超声电机的发展与应用

摘要：回顾了超声电机的发展和应用情况，叙述了超声电机的特点，总结了超声电机的分类方法，指出了超声电机技术的发展趋势。针对我国超声电机技术开发和研究现状，提出了我国超声电机产业化进程中亟待解决的一些关键问题。

关键词：超声电机;压电材料;摩擦驱动;精密定位

中图分类号：TM359.9 文献标志码：A

Development and Application of Ultrasonic Motors

Abstract: The development history and the application of the ultrasonicmotor 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 research actuality in our country.

Key words: ultrasonic motor; piezoeletric materia;friction actuating; precision positioning

1 引言

自1980年日本学者指田年生成功地制造出第一台驻波型超声电机至今，各种类型和结构的超声电机不断地被研制，其性能指标也越来越接近实际工程应用的需要。到上世纪90

年代，随着MEMS技术成为国际上的研究热点，超声电机中的微型超声电机也逐渐成为该领域的研究热点。

超声电机(ultrasonic motor,简称USM)是一种全新概念的微特电机。它的工作原理是利用压电材料的逆压电效应,激发弹性体在超声频段内微幅振动,并通过定子与转子之间的摩擦作用将其转换成转子(动子)的旋转(直线)运动。微电子机械系统(MEMS)的一个基本特征是，“尺寸在毫米到微米的范围内，区别于一般的宏，即传统的、大于1cm尺度的机械，但并非进入物理上的微观层次”[1]。MEMS的驱动器作为机械系统的核心动力源是其研究的重点和突破点。微型超声电机不仅结构灵活，而且更能满足MEMS对电机的输出力矩以及输出功率要求，它是新颖的，也是最具发展潜力的微型驱动器。事实证明，微型超声电机在航空航天、半导体工业、医疗器械等领域已经起到了电磁电机、静电电机等不可替代的作用[2]。

就目前的研究现状来说,超声电机是诸类新型电机中技术较为成熟的一种,并且在许多领域已经得到了实际应用。本文将综述超声电机技术的发展历史、特点、分类和应用情况,最后针对我国超声电机的研究现状提出几点亟待解决的关键问题。

2 超声电机的特点与分类

2.1 超声电机的特点

由于超声电机具有全新的原理和结构,因而它与传统电磁型电机比较具有许多特点。

a)优点:

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1)结构紧凑,设计灵活、转矩密度(转矩/质量比)大,可以实现电机的短、小、薄。超声电机的转矩质量比可以达到传统电磁电机的5-10。

2)低速大转矩,无需齿轮减速机构,可实现直接驱动。

3)电机运动部件(转子)的惯性小,响应快(毫秒级)。断电自锁,且具有较大的保持力矩。

4)位置和速度控制精度高,位移分辨率高,响应快。

5)不产生磁场,不受外界磁场干扰。

6)低噪声运行,噪声在45dB以下(距离电机轴端100mm处测量)。

7)如果设计合理,压电材料和摩擦材料选用适当,则可在真空、高/低温环境等极端环境下工作。

b)缺点:

1)功率输出小,效率较低。超声电机工作时存在两个能量的转换过程:一是通过逆压电效应将电能转换为定子振动的机械能;二是通过摩擦作用将定子的微幅振动转化为转子(动子)的宏观运动。这两个过程都存在着一定的能量损耗,特别是第二个过程。因此,超声电机的效率较低,输出功率小于50W。

2)寿命较短,不适合于连续运转的场合。

3)对驱动信号的要求严格,且成本较高超声电机的特点【3】。

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2.2 超声电机的分类

超声电机设计灵活、结构多样,目前尚无统一系统的分类方法。按波的传播方式分为行波型、驻波型；按运动输出方式分为旋转型、直线型；按定、转子的接触方式分为接触式、非接触式；按压电元件对定子的激振方式分为共振式、非共振式；按转子运动的自由度数分为单自由度、多自由度；按驱动点的振动位移方向相对于定子工作表面的几何关系分为面外模态、面内模态；按定子的结构形式分为板式、环式、杆式。赵淳生院士认为,超声电机是一个振动利用的典型例子,以其振动的特征来进行分类能较好地反映出超声电机的特点。按照这样的分类方法,从现有的超声电机来看,主要有五类,即:纵振电机、纵/弯电机、纵/扭电机、弯/弯电机和基于面内振动模态的超声电机【3】。

3 超声电机的研究现状

以下是对旋转型和直线型超声电机的研究状况作一些大致概括。

3.1 旋转型超声电机的研究现状

3.1.1 基于IC工艺的微型超声电机

19年加州大学伯克利分校的R.M.Moroney分别观察到了在IC工艺制造的硅膜上的多晶硅体的直线运动和旋转运动[4]。1992年麻省理工学院Anita M.Flynn等在2.2mm×2.2mm的氮化硅薄膜上沉积20nm厚的Ti层,然后沉积460nm的Pt层做为底层电极,再用溶胶-凝胶法沉淀PZT薄膜并覆盖金膜作为顶层电极,制作出微型行波超声电机[5],定子的外径为2mm,内径为 1.2 mm。平面内的电极分区如图1所示。每片电极激发出1/4波长的驻波,通过施加图1所示相位的激励电压,在薄膜面内可以激发出两个波长的行波,从而推动放置在

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薄膜面上的透镜转动。电机的转速范围为100-300r/min。

1993年瑞士学者G.-A.Racine等应用IC技术与传统加工工艺的结合制造出另一种驻波驱动型超声电机[6]。该电机的基本结构如图2所示。

图1 PZT分区 图2 弹性叶片微电机的驱动机理

IC工艺制造的微型电机尺寸小,可以把电机与驱动控制电路很好的集成起来,但工艺过程较复杂。采用薄膜定子时电场与应力场的耦合问题给理论分析带来了很大的难度,电机的输出性能很难得以保证[7]。

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3.1.2 利用悬臂梁结构驱动的微型超声电机

为了进一步简化电机的结构,1998年日本新生公司的研究人员K.Tani和M.Suzuki等开发出一种利用悬臂梁的伸缩和弯曲模态的新结构电机[8],其工作原理如图3所示。

图3 悬臂梁端面质点椭圆运动轨迹

在陶瓷片的上下表面施加交变电压,由于压电陶瓷的d31效应会导致陶瓷片长度方向的伸缩;在陶瓷片与梁的接触面的剪切力对梁中性层的弯矩同时又会激发悬臂梁的弯曲振动。对于悬臂梁的端面质点而言,水平方向与竖直方向的运动合成了质点的椭圆运动轨迹。电机的结构如图4所示[7]。

图4 悬臂梁结构的微电机

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3.1.3 利用柱体弯曲模态的微型超声电机

1998年东京大学Takeshi Morita利用水热法在金属体表面沉积压电薄膜的方法研制出一种高性能的微型超声电机。

2001年清华大学周铁英教授课题组成功研制出直径为1mm、长5mm的微型超声电机

【9】,成为当今世界上最细微的超声电机,其结构如图5所示。在压电陶瓷柱的顶部粘结定子

帽的结构设计,使整个电机加工工艺大大简化。

图5 微型压电柱电机

2002年宾州大学Burhanettin Koc又研制出一种利用中空金属柱体弯曲模态的微型超声电机,其电机定子的结构如图6所示【7】。

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图6 中空结构的微电机

3.2 直线型超声电机的研究现状

自80年始,国外一些从事超声电机技术研究的学者和科研机构就着手直线超声电机的研究。其中,日本在这方面的研究一直走在世界前列,它掌握了世界上大多数超声电机技术发明专利,已研制出多种型式的直线超声电机【10】。美国、德国、法国、英国等都不甘落后,他们己经或正在投入大批的人力、物力开发超声电机,努力追赶日本。特别是美国,MIT、Pennysyvania州立大学著名的智能材料研究所也开始从事压电材料和超声电机的研究,还有NASA设在加州理工的JPL实验室等。在德国,有University of Paderborm,Darmstadt University ofTechnology等都在研究超声电机。在英国,University of Cambridge的工程

系也在对超声电机进行研究和开发,EMS公司已开始小批量生产。在法国,有Besancon University等大学正在开发和研究超声电机。其他,如意大利、瑞士、新加坡、中国、中国等地的大学也都相继研究和开发超声电机【11】。

最早的直线超声电机是行波型直线超声电机【12】。1982年日本学者指田年生提出了两种行波型直线超声电机,一种是直梁式,另一种是环梁式。

直梁式由直线轨道与两端分别用于激振和吸振的兰杰文振子组成。利用轨道中产生单一行波来驱动移动体,其驱动机理与行波旋转型USM相同,通过交换激励振子和吸收振子的功能,可以方便地改变滑块移动方向,但是由于发射端的发射振子要激励整个传动棒,只有很小的部分是用来驱动移动块,所以其效率只有3%左右,单位力密度值极小。Mhermann、W.

Schinkothe等于1998年制作了利用定子环面内弯曲模态工作,用粘贴在环形梁下面直

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梁段处内侧的压电陶瓷激励出定子表面行波的环形行波直线超声电机。国内南航的胡伟等人在1996年成功研制了单梁式行波型直线超声电机,并对其运动机理作了初步探讨。清华大学的周铁英等人也从自校正理论的角度对该电机进行了研究,并取得了可喜的成绩。但总的来看,该种结构的电机输出驱动力很小,效率非常低而且体积较大,结构相对复杂。由此可见,行波方式不太适合直线型超声电机。因此,目前直线超声电机研究和应用多转向驻波型直线超声电机。

驻波直线超声电机可分为有单一模态、复合模态及模式转换型等,其驱动原理是:在定子上加工出齿,齿顶端点的轨迹也为椭圆,依据定子齿相对驻波位置的不同而形成左斜向上或右斜向上的碰撞力,推动定子作单向直线运动。

在1988-19年间,日本富川义郎等人先后研制了单足式驻波型直线超声电机和平板型直线超声电机;上羽贞行研制出利用四组纵振压电陶瓷片分别用于产生纵向和横向振动的双足式直线超声电机;随后,大西一正提出了π型直线超声电机(见图7),该种电机已被日本的SUN-SYU公司成功应用于X-Y定位仪上。2001年,日本东京技术学院的Cheol-Ho Yun等人研制出了一种圆柱形纵弯复合型多端子直线超声电机,该电机利用一阶纵振和二阶弯振在端子端部产生椭圆运动来驱动。与此同时,新加坡南洋理工大学的Lim等人研制了一种利用矩形板的B(5, 0)和B(6, 0)模态来驱动电机,实现滑块的正向和反向运动,试验测得其输出特性类似直流电磁电机(见图8)。韩国的Yongrae Roh, JaehwaKwon等人于2004年研制出一种由金属矩形板和四片压电片组成的复合定子型驻波直线电机,其上下表面各粘贴两片压电片且彼此间隔1/4波长,极化方向相反,依靠相位相差90°的驻波来形成椭圆运动[13]。

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图7 日本大西一正设计的π型直线超声电机

图8 南洋理工大学研制的双向驻波直线电机

在国内,南京航空航天大学首次提出了一种新型二自由度的直线超声电机,利用振子的一阶纵向振动模态和二阶弯曲振动模态工作;随后又研制了多种类型的直线超声电机,如圆柱体弯曲型行波超声电机、纵扭复合型超声电机、驻波型自校正超声电机、基于矩形压电陶瓷薄板面内振动的直线型超声电机等。图9为利用矩形薄板面内振动的直线电机。矩形压电陶瓷薄板的上部粘贴一矩形突起物,利用矩形板的一阶纵振和二阶弯曲来形成椭圆运动,运动推杆和突起物的顶部通过预压力紧密接触,突起物通过它与运动推杆之间的摩擦力来带动运动推杆作直线运动。1993年,清华大学研制了国内第一台由两个超声箝位器、一个驱动器、一根导轴组成的直线蠕动式超声电机,并成功应用于微细电火花加工装置的伺服进给控制系统; 1994年,又在国内研制出了一种利用电流变效应来实现步进功能的新型压电步进

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直线型超声电机;随后又成功研制出应用于微动台的超声电机、直径为12.6 mm的纵扭复合型超声电机、双定子中空环形行波超声电机、纵弯型直线电机、直径为1mm压电柱弯曲微型超声电机、定子直径为10mm的摇头型弯曲超声电机等,定子直径10mm的摇头型弯曲超声电机可替换佳能相机中的相应电机。其中,直径1mm的弯曲旋转电机样机是目前国际上直径最小的超声电机(见图10)【13】。

图9 基于矩形薄板面内振动的直线超声电机

图10 清华大学研制的世界上直径最小的超声电机

与此同时,哈尔滨工业大学、天津大学、华中科技大学、浙江大学、上海大学等也相继开展了直线超声电机的研究工作。1997年,哈尔滨工业大学研制出双边驱动的双足式驻波直线超声电机。1998年,华中理工大学对单π型电机进行了改进,研制了一种双π型直线超声电机,改进后的双π型结构集振动体和移动体于一身,并由磁场提供预应力,采用12层的层叠压

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电陶瓷激振,该电机驱动特性曲线呈线性,即外施电压幅值和压电体振幅,进而与电机速度成正比。同时,天津大学利用压电振子激励复合弹性材料产生倾斜振动,通过导轨表面的反作用力推动电机移动,成功研制了一种复合材料型直线超声电机。2001年,上海大学研制出了一种仿生步行小型直线超声电机,该电机采用单相电源驱动,便于无线操纵,无需辅助支持,可直立走,通过切换驱动频率便可实现直线双向运动,结构简单,便于小型化,特别适用于微小型机器人的行走驱动【13】。

4 超声电机的发展趋势

从国内外近几年的研究状况来看,许多新型直线型超声电机以及多自由度超声电机被开发和应用。除此以外,可以归纳出超声电机还有以下三个重要的发展方向:

a)研制新型摩擦材料和压电材料,以提高超声电机的寿命和对环境的适应性；

b)微型化和集成化；

c)应用于生物医学工程。

特别需要提出的是,日本Kurosawa研制的表面波超声电机的损耗比体波超声电机更小,效率更高,体积可以做得更小。目前已经研制出4mm×4mm×3mm的表面波电机。电机工作频率在10MHz-100MHz。当它作为步进电机使用时,其步距可达到亚纳米级(0.5 nm),每一步的响应时间可达0.2ms。这种高分辨率的超声电机在半导体工业、生物医学等领域有着广阔的应用前景[3]。

5 我国超声电机技术产业化所需要解决的关键问题

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a)压电材料的制备技术:作为超声电机的关键材料之一,压电元件的性能是制约着电机的机械输出特性。目前对强电场、大功率条件下超声电机对压电材料的压电性能(机械品质、d33)和力学性能(疲劳、断裂)等具体要求尚缺乏充分的理论和试验研究,也没有一定的标准。目前国内从事超声电机研究的单位都缺乏压电陶瓷材料的制备技术和设备,而专业生产厂家又不了解超声电机用压电材料的性能要求。因此,迅速开展超声电机用压电材料制备技术的研究迫在眉睫。

b)超声电机的非线性特性:超声电机的非线性特点主要体现在大功率条件下压电材料本构关系、定/转子之间的接触、驱动电路等方面。目前对超声电机及其驱动技术的理论研究尚处在线性理论的框架之类,这些研究可以让我们认识电机运行的内部机理,但是对超声电机自身存在的一些现象(比如调节过程中电机速度跳跃、突然停转等)却无法作出合理的解释。对于超声电机非线性特性的研究,建立其分析模型,对于超声电机产品性能的优化具有重要的研究意义。

c)超声电机的制造技术:超声电机利用的是微米量级、超声频域范围的机械振动,这使得超声电机具有定位精度高的优点,同时也对超声电机的超精加工提出了很高的要求,尤其是微小型超声和直线型超声电机。另外,超声电机的加工技术、压电陶瓷片的粘贴工艺等对于提高超声电机产品的一致性和稳定性也至关重要【3】。

6 结论

2007年9月,在南京航空航天大学成功举办了第四届“国际压电材料及其在作动器中的应用”研讨会,来自世界各国的压电材料和超声电机领域的知名专家共聚一堂,分享最新的研究成果。从会议交流情况来看,与国外相比,我国的超声电机技术无论在理论研究,还是在样机研制上都毫不逊色。但是在超声电机技术的应用上却与国外存在较大的差距。建议国家

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将超声电机技术研究与应用列入科技发展规划,加大超声电机产业化的力度和步伐,在实际工程应用中解决目前存在的一些问题,进一步提高产品的可靠性和稳定性。有了部门的领导和支持,通过产、学、研的共同努力,我们有理由相信,超声电机技术必将得到快速发展和广泛应用,同时必将在促进我国国防现代化和国民经济发展方面发挥作用【3】。

参考文献：

[1] 李志坚.微电子技术的又一次一微电子机械系统(MEMS)发展展望[J].科技导报，1997(9)：3-5.

[2] 赵淳生.世界超声电机技术的新进展[J].振动、测试与诊断，2004，24(1)：1-5.

[3] 赵淳生,朱华.超声电机技术的发展和应用[J].综述与展望，2008，37(3):1-9.

[4] MORONEY R M, WHITE R M, HOWE R T. Ultra-sonic micromotors [C].Montreal Canada: IEEE Ultra-

sonic Symposium, 19.745-748.

[5] FLYNN A M, TAVROW L S, BART Stephen F, etal. Piezoelectric micromotors for microrobots [J].

Journal of Microelectromechanical System, 1992, 1(1): 44-51.

[6] RACINE G A, LUTHIER R, ROOIJ N F de. Hybrid ultrasonic micromachined motors [C]. Florida: Proc.7th IEEE Int Conf Micro Electro Mechanical Systems

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Workshop, 1993·128-132.

[7] 朱华,赵淳生.微型旋转超声电机的发展和现状[J].压电与声光，2005，06-0627-04.

[8] TANI K, SUZUKI M, FURUTA K, et al. Development of a new type piezoelectric micromotor [C]. Heidelberg Germang: Proc 11th IEEE Ann Int Workshop on Micro Electro Mechnical Systems, 1998.396-401.

[9] 张凯,周铁英.三种弯曲旋转超声电机的原理及研究[J].压电与声光, 2002,24(3):191-195.

[10] 赵淳生,李朝东.日本超声电机的产业化、应用和发展[J].振动、测试与诊断, 1999, 19(1): 1-7.

[11] 金龙,朱美玲,赵淳生.国外超声马达的发展与应用[J].振动、测试与诊断, 1996, 16(1): 1-7.

[12] 许海,赵淳生.直线型超声电机的发展及应用[J].中国机械工程, 2003, 14(8): 715-717.

[13] 赵增辉,王育平,袁义坤,陈波.直线超声电机的研究与应用现状[J].电机与控制应用, 2008,35(9).

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