超声电机的发展与应用

超声电机的发展及应用摘要：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：ADevelopmentandApplicationofUltrasonicMotorsAbstract:Thedevelopmenthistoryandtheapplicationoftheultrasonicmotorarereviewed,anditscharacteristicsarealsosummarized.Amethodforclassifyingtheultrasonicmotorisproposed.Thedevelopmenttrendsofthemotorispointedout,Somekeytechnicalproblems,whichhavetobesolvedintheindustrilizationprogressofthemotor,arepresentaccordingtotheresearchactualityinourcountry.Keywords:ultrasonicmotor;piezoeletricmateria;frictionactuating;precisionpositioning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(ultrasonicmotor,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]。竞就目前的研店究现状来说陕,超声电机艳是诸类新型里电机中技术师较为成熟的资一种,并且社在许多领域淹已经得到了蒜实际应用。虑本文将综述冤超声电机技吵术的发展历层史、特点、港分类和应用失情况,最后决针对我国超扛声电机的研楼究现状提出量几点亟待解需决的关键问码题壳。亲超声电机的刘特点止与分类白2敏.1搂晌超声电机的援特点骄由于超声电涌机具有全新弯的原理和结毯构,因而它持与传统电磁世型电机比较像具有许多特是点。a)优点:悦1)结构紧列凑,设计灵塔活、转矩密伟度(转矩/尘质量比)大挑,可以实现漠电机的短、缸小、薄。超孝声电机的转装矩质量比可仰以达到传统饱电磁电机的施5-井10。舅2)低速大雪转矩,无需痛齿轮减速机鸦构,可实现描直接驱动。朝3)电机运联动部件(转进子)的惯性孕小,响应快环(毫秒级)莫。断电自锁顷,且具有较矿大的保持力债矩。避4)位置和辜速度控制精辣度高,位移视分辨率高,总响应快。瓦5)不产生仇磁场,不受壳外界磁场干恶扰。横6)低噪声借运行,噪声柳在披45臭dB以下(著距离电机轴答端100m筝m处测量)材。抓7)如果设片计合理,压脆电材料和摩议擦材料选用乘适当,则可晕在真空、高形/低温环境等等极端环境瞒下工作。b)缺点:捉1)功率输躺出小,效率针较低。超声血电机工作时桶存在两个能扣量的转换过乡程:一是通售过逆压电效僚应将电能转左换为定子振愁动的机械能顿;二是通过绍摩擦作用将疾定子的微幅珍振动转化为娇转子(动子椅)的宏观运佩动。这两个进过程都存在支着一定的能季量损耗,特蛇别是第二个赵过程。因此倾,超声电机公的效率较低归,输出功率嫩小于50W陶。则2)寿命较然短,不适合锅于连续运转箩的场合。阳3)对驱动米信号的要求题严格,且成务本较高超声退电机的特点凯【3】翠。盯2吹.局2吼辩超声电机的使分类鞭超声电机设抵计灵活、结及构多样,目脆前尚无统一朝系统的分类姐方法。掀按在波的传播方腾式狭分为签行波型、驻稳波型蕉；按辣运动输出方犬式舟分为蒜旋转型、直洋线型圆；按据定、转子的匹接触方式卸分为进接触式、非招接触式女；按碌压电元件对电定子的激振锋方式谣分为酱共振式、非湖共振式改；按捆转子运动的床自由度数粮分为碗单自由度、善多自由度较；按蚊驱动点的振雅动位移方向婶相对于定子寸工作表面的索几何关系摆分为嚼面外模态、标面内模态龄；按偿定子的结构点形式撑分为聋板式、环式据、杆式泥。赵淳生院蚂士恰认为,超声鼠电机是一个讲振动利用的富典型扭例子,以其爸振动的特征均来进行分类拴能较好地反灰映出超声电蚁机的特点。败按照这样的键分类方法,金从现有的超循声电机来看浩,主要有五俩类,即:纵召振电机、纵盈/弯电机、扭纵/扭电机已、弯/弯电全机和基于面捕内振动模态依的超声电机放【3】全。障超声电机的作研究现状脊以下是对旋宵转型和直线兰型超声电机销的研究状况摆作一些大致议概括。醒3外.1粉谊旋转型型超声电机的才研究现状寒3容.1.1族巧基于IC工州艺的微型超左声电机兰1989年蓄加州大学伯封克利分校的比R玩.羡M弱.邮Moron屿ey分别观黑察到了在I帝C工艺制造惰的硅膜上的轻多晶硅体的券直线运动和颜旋转运动贷[4]侄。1992沸年麻省理工狱学院Ani除taM进.柱Flynn她等在2伐.命2朗mm哄×党2培.念2职mm的氮化宋硅薄膜上沉红积晃20续nm厚的T果i层,然后勿沉积暮460避nm的Pt浓层做为底层狐电极,再用黑溶胶-凝胶浇法沉淀PZ菊T薄膜并覆何盖金膜作为裹顶层电极,车制作出微型咬行波超声电斩机腹[5]梨,定子的外吴径为秤2优mm,内径赏为1榆.抄2mm。钢平面内的电撑极分区如图诊1所示。每制片电极激发示出1/4波乌长的驻波,域通过施加图俩1所示相位辜的激励电压博,在薄膜面贷内可以激发愁出两个波长责的行波,从服而推动放置失在薄膜面上海的透镜转动圾。电机的转崇速范围为1士00拥-定3兼00择r/min稿。埋1993年木瑞士学者G愉.毙-A石.牲Racin务e等应用I屋C技术与传图统加工工艺久的结合制造悼出另一种驻约波驱动型超取声电机姥[6]拍。该电机的暴基本结构如讽图2所示。孩宫讲图桌1己昌PZT画分区停到叔旅稳持更图稠2博图存弹性叶片微咐电机的驱动股机理栗IC工艺制巴造的微型电清机尺寸小,眨可以把电机毁与驱动控制看电路很好的断集成起来,赔但工艺过程温较复杂。采浙用薄膜定子卡时电场与应驴力场的耦合录问题给理论沟分析带来了主很大的难度忽,电机的输赤出性能很难究得以保证斤[7]摊。妇3己.1.钓2腔搭利用悬臂梁令结构驱动的谅微型超声电眉机幕为了进一步铅简化电机的割结构,19白98年日本硬新生公司的优研究人员K捎.轰Tani和帅M切.潜Suzuk创i等开发出伸一种利用悬修臂梁的伸缩笨和弯曲模态滑的新结构电盯机荷[8]第,其工作原刚理如图3所征示。乞图踏3秩悬臂梁端碗面质点椭圆滑运动轨迹河在陶瓷片的类上下表面施毫加交变电压膨,由于压电旗陶瓷的d3外1效应会导级致陶瓷片长独度方向的伸支缩;在陶瓷握片与梁的接改触面的剪切拿力对梁中性覆层的弯矩同支时又会激发潮悬臂梁的弯套曲振动。对本于悬臂梁的忠端面质点而价言,水平方斤向与竖直方生向的运动合叫成了质点的艺椭圆运动轨饰迹。电机的送结构如图4聪所示汤[7]疼。半图间4客悬臂梁结卧构的微电机熊3董.痒1.垦3首异利用柱体弯杏曲模态的微徒型超声电机疑1998年慨东京大学T班akesh形iMor碰ita利用桂水热法在金龄属体表面沉促积压电薄膜敏的方法研制蛙出一种高泻性阿能的微型超燥声电机播。夸2001年掘清华大学周滔铁英教授课疤题组成功研归制出直径为尊1阁mm、长解5括mm的微型保超声电机搁【9】咐,成为当今拼世界上最细秃微的超声电蛾机,其结构俭如图淡5继所示。在压保电陶瓷柱的宽顶部粘结定说子帽的结构门设计,使整仗个电机加工经工艺大大简顺化。脾图润5李微型压电伯柱电机洒2002年赔宾州大学B里urhan妥ettin指Koc又幼研制出一种汗利用中空金洽属柱体弯曲挂模态的微型续超声电机,鹿其电机定子萍的结构如图身6敏所示柜【7】显。犯图邪6肠中空结构窃的微电机洗3篮.肆2川币直线青型屈超声电机的央研究现状专自80年代棵开始,国外酬一些从事超誓声电机技术商研究的学者罚和科研机构劣就着手直线块超声电机的圣研究。其中灿,日本在这苹方面的研究诊一直走在世汪界前列,它旷掌握了世界玻上大多数超雪声电机技术化发明专利,射已研制出多座种型式的直铁线超声电机弯【10】专。美国、德叨国、法国、弯英国等都不亭甘落后,他陡们己经或正佳在投入大批离的人力、物劈力开发超声怖电机,努力哨追赶日本。萄特别是美国满,MIT、涨Penny水syvan芬ia州立大隐学著名的智窝能材料研究我所也开始从娘事压电材料王和超声电机勿的研究,还着有NASA怠设在加州理用工的JPL糠实验室等。原在德国,有伟Unive匆rsity言ofP剩aderb肺orm,D法armst啄adt缝以Unive夕rsity徒ofTe窑chnol蹦ogy等都任在研究超声伪电机。在英删国,Uni携versi裤tyof陕泛Cambr蛾idge的券工程词系也在对超抹声电机进行鸣研究和开发晌,EMS公委司已开始小辈批量生产。暂在法国,有引Besan蛙con逢毛Unive治rsity洗等大学正在笼开发和研究尝超声电机。莲其他,如意眨大利、瑞士片、新加坡、棉中国香港、柄中国台湾等妨地的大学也剂都相继研究椒和开发超声银电机锐【11】吧。享最早的直线阅超声电机是慨行波型直线蝇超声电机遗【12】身。1982露年日本学者张指田年生提烟出了两种行罢波型直线超筛声电机,一简种是直梁式贷,另一种是淡环梁式。鹅直梁式案由直线轨道迁与两端分别敞用于激振和孕吸振的兰杰秧文振子组成肝。利用轨道笼中产生单一企行波来驱动膊移动体,其碌驱动机理与花行波旋转型漠USM相同镇,通过交换绒激励振子和务吸收振子的残功能,可以肾方便地改变麦滑块移动方错向,但是由村于发射端的翻发射振子要锅激励整个传奶动棒,只有宁很小的部分拼是用猫来黄驱动移动块育,所以其效筑率只有3%惯左右,单位腔力密度值极旷小。Mhe要rmann辩、W.语Schin井kothe毁等于199增8年制作了蓄利用定子环叨面内弯曲模佩态工作,用度粘贴在环形树梁下面直梁农段处内侧的追压电陶瓷激羽励出定子表箭面行波的环淹形行波直线线超声电机。谎国内南航的滨胡伟等人在羊1996年当成功研制了踩单梁式行波纹型直线超声苹电机,并对矛其运动机理该作了初步探授讨。清华大畜学的周铁英释等人也从自踢校正理论的飞角度对该电给机进行了研王究,并取得湾了可喜的成语绩。但总的版来看,该种赶结构的电机原输出驱动力受很小,效率越非常低而且纯体积较大,裤结构相对复适杂。由此可蛇见,行波方持式不太适合越直线型超声认电机。因此慈,目前直线盾超声电机研铅究和应用多散转向驻波型场直线超声电若机。馋驻波直线超价声电机可分翁为有单一模赖态、复合模扬态及模式转爽换型等,其染驱动原理是剂:在定子上礼加工出齿,烟齿顶端点的席轨迹也为椭找圆,依据定幕子齿相对驻惑波位置的不御同而形成左礼斜向上或右博斜向上的碰雁撞力,推动痛定子作单向牺直线运动诞。磁在娱1988-车1989年蔽间,日本富盛川义郎等人编先后研制了驱单足式驻波冻型直线超声些电机和平板大型直线超声下电机;上羽酒贞行研制出笋利用四组纵比振压电陶瓷繁片分别用于琴产生纵向和狱横向振动的厅双足式直线嫁超声电机;季随后,大西长一正提出了砍π驼型直线超声街电机(见图且7矮),该种电扔机已被日本豆的SUN-饮SYU公司涝成功应用于月X-Y定位轮仪上。20粘01年,日往本东京技术渗学院的Ch汪eol-H耍oYun贤等人研制出驱了一种圆柱雷形纵弯复合陡型多端子直糕线超声电机减,该电机利猛用一阶纵振受和二阶弯振兴在端子端部很产生椭圆运拖动来驱动。姨与此同时,兰新加坡南洋贵理工大学的东Lim等人风研制了一种来利用矩形板钻的B(5,谁0)和B黎(6,0段)模态来驱谷动电机,实川现滑块的正悠向和反向运幕动,试验测兵得其输出特只性类似直流庸电磁电机(朋见图富8吉)。韩国的肾Yongr突aeRo碑h,Ja赢ehwaK兰won踪等人于20特04年研制益出一种由金在属矩形板和京四片压电片现组成的复合妻定子型驻波腿直线电机,逼其上下表面印各粘贴两片洗压电片且彼鹿此间隔1/椒4波长,极盗化方向相反获,依靠相位俗相差90主°童的驻波来形英成椭圆运动卖[13]沸。拣图装7然日本大西太一正设计的辅π侮型直线超声严电机谷图诊8统南洋理工记大学研制的倍双向驻波直岗线电机违在国内,南许京航空航天斩大学首次提流出了一种新颤型二自由度返的直线超声福电机,利用缓振子的一阶惠纵向振动模爸态和二阶弯乒曲振动模态驴工作;随后搏又研制了多陵种类型的直睁线超声电机夏,如圆柱体自弯曲型行波纱超声电机、瓶纵扭复合型茶超声电机、酬驻波型自校爽正超声电机返、基于矩形悼压电陶瓷薄艳板面内歌振灰动的直线型存超声电机等集。图级9呼为利用矩形合薄板面内振被动的直线电虑机。矩形压怠电陶瓷薄板渔的上部粘贴库一矩形突起讯物,利用矩任形板的一阶已纵振和二阶编弯曲来形成树椭圆运动,奔运动推杆和事突起物的顶金部通过预压咸力紧密接触白,突起物通斑过它与运动取推杆之间的蛙摩擦力来带请动运动推杆赤作直线运动枪。1993塞年,清华大祖学研制了国趁内第一台由熄两个超声箝爱位器、一个琴驱动器、一迁根导轴组成忘的直线蠕动谎式超声电机纲,并成功应再用于微细电船火花加工装恒置的伺服进搂给控制系统慧;199型4年,又在少国内研制出狐了一种利用痛电流变效应叛来实现步进壁功能的新型国压电步进直沸线型超声电残机;随后又买成功研制出迫应用于微动抬台的超声电右机、直径为视12.像6mm的亚纵扭复合型杯超声电机、史双定子中空晚环形行波超城声电机、纵突弯型直线电瓣机、直径为葱1谈mm压电柱熔弯曲微型超培声电机、定霸子直径为巡10龄mm的摇头稍型弯曲超声冠电机等,定隐子直径裂10自mm的摇头羊型弯曲超声抢电机可替换僚佳能相机中蠢的相应电机尿。其中,直反径奇1禾mm的弯曲维旋转电机样符机是目前国诊际上直径最辆小的超声电窝机(见图弃10稿)决【13】蜜。激图柿9搞基于矩形企薄板面内振医动的直线超增声电机平图脑10煎清华大学负研制的世界翁上直径最小异的超声电机捐与此同时,担哈尔滨工业苗大学、天津圈大学、华中自科技大学、赚浙江大学、粒上海大学等奸也相继开展落了直线超声蹄电机的研究偏工作。19甜97年,哈状尔滨工业大谈学研制出双贱边驱动的双漫足式驻波直示线超声电机割。1998洞年,华中理且工大学对单来π放型电机进行新了改进,研闯制了一种双验π伟型直线超声露电机,改进劳后的双蹈π呜型结构集振隆动体和移动毅体于一身,义并由磁场提片供预应力,蜂采用12层乓的层叠压电键陶瓷激振,级该电机驱动拉特性曲线呈回线性,即外家施电压幅值患和压电体振尖幅,进而与意电机速度成食正比。同时告,天津大学至利用压电振鸡子激励复合叛弹性材料产宗生倾斜振动理,通过导轨介表面的反作胜用力推动电铅机移动,成眼功研制了一荒种复合材料趴型直线超声走电机。20榴01年,上缸海大学研制平出了一种仿券生步行小型静直线超声电蜡机,该电机输采用单相电芳源驱动,便遵于无线操纵衫,无需辅助衡支持,可直夕立走,通过具切换驱动频淹率便可实现稠直线双向运片动,结构简据单,便于小慧型化,特别肆适用于微小委型机器人的废行走驱动较【13】瓶。较超声电机的朗发展趋势贱从国内外近倚几年的研究恶状况来看,竖许多新型直淋线型超声电干机以及多自势由度超声电换机被开发和擦应用。除此鸡以外,可以初归纳出超声始电机还有以始下三个重要汽的发展方向觉:椒a)研制新呀型摩擦材料尾和压电材料绿,以提高超戒声电机的寿展命和对环境缩的适应性至；卸b)微型化硬和集成化削；魂c)应用于摩生物医学工鞭程东。嫂特别需要提仰出的是,日省本Kuro疏sawa研哗制的表面波贯超声电机的须损耗比体波膏超声电机更般小,效率更册高,体积可韵以做得更小歌。目前已经孟研制出眨4氧mm镰×杜4锄mm唐×踪3追mm的表面评波电机。电启机工作频率滔在败10MHz益-朋100MH捎z。当它作验为步进电机妨使用时,其优步距可达到够亚纳米级水(0.餐5nm)郊,每一步的死响应时间可穷达岩0.2ms字。这种高分脉辨率的超声衰电机在半导险体工业、生覆物医学等领哪域有着广阔捡的应用前景然[3]捡。博我国超声电取机技术产业队化所需要解贯决的关键问鹅题键a)压电材魄料的制备技叠术:作为超投声电机的关柄键材料之一俩,压电元件川的性能是制走约着电机的理机械输出特研性。目前对胃强电场、大晋功率条件下闻超声电机对萍压电材料的拼压电性能(压机械品质、参d33)和迹力学性能(似疲劳、断裂飘)等具体要巧求尚缺乏充渔分的理论和描试验研究,劝也没有一定湿的标准。目丝前国内从事诵超声电机研锻究的单位都首缺乏压电陶层瓷材料的制再备技术和设受备,而专业零生产厂家又绣不了解超声风电机用压电桶材料的性能宅要求。因此娱,迅速开展咸超声电机用魄压电材料制砌备技术的研享究迫在眉睫奉。组b)超声电阀机的非线性便特性:超声体电机的非线喉性特点主要功体现在大功肺率条件下压还电材料本构想关系、定/寇转子之间的先接触、驱动秧电路等方面宾。目前对超乌声电机及其模驱动技术的驴理论研究尚候处在线性理谁论的框架之辟类,这些研泛究可以让我竹们认识电机畅运行的内部吹机理,但是引对超声电机旷自身存在的翠一些现象(绵比如调节过狱程中电机速抬度跳跃、突匪然停转等)丘却无法作出谷合理的解释却。对于超声表电机非线性低特性的研究蝇,建立其分衰析模型,对肌于超声电机笛产品性能的外优化具有重素要的研究意就义。霞c)超声电至机的制造技梅术:超声电场机利用的是代微米量级、眼超声频域范板围的机械振边动,这使得租超声电机具浴有定位精度扶高的优点,巾同时也对超拆声电机的超费精加工提出公了很高的要许求,尤其是库微小型超声屑和直线型超叛声电机。另绢外,超声电骗机的加工技器术、压电陶饶瓷片的粘贴痕工艺等对于俩提高超声电简机产品的一出致性和稳定版性也至关重远要味【3】巡。结论烟2007年揉9月,在南床京航空航天仓大学成功举脏办了第四届闪“估国际压电材哭料及其在作守动器中的应剂用眼”坛研讨会,来朋自世界各国库的压电材料肢和超声电机奥领域的知名刃专家共聚一阁堂,分享最牧新的研究成你果。从会议稍交流情况来嘴看,与国外逃相比,我国酱的超声电机哥技术无论在粮理论研究,仇还是在样机宿研制上都毫科不逊色。但妻是在超声电船机技术的应眠用上却与国横外存在较大沈的差距。建繁议国家将超版声电机技术气研究与应用佳列入科技发喷展规划,加河大超声电机见产业化的力令度和步伐,添在实际工程眉应用中解决抗目前存在的奖一些问题,负进一步提高距产品的可靠谋性和稳定性跨。有了政府让部门的领导素和支持,通松过产、学、平研的共同努阿力,我们有疾理由相信,因超声电机技抹术必将得到诞快速发展和降广泛应用,胖同时必将在评促进我国国救防现代化和敲国民经济发聪展方面发挥稳作用脖【3】给。参考文献：均[1]虏犹李志坚.毛微电子技术揉的又一次革闷命一微电子堤机械系统介(MEM披S貌)况发展展望袜[J]亏.命科技导报，绩1997(裤9)商：扩3-5尸.脏[2]成喷赵淳生.势世界超声电馆机技术的新透进展恼[J]近.漏振动、测试重与诊断，腹2004乓，拌24(1)新：着1溪-唱5瞧.厦[3]孔梅赵淳生,朱昂华刊.咳超声电机技坦术的发展和该应用虎[J].综迫述与展望，冶2023记，积37(3)贫:1型-兵9描.蚊[棒4用]MOR础ONEY泊RM,准WHITE钥RM,指HOWE奉RT.铲Ultr胁a-广sonic领micr逃omoto矩rs[C恩].Mon亭treal裤Cana念da:I皮EEEU寨ltra-商sonic餐Symp亭osium相,198悲9.745句-748.器[气5诸]FLY解NNA匆M,TA舅VROW蛾LS,撑BART浮Steph伪enF,厦et窑al.P捷iezoe受lectr骡icmi怒cromo谢tors障form