超聲電機技術(shù)詳解

電磁電機與超聲電機比較

一提到電動機人們可能馬上想到電磁電機。從1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電磁作用，到1836年電磁電動機應(yīng)用于印刷機上，僅用了十幾年的時間。目前，電磁電機在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛的應(yīng)用。電磁電機利用電磁效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換成機械能。一個常見的直流電磁電機的換能部件主要由定子和轉(zhuǎn)子組成；定子產(chǎn)生一個固定的磁場，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個可以旋轉(zhuǎn)的磁場；定子與轉(zhuǎn)子不接觸，而通過兩個磁場的相互作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。普通電磁電機的特點是轉(zhuǎn)速快，每秒上千轉(zhuǎn)。電動機的輸出功率是力矩乘以轉(zhuǎn)速，所以一般電磁電機的直接輸出力矩都比較小。

20世紀(jì)90年代日本佳能公司研制出一種壓電電動機，這種電動機的工作原理是利用逆壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換成機械能。常見的壓電電機也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，但定子是由壓電材料和金屬材料組合制成，轉(zhuǎn)子是由金屬材料制成；壓電材料把電能轉(zhuǎn)換成機械振動能，激勵定子金屬體振動；轉(zhuǎn)子與定子相接觸，通過摩擦力，定子的振動驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。由于定子的振動頻率一般在大于20kHz的超聲頻段，因此人們也將壓電電機稱為超聲電機。

早在1948年美國科學(xué)家威廉斯和布朗就申請了“超聲電機”的專利。隨后，很多人試圖將超聲電機的想法變成產(chǎn)品，都沒有成功。1982年日本人指田提出了一個超聲電機的設(shè)計方案；但直到1992年佳能公司才利用指田的方案制造出商業(yè)化的超聲電機，并應(yīng)用于照相機中，作為鏡頭調(diào)焦的驅(qū)動器。在此之后，許多國家都開展了超聲電機的研究。目前超聲電機已經(jīng)廣泛應(yīng)用在光學(xué)儀器、高檔轎車、精密儀器、自動控制、航空航天等許多領(lǐng)域。

超聲電機的工作原理和工作效果與電磁電機完全不同，一個主要特點就是超聲電機可以得到較低轉(zhuǎn)速，因此輸出力矩較大，可以省去減速機構(gòu)直接帶動負載。除了轉(zhuǎn)速低，超聲電機還有很多其他的特點：：（1）因為超聲電機不使用電磁場作為驅(qū)動力，因此電磁輻射小。許多情況下，不希望有電機產(chǎn)生強電磁干擾，或者在強磁場環(huán)境中，電磁電機的正常工作會受到影響；而超聲電機不需要做太多的電磁屏蔽處理就可以在這些條件下工作。（2）超聲電機依靠定、轉(zhuǎn)子之間的接觸摩擦作為驅(qū)動方式，關(guān)閉電源后轉(zhuǎn)子就會馬上停止，并在摩擦力的作用下固定不動；而步進電磁電機若要把所驅(qū)動的部件固定在一個位置上則需要電流來維持。（3）超聲電機的響應(yīng)時間較短，一般在十幾毫秒以內(nèi)。（4）超聲電機沒有電磁線圈，可以不用銅材，節(jié)省原料造價。（5）超聲電機的轉(zhuǎn)速可以通過改變驅(qū)動頻率進行調(diào)節(jié)，比較靈活。（6）超聲電機與電磁電機相比，還有一個最大的優(yōu)勢就是在小尺寸時，電磁電機的效率急劇降低，并且很難制作出直徑在1mm量級的電磁電機，而超聲電機在很小尺寸上都可以有效工作。

各種各樣的超聲電機

超聲電機的工作原理，是把特殊形式的振動通過摩擦力轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動或平動。根據(jù)振動體的不同形式，可以制作出多種多樣的超聲電機。日本佳能相機中應(yīng)用的超聲電機就有兩種。一種是環(huán)式電機，另一種是棒式電機。

環(huán)式電機的定子振動體和壓在其上的轉(zhuǎn)子都是圓環(huán)形薄片（圖1）。電機工作時，在定子圓環(huán)上產(chǎn)生的是彎曲振動的行波。行波是沿著圓環(huán)的周向行進，圓環(huán)表面質(zhì)點的振動軌跡是橢圓形。表面質(zhì)點在波峰處，位移有一個平行于靜止圓環(huán)的分量，這個分量通過摩擦驅(qū)動了與之接觸的環(huán)形轉(zhuǎn)子[圖1（b）]。轉(zhuǎn)子的中間放置鏡頭，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動可以通過適當(dāng)?shù)臋C構(gòu)轉(zhuǎn)換成鏡頭的直線運動，以達到調(diào)焦的目的。由于這種環(huán)式超聲電機是利用行波進行驅(qū)動，所以也稱為行波超聲電機。

圖1  行波超聲電機工作原理

把轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成直線運動的方式很多，如圖2所示，轉(zhuǎn)子上連接一個圓筒，圓筒的側(cè)壁上開有斜槽，圓筒的中間放置鏡頭筒，鏡頭筒的外壁上固定有銷釘，銷釘插在斜槽中。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，斜槽推動銷釘使鏡頭筒產(chǎn)生直線運動。

圖2  轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成直線運動

環(huán)形行波超聲電機的輸出力矩一般不大。要得到較大力矩的行波超聲電機，定子和轉(zhuǎn)子都采用圓盤形，轉(zhuǎn)子的中間和輸出力矩的軸相聯(lián)。定、轉(zhuǎn)子的相互作用發(fā)生在圓盤的邊緣處。

佳能相機中，棒式超聲電機的工作方式有些像呼啦圈。定子是圓柱形。振動時，圓柱的軸線發(fā)生彎曲，這時定子端面上只有一個點與轉(zhuǎn)子相接觸（圖2）。改變圓柱彎曲的方向，接觸點的位置也改變。如果讓接觸點繞原軸線旋轉(zhuǎn)，與定子相接觸的轉(zhuǎn)子被摩擦力驅(qū)動隨著接觸點發(fā)生轉(zhuǎn)動。與呼啦圈類比，人的腰部對應(yīng)于定子端面上的接觸點，轉(zhuǎn)子對應(yīng)于圓圈。由于這種棒式超聲電機的定子是做彎曲旋轉(zhuǎn)運動，所以也被稱為彎曲旋轉(zhuǎn)超聲電機，工作原理見圖3。

圖3  彎曲旋轉(zhuǎn)超聲電機工作原理圖

（a）定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

（b）分出4個電極對的壓電陶瓷片

（c）定子激振原理圖

棒式超聲電機可以做得很小。目前最細的超聲電機直徑約為0.8mm，長度約為6mm。定子也采取彎曲旋轉(zhuǎn)的形式運動。轉(zhuǎn)速可以從300轉(zhuǎn)/秒到3000轉(zhuǎn)/秒之間變化。這種微型超聲電機可以用作內(nèi)窺鏡的掃描驅(qū)動器。

棒式超聲電機除了有彎曲旋轉(zhuǎn)型，還有扭縱型。扭縱型電機沿著軸線縱振動，同時圍繞軸線扭轉(zhuǎn)振動?？v振動使定、轉(zhuǎn)子之間交替分離和接觸。在扭轉(zhuǎn)振動的前半個周期，定子與轉(zhuǎn)子接觸，通過摩擦驅(qū)動它向一個方向轉(zhuǎn)動；扭轉(zhuǎn)振動的后半個周期，定子反方向扭動，但此時定、轉(zhuǎn)子恰呈分離狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不會反方向運動。每個周期都重復(fù)該過程，轉(zhuǎn)子就能保持向同一個方向旋轉(zhuǎn)。扭縱超聲電機的輸出力矩可以很大，目前能達到40牛米。由于這種電機要產(chǎn)生兩種振動，根據(jù)設(shè)計規(guī)律就要求軸向尺寸很大，因而限制了它的應(yīng)用范圍。

一種大力矩行波超聲電機可以彌補扭縱超聲電機在尺寸上的不足。在普通的圓盤行波超聲電機中，定子和轉(zhuǎn)子都是懸臂梁結(jié)構(gòu)，圓盤的中間是支撐處。因為超聲電機是靠摩擦力產(chǎn)生輸出力矩，因此要得到大力矩，可以增加定、轉(zhuǎn)子之間的壓力。但這會引起定子和轉(zhuǎn)子的較大變形，而在設(shè)計時很難確定兩個變形，因此不容易設(shè)計出較好的結(jié)構(gòu)，得到大力矩。新型大力矩行波超聲電機中，把振動體作為轉(zhuǎn)子，把外殼作為定子，這樣就只有轉(zhuǎn)子是懸臂梁，改善了受力結(jié)構(gòu)，使得設(shè)計上比較容易實現(xiàn)大力矩輸出。大力矩行波超聲電機的形狀為圓盤形，厚度約為40mm，輸出的力矩可以驅(qū)動小轎車的車窗玻璃。目前，這種超聲電機的輸出力矩可以達到8牛米。

目前世界上手機的擁有量非常巨大，并且大多數(shù)手機都帶有照相功能。我們知道光學(xué)變焦的分辨率要高于數(shù)碼變焦，但是帶光學(xué)變焦的手機相機卻很少見，主要是因為沒有適用于驅(qū)動鏡頭變焦的電機。雖然佳能公司的兩種超聲電機已經(jīng)很成功地應(yīng)用在照相機的調(diào)焦機構(gòu)中，但他們尺寸都很難再減小。而電磁電機在小尺寸時效率很低，耗電量急劇增加，無法滿足使用要求。

為解決手機光學(xué)調(diào)焦的難題，一種螺母型超聲電機應(yīng)運而生。這種電機的定子為螺母型，用空心螺桿作轉(zhuǎn)子，螺桿中空處放置鏡頭（圖4）。在定子的內(nèi)壁上產(chǎn)生的是垂直于內(nèi)壁振動的環(huán)繞行波，與圓環(huán)行波超聲電機相類似，行波波峰的運動驅(qū)動轉(zhuǎn)子螺桿轉(zhuǎn)動；螺紋驅(qū)動螺桿做直線運動，實現(xiàn)調(diào)焦。這種電機除了具有超聲電機的一般優(yōu)點外，還具有省電、體積小和抗震等優(yōu)點。螺母型超聲電機有望在近期應(yīng)用于手機相機的光學(xué)調(diào)焦機構(gòu)中。

圖4  螺母型超聲電機結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)超聲電機的工作原理，超聲電機還可以制作出許多不同的形式。例如，超聲電機可以很容易實現(xiàn)直線運動；還可以實現(xiàn)多自由度運動。多自由度超聲電機的轉(zhuǎn)子是一個圓球，轉(zhuǎn)子上可以放置多個環(huán)形定子，每一個定子的軸線就是一個轉(zhuǎn)動軸，因此可以有多個轉(zhuǎn)動方向。另外，超聲電機的轉(zhuǎn)速既可以很慢，也可以很快，非接觸式高速超聲電機可以達到每分鐘上萬轉(zhuǎn)。

振動的形成

超聲電機需要有振動源，一般采用壓電陶瓷，把電能轉(zhuǎn)換成機械能。壓電材料有一個極化方向。如果在壓電材料的極化方向上加電壓時，當(dāng)電場方向與極化方向一致或相反時，壓電材料會在極化方向上發(fā)生伸長或縮短變形；如果在垂直于極化方向上加電壓，就會產(chǎn)生剪切變形。

當(dāng)電壓方向交替變化時，就會產(chǎn)生交變的機械變形，即發(fā)生機械振動。振動的頻率是和交流電的頻率一致的。電機的機械振動頻率在超聲頻段，因此超聲電機需要一個超聲頻段的交流電源。適當(dāng)設(shè)計定子的結(jié)構(gòu)就可以得到需要的振動形式。例如，如圖1（b）所示，要在環(huán)形行波超聲電機的圓環(huán)表面上產(chǎn)生行波，可以把壓電陶瓷片與金屬圓環(huán)粘在一起；壓電陶瓷片是在厚度方向上進行極化，兩面上涂有銀電極，沿著周向上分成許多對電極；當(dāng)在厚度方向上加電壓時，壓電片在厚度上發(fā)生變形，同時根據(jù)彈性原理，在周向上也會發(fā)生變形。每對電極上加交變電壓，使陶瓷片在周向上交變伸長和縮短。因為金屬環(huán)和陶瓷片粘接在一起，因此金屬環(huán)也交替發(fā)生伸長和縮短變形。如果電壓交變頻率與定子的振動模態(tài)頻率一致，就會激勵出相應(yīng)模態(tài)的駐波振動。我們知道兩個駐波可以形成一個行波，如果讓相鄰兩對電極在空間和時間相位上都相差π/2，就可以激勵出行波。

于此相類似，螺母型超聲電機是在螺母型定子外壁粘上壓電陶瓷片，每一個壓電片上按適當(dāng)?shù)臅r序加電后，可以在螺母內(nèi)壁產(chǎn)生行波。

佳能相機中的棒式超聲電機的定子是兩個金屬圓環(huán)中間夾著壓電陶瓷圓環(huán)組成，環(huán)的中心穿有螺栓把它們聯(lián)在一起。壓電環(huán)沿著周向分成4對電極，如圖3（b）。加在相鄰兩個對電極上的電信號相差1/4周期，這樣，在一個方向上，相對的兩對電極上的電壓相差1/2周期，在另外一個垂直方向上，相對的兩對電極上的電壓為零。如圖3（c）所示，在y方向上對稱的兩對電極上加的電壓相位相差1/2周期，一側(cè)產(chǎn)生壓縮變形，另一側(cè)就產(chǎn)生伸長變形，整個定子柱就會向負y方向發(fā)生彎曲，而在x方向上沒有發(fā)生變形。在1/4周期時間后，y方向上處于平衡位置，定子柱向正x方向彎曲。順序改變電信號，可以使彎曲的方向依次變化，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的效果。

扭縱超聲電機也是棒式電機。它的定子是由兩個金屬圓環(huán)中間夾著兩組壓電陶瓷圓環(huán)組成，見圖5。一組壓電環(huán)沿著厚度方向極化，用于產(chǎn)生軸線的縱振；另一組壓電環(huán)沿著圓周方向極化，當(dāng)在厚度方向上加電壓時會產(chǎn)生剪切變形，用于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。兩組壓電陶瓷片上加的電壓的頻率相同，但有一個相位差。

圖5  扭轉(zhuǎn)超聲電機定子結(jié)構(gòu)

還有一類超聲電機為振動模態(tài)轉(zhuǎn)換型。這類超聲電機的振動源比較簡單，一般只有單一的振動源，復(fù)雜的振動形式是靠結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。例如，在一個縱振棒的端部有特殊形狀的多個齒，振動激勵這些齒做復(fù)雜的運動，齒上壓著的轉(zhuǎn)子就會通過摩擦力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。

超聲電機研究進展、前沿和方向

超聲電機的研究涉及超聲學(xué)，壓電學(xué)，摩擦學(xué)和電子學(xué)等多學(xué)科，非常復(fù)雜。這也是為什么超聲電機從提出想法到實用花費了近50年時間的原因之一。

超聲學(xué)中的主要問題是如何產(chǎn)生簡單有效的振動；另外，在大力矩超聲電機中如何考慮轉(zhuǎn)子對振動體的影響也是一個難題。

壓電學(xué)中的一個重要研究內(nèi)容就是如何得到無鉛的壓電材料。壓電材料種類很多，目前廣泛采用的壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛，含鉛，對環(huán)境有污染。但因為這種材料性能優(yōu)良價格低廉，目前其他壓電材料無法相比。因此找到無鉛的、能夠替代目前采用的壓電陶瓷是當(dāng)務(wù)之急。

摩擦學(xué)方面，目前大多數(shù)應(yīng)用的超聲電機都是摩擦驅(qū)動型。而在超聲振動條件下，接觸面上摩擦的現(xiàn)象還需要深入研究。作為超聲電機驅(qū)動機理研究中最為關(guān)注的超聲振動對接觸界面摩擦特性的影響被列為一萬個科學(xué)難題之一。

電子學(xué)中的主要研究內(nèi)容就是要得到低成本的智能控制系統(tǒng)。超聲電機只有在高性能的驅(qū)動電路系統(tǒng)的配合下，才能顯示出它的市場競爭優(yōu)勢來。

超聲電機的研究方興未艾，目前成本較高是限制其廣泛應(yīng)用的主要瓶頸之一。而我們期待著，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲電機的制造成本會逐步降低，在越來越多的地方發(fā)揮它的作用。