超声波马达原理

超声波马达原理及其应用 刘 世 清1 ,2 (1 陕西师范大学 应用声学研究所 , 陕西 西安 710062 ;2 南华大学 数理学院 , 湖南 衡阳 421001) 摘 　要 :介绍了超声波马达的发展现状以及超声马达的工作原理及分类 ,并对超声马达的发展前景进行了展望. 关键词 :超声马达 ;超声马达原理 ;超声马达应用 中图分类号 :O426 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :1009 - 5128(2004) 05 —0013 —04 收稿日期 :2004 —06 —10 作者简介 :刘世清 (1964 —) ,男 ,湖南邵阳人 ,陕西师范大学博士研究生 ,南华大学副教授 ,主要从事超声方面的研 究工作 . 超声马达 (Ult rasonic Motor ,简称 USM)的概念在 1960 年就提出了 ,但直到 20 世纪 70 年代初才取得 了一些进展. 当时西德西门子公司申请了压电超声马达的专利 1 ～2 . 自从 USM 的研究在 20 世纪 80 年代 初获得突破性进展后 ,引起了世界各国众多公司和研究机构的重视. 近十年来 ,超声马达的研究得到了迅 速发展 ,成为近 20 年来机电控制领域的一个研究热点 ,并且也是当前应用声学领域里的热点课题之 一 3 ～6 . 目前 USM 的产业化和实用化正在蓬勃发展 ,在一定程度上已经开始取代某些小型电磁马达. 国外 在 90 年代开始进入超声马达的实用化、商品化开发阶段. 如日本已将超声行波环行马达用于照相机镜头 的自动聚焦系统 ;美国 J PL 实验室研制的用于宇宙飞船船体检测的爬壁机器人驱动装置 3 ;此外像目前传 真机、高级打印机等现代化办公设备中出现的平板振子输送纸机构 ; X - Y绘图仪 ;直角坐标自动定位装 置等. 展现了超声马达广阔的应用前景 7 ～9 . 我国在这方面的研究虽起步较晚 (90 年代初) ,但也取得了一 些突破性成果 ,如清华大学已研制出直径 Á1mm 的弯曲旋转超声马达 ;哈尔滨工业大学研制出的三维接 触驱动式超声马达、无轴承新型超声马达、双定子单转子式超声马达等. 目前 ,日本在该领域的研究处于世 界领先地位 ,几乎拥有大部分有关超声马达的发明专利. 并且个别种类的超声马达已经实现产业化 ,在国 民经济中发挥着重要作用. 本文主要对超声马达工作原理及其应用作些介绍. 1 　超声马达的特点及分类 图 1 　超声马达结构 超声马达是利用压电材料 ( PZT ———锆钛酸铅或高分子 PVDF ———聚偏二氯乙烯) 驱动的一种新型电 机 ,工作频率一般为几十 kHz.与传统电磁马达不同的是 ,它不是利用磁场将电能转换为机械能 ,而是通过 超声换能器把电能转换为某种形式的机械振动 ,再利用定子 (振动着的弹性体) 与转子 (或滑块) 表面间的 摩擦力使转子转动或滑块移动 ,从而把电能转化为对外作功的机械能. 与电磁马达相比超声马达有以下突 出优点 :转速低、转矩大、响应速度快 (μs 数量级) 、定位精度高 (μm 级或角分辨率已达 0. 01°以下) 、体积 小、功率密度大、无电磁干扰、结构简单、易于控制等 ,典型的超声马达机构如图 1 所示. 超声马达的这些特 2004 年 9 月 第 19 卷 第 5 期 　　　　　　　　　　 渭南师范学院学报 Journal of Weinan Teachers College 　　　　　　　　　　 Sept . 2004 Vol. 19 　No. 5 点使其可广泛应用于航天、机器人、计算机、医疗器械、照相机、打印机、精密驱动与控制以及其他高新技术 产品等领域. 依据不同的应用场合 ,超声马达可设计成各种不同的振动模式 ,其结构和种类也多种多样. 按运转模 式分 ,有直线马达和旋转马达 ;按超声振动波形分 ,有行波马达和驻波马达 ;按超声振动模式分 ,有单一模 式、模式转换、多模式和旋转模式等类型 ;按驱动换能器分 ,有单一换能器和复合换能器型超声马达等. 依 据超声马达的运动形式及采用的振动模式 ,将超声马达分类如图 2 表示. 超声马达 旋转型 单一振动模式 行波型 横向弯曲振动模式 径向伸缩振动模式 驻波型 单向扭转耦合型 单向驻波驱动型 双向驻波驱动型 复合振动模式 模式转换型 模式旋转型 多模式型 复合换能器型 其他模式 :如旋转压电微动马达 ,压电 —电流变式马达等 直线型 单一振动模 行波型 驻波型 复合振动模式 其他模式 :如直线箝位式微压电马达等 球面型 图 2 　超声波马达的分类 图 3 　超声马达工作原理 2 　超声马达的基本原理 尽管超声马达种类各种各样 ,但其基本原理大致 相同. 下面以几例来说明超声马达的工作原理 2 . 由振 动理论知 ,当在固体弹性介质中激发 (一般用换能器) 沿自由表面传播的表面波 ,或在板中激发板波时 ,弹性 介质表面质点振动的轨迹是椭圆形. 如果在这种弹性 振动体 (定子)的表面上再放置一金属块 (转子) ,则金 属块将沿着与表面波传播方向相反的方向运动. 这是 因为当声波沿 X方向传播时 ,弹性体表面质点作逆时 针椭圆运动 ,如图 3 所示. 振动质点通过表面间的摩擦 力驱使滑块移动. 这就是超声行波直线马达的基本原 图 4 　利用弯曲振动的超声马达 理. 平板振子输送纸机构即是这一原理的应用. 若把弹 性体 (定子)弯成圆形 ,金属块为圆环 ,则滑环将作连续 的旋转运动 ,这就是超声行波旋转马达的工作原理. 再 如利用弯曲振动驱动的超声马达 10 ～14 ,如图 4 所示. 这种马达的工作原理是换能器中压电陶瓷 1 产生纵向 振动 ,而压电陶瓷 2 和 3 产生弯曲振动. 由垂直振动合 成原理可知 ,当纵振动和弯曲振动满足一定的频率比 时 (通过电路分别控制激励频率 ,图中为 1∶2) ,可使变 幅杆端面质点的合振动轨迹为椭圆或李萨如图形. 当 杆端与转子接触时即可驱动转子转动. 同样 ,可通过 相位控制电路来改变端面质点的运动方向 ,从而达到 改变转子运转方向的目的. ·41·　　　　　　　　　　　　　　　　　　刘世清 :超声波马达原理及其应用 　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷 　　转子 (或滑块)之所以会连续转动或滑动 ,是因为转子和定子表面间的接触只是局部的 ,在一个振动周 期内的实际接触时间很短 ,并且是在质点位移振幅 (一般几μm 或几十μm)较大时相接触 ,如图 5 所示. 这 样 ,在每个振动周期内质点每次给予转子或滑块的摩擦驱动力方向都相同. 而在未接触时间内 ,虽无摩擦 力存在 ,转子仍继续运动 ,是因为转子的惯性时间常数远大于定子表面质点的振动周期 (μs 数量级) . 图 5 　超声马达定子与转子接触情况 由此可见 ,无论哪种驱动模式的超声马达 ,其运行的必 要条件是 : (a) 定子表面 (与转子接触面) 上的质点必须激 发起椭圆或李萨如轨迹的运动 ; (b) 定子与转子接触面间 必须存在一定的摩擦力. 为此 ,除在转子界面上附上一层特 殊摩擦材料外 ,还需给接触面施加一定的静压力. 一般用弹 簧来实现. 同时 ,也可防止转子与定子表面质点作同幅振 动. 3 　超声马达的发展方向及研究难点 目前 ,超声马达正在向微型化方向发展 15 ～19 ,如图 6 所示. 我国已成功研制出直径仅有 Á1mm 的微型马达 ,据报道这是迄今为止世界上最细的超声波马达 ,如 图 5 (b)所示. 这种微型马达 ,如果能够形成生产规模的话 ,将带来微型机械制造的革命 ,并将在生物、医 疗、通讯等领域得到广泛应用. 对超声马达的研究不但涉及物理学、振动学、接触力学、摩擦学 ,而且涉及材 料学、制造工艺等多学科的交叉 20 ～21 . 因此 ,超声马达的研究具有十分重要的意义. 尽管在超声马达的实 用化进程中还面临许多技术难关 ,如马达的自升温 22 、寿命短、输出效率低以及接触模型的精确建立 ,此 外摩擦材料的耐磨性、高性能陶瓷材料的制备、闭环精密反馈控制问题、高频电源的集成化等问题. 但完全 可以展望 ,随着超声波马达研究的不断深入和实用化技术的进一步发展 ,其在各领域里的应用会越来越广 泛. 而且一旦实用化必将为国民经济带来巨大效益. 图 6 　超声微马达 参考文献 : 1 程存弟 ,马玉英 ,周光平 ,等. 超声技术功率超声及其应用 M . 西安 :陕西师范大学出版社 ,1993. 2 袁易全 . 近代超声原理与应用 M . 南京 :南京大学出版社 ,1996. ·51·2004 年第 5 期 　　　　　　　　　　　　　　　　渭南师范学院学报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 3 陈在礼 ,褚祥诚 . 陈维山 ,等. 超声波马达的发展国内最新动态J . 应用声学 ,1999 , (2) :1～5. 4 郑伟智 ,辛洪兵 . 压电马达的发展及其技术特点J . 北京工商大学学报 (自然科学版) ,2003 ,21 (1) : 45～48. 5 赵雨　 ,李涵武 ,苏清源 . 超声马达的特性及其应用J . 农业机械与木工设备 ,2004 ,32 (3) :44～45. 6 陈 　明 , 陈新业 , 姜开利 ,等. 超声波马达的应用J . 应用声学 , 2000 ,19 (4) : 38～43. 7 MORITA Takeshi , KURIBA YASHI Minoru ,et al. 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[责任编辑 　牛怀岗 ] Principle of the Ultrasonic Motor and Its Application L IU Shi2qing1 , 2 (1 Institute of Applied Acoustics , Shannxi Normal University , 710062 Xi’an , China ; 2 College of Mathematics and Physics , Nanhua University , 421001 Hengyang , China) Abstract : This paper presents the principle and the latest developing status of the Ultrasonic Motor (USM) as well as its clas2 sifications and applications in all respects. It also makes some comments on its development in the future. Key Words : ultrasonic motor (USM) ; the principle of USM ; the application of USM (上接 12 页)声 ,提取出信号的时频特征明显、简单. 参考文献 : 1 陈正兴 . 小波分析算法与应用 M . 西安 :西安交通大学出版社 ,1998. 2 伯晓晨 ,李 　涛 ,刘 　路 ,等. Matlab 工具箱应用指南 ———信息工程篇 M . 北京 :电子工业出版社 ,2000. [责任编辑 　牛怀岗 ] Process of the Red2Billed Leiothrix Whistle Based Wavelet Multidistinction Analysis GEN G Sen2lin1 , 2 (1 Department of Physics , Weinan Teachers College , 714000 Weinan , China ; 2 Institute of Applied Acoustics , Shaanxi Normal University , 710062 Xi’an , China) Abstract : Adopting wavelet multi2distinction analysis , the whistle of the red2billed leiothrix is processed. With orthogonality and constringency , the original signal is decomposed into 5 levels selecting Wavelet‘Sym8’, and distinct characteristic time2fre2 quency signal is obtained. Key Words : wavelet multi2distinction analysis ; red2billed leiothrix ; whistle ·61·　　　　　　　　　　　　　　　　　　刘世清 :超声波马达原理及其应用 　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷