彎振在端子端部產(chǎn)生橢圓運動來驅(qū)動。與此同時,新加坡南洋理工大學的Lim等人研制了一種利

16、用矩形板的B(5, 0)和B(6, 0)模態(tài)來驅(qū)動電機,實現(xiàn)滑塊的正向和反向運動,實驗測得其輸出特性類似直流電磁電機(見圖8)。韓國的Yongrae Roh, JaehwaKwon等人于2004年研制出一種由金屬矩形板和四片壓電片組成的復合定子型駐波直線電機,其上下外表各粘貼兩片壓電片且彼此間隔1/4波長,極化方向相反,依托相位相差90的駐波來構成橢圓運動13。圖7日本大西一正設計的型直線超聲電機圖8南洋理工大學研制的雙向駐波直線電機在國內(nèi),南京航空航天大學初次提出了一種新型二自在度的直線超聲電機,利用振子的一階縱向振動模態(tài)和二階彎曲振動模態(tài)任務;隨后又研制了多種類型的直線超聲電機,如圓柱體彎

17、曲型行波超聲電機、縱扭復合型超聲電機、駐波型自校正超聲電機、基于矩形壓電陶瓷薄板面內(nèi)振動的直線型超聲電機等。圖9為利用矩形薄板面內(nèi)振動的直線電機。矩形壓電陶瓷薄板的上部粘貼一矩形突起物,利用矩形板的一階縱振和二階彎曲來構成橢圓運動,運動推桿和突起物的頂部經(jīng)過預壓力嚴密接觸,突起物經(jīng)過它與運動推桿之間的摩擦力來帶動運動推桿作直線運動。1993年,清華大學研制了國內(nèi)第一臺由兩個超聲箝位器、一個驅(qū)動器、一根導軸組成的直線蠕動式超聲電機,并勝利運用于微細電火花加工安裝的伺服進給控制系統(tǒng); 1994年,又在國內(nèi)研制出了一種利用電流變效應來實現(xiàn)步進功能的新型壓電步進直線型超聲電機;隨后又勝利研制出運用于微

18、動臺的超聲電機、直徑為12.6 mm的縱扭復合型超聲電機、雙定子中空環(huán)形行波超聲電機、縱彎型直線電機、直徑為1mm壓電柱彎曲微型超聲電機、定子直徑為10mm的搖頭型彎曲超聲電機等,定子直徑10mm的搖頭型彎曲超聲電機可交換佳能相機中的相應電機。其中,直徑1mm的彎曲旋轉(zhuǎn)電機樣機是目前國際上直徑最小的超聲電機(見圖10)【13】。圖9基于矩形薄板面內(nèi)振動的直線超聲電機圖10清華大學研制的世界上直徑最小的超聲電機與此同時,哈爾濱工業(yè)大學、天津大學、華中科技大學、浙江大學、上海大學等也相繼開展了直線超聲電機的研討任務。1997年,哈爾濱工業(yè)大學研制出雙邊驅(qū)動的雙足式駐波直線超聲電機。1998年,華中

19、理工大學對單型電機進展了改良,研制了一種雙型直線超聲電機,改良后的雙型構造集振動體和挪動體于一身,并由磁場提供預應力,采用12層的層疊壓電陶瓷激振,該電機驅(qū)動特性曲線呈線性,即外施電壓幅值和壓電體振幅,進而與電機速度成正比。同時,天津大學利用壓電振子鼓勵復合彈性資料產(chǎn)生傾斜振動,經(jīng)過導軌外表的反作用力推進電機挪動,勝利研制了一種復合資料型直線超聲電機。2001年,上海大學研制出了一種仿生步行小型直線超聲電機,該電機采用單相電源驅(qū)動,便于無線支配,無需輔助支持,可直立走,經(jīng)過切換驅(qū)動頻率便可實現(xiàn)直線雙向運動,構造簡單,便于小型化,特別適用于微小型機器人的行走驅(qū)動【13】。超聲電機的開展趨勢從國內(nèi)

20、外近幾年的研討情況來看,許多新型直線型超聲電機以及多自在度超聲電機被開發(fā)和運用。除此以外,可以歸納出超聲電機還有以下三個重要的開展方向:a)研制新型摩擦資料和壓電資料,以提高超聲電機的壽命和對環(huán)境的順應性；b)微型化和集成化；c)運用于生物醫(yī)學工程。特別需求提出的是,日本Kurosawa研制的外表波超聲電機的損耗比體波超聲電機更小,效率更高,體積可以做得更小。目前曾經(jīng)研制出4mm4mm3mm的外表波電機。電機任務頻率在10MHz-100MHz。當它作為步進電機運用時,其步距可到達亞納米級(0.5 nm),每一步的呼應時間可達0.2ms。這種高分辨率的超聲電機在半導體工業(yè)、生物醫(yī)學等領域有著寬廣

21、的運用前景3。我國超聲電機技術產(chǎn)業(yè)化所需求處理的關鍵問題a)壓電資料的制備技術:作為超聲電機的關鍵資料之一,壓電元件的性能是制約著電機的機械輸出特性。目前對強電場、大功率條件下超聲電機對壓電資料的壓電性能(機械質(zhì)量、d33)和力學性能(疲勞、斷裂)等詳細要求尚缺乏充分的實際和實驗研討,也沒有一定的規(guī)范。目前國內(nèi)從事超聲電機研討的單位都缺乏壓電陶瓷資料的制備技術和設備,而專業(yè)消費廠家又不了解超聲電機用壓電資料的性能要求。因此,迅速開展超聲電機用壓電資料制備技術的研討迫在眉睫。b)超聲電機的非線性特性:超聲電機的非線性特點主要表達在大功率條件下壓電資料本構關系、定/轉(zhuǎn)子之間的接觸、驅(qū)動電路等方面。

22、目前對超聲電機及其驅(qū)動技術的實際研討尚處在線性實際的框架之類,這些研討可以讓我們認識電機運轉(zhuǎn)的內(nèi)部機理,但是對超聲電機本身存在的一些景象(比如調(diào)理過程中電機速度騰躍、忽然停轉(zhuǎn)等)卻無法作出合理的解釋。對于超聲電機非線性特性的研討,建立其分析模型,對于超聲電機產(chǎn)品性能的優(yōu)化具有重要的研討意義。c)超聲電機的制造技術:超聲電機利用的是微米量級、超聲頻域范圍的機械振動,這使得超聲電機具有定位精度高的優(yōu)點,同時也對超聲電機的超精加工提出了很高的要求,尤其是微小型超聲和直線型超聲電機。另外,超聲電機的加工技術、壓電陶瓷片的粘貼工藝等對于提高超聲電機產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性也至關重要【3】。結論2007年9月

23、,在南京航空航天大學勝利舉行了第四屆“國際壓電資料及其在作動器中的運用研討會,世界各國的壓電資料和超聲電機領域的知名專家共聚一堂,分享最新的研討成果。從會議交流情況來看,與國外相比,我國的超聲電機技術無論在實際研討,還是在樣機研制上都毫不遜色。但是在超聲電機技術的運用上卻與國外存在較大的差距。建議國家將超聲電機技術研討與運用列入科技開展規(guī)劃,加大超聲電機產(chǎn)業(yè)化的力度和步伐,在實踐工程運用中處理目前存在的一些問題,進一步提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。有了政府部門的指點和支持,經(jīng)過產(chǎn)、學、研的共同努力,我們有理由置信,超聲電機技術必將得到快速開展和廣泛運用,同時必將在促進我國國防現(xiàn)代化和國民經(jīng)濟開展方

24、面發(fā)揚作用【3】。參考文獻：1 李志堅.微電子技術的又一次革命一微電子機械系統(tǒng)(MEMS)開展展望J.科技導報，1997(9)：3-5.2 趙淳生.世界超聲電機技術的新進展J.振動、測試與診斷，2004，24(1)：1-5.3 趙淳生,朱華.超聲電機技術的開展和運用J.綜述與展望，2021，37(3):1-9.4MORONEY R M, WHITE R M, HOWE R T. Ultra-sonic micromotors C.Montreal Canada: IEEE Ultra-sonic Symposium, 1989.745-748.5FLYNN A M, TAVROW L S, B