壓電微傳動電機發展綜述

李 沖，許立忠，高立超，賀曉東

(燕山大學，秦皇島 066004)

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壓電微傳動電機發展綜述

李 沖，許立忠，高立超，賀曉東

(燕山大學，秦皇島 066004)

介紹了壓電微電機的特點及在尖端技術領域的應用前景，根據定轉子間的接觸形式給出了壓電微傳動電機的分類，詳述了各類壓電微電機國內外的研究現狀。針對各類壓電微電機的優缺點，分析了各類壓電微電機的應用范圍。以一類電磁式非接觸壓電電機為例，指出了壓電微電機的發展趨勢及未來廣泛的應用前景。

壓電微電機；研究現狀；發展趨勢；應用領域

0 引 言

隨著航空航天、精密加工技術的不斷發展以及電子和控制技術向機械領域的不斷滲透，跨學科、跨領域，集機械、電氣與控制于一體的新型復合傳動成為微型機械科學領域的國際性前沿課題[1]。其中利用壓電陶瓷材料作驅動的各類微型傳動電機因具有控制方便、頻率響應快、位移分辨率高、無噪聲、無電磁干擾、低電壓驅動及易于微型化的優點成為研究的熱點[2-4]。

壓電電機利用壓電材料的逆壓電效應，將電能轉化為機械能。目前，各種不同類型的壓電電機已成功應用于精密定位平臺、微型機器人、月球探測器等尖端技術領域。根據定轉子間的接觸類型，可將壓電微傳動電機分為三類，即摩擦式壓電微電機、非接觸式壓電微電機和點接觸式壓電微電機。本文在總結壓電微電機研究現狀及分類的基礎上，給出未來壓電微電機的發展方向，為壓電電機的廣泛應用提供一定借鑒。

1 壓電微電機研究現狀

壓電電機從提出到現在已經走過了幾十年的歷程，但僅僅在近20多年來，壓電電機才真正從理論過渡到應用階段。壓電電機最初由蘇聯專家最先提出，1964年基輔理工學院的V. Vlavrinenko設計了第一臺旋轉壓電電機[5]。日本對壓電電機研究較早，成果較多，最早將壓電電機推向實用化發展階段。壓電電機的發展主要經歷了四個階段，分別是基礎研究階段、專利申請階段、產品研制階段和工業應用階段，如圖1所示[6]。20世紀60、70年代，壓電電機處于基礎研究階段，各國學者紛紛投入到壓電電機的研究工作中；80年代左右，科研工作者取得初步成果，并將成果以專利的形式保護起來；80年代中后期，科研單位和企業紛紛投入到壓電電機的應用研制階段；90年代以后，大量壓電電機已經投入到工業應用中。目前，壓電電機產業發展最好的國家是日本，佳能、松下、豐田等公司分別將壓電電機應用在相機調焦系統、家用電器、汽車轉向系統中[7]。此外，壓電電機在航空、精密定位、機器人等領域發展迅速，麻省理工學院研制的雙面齒壓電超聲電機已經應用于火星探測器操縱臂關節驅動中；壓電電機具有響應快的優點，使得其能夠迅速起動和停止，適合應用于高精密定位。由于壓電電機沒有噪聲，在辦公室、圖書館、家庭、賓館、醫院等對環境要求較安靜的場所，可使用壓電超聲電機為窗簾機提供驅動，達到保持室內安靜、減小噪聲的效果。

圖1 壓電電機發展歷程

我國在20世紀80年代中后期開始接觸和研究壓電電機，南京航空航天大學、清華大學、吉林大學、天津大學等高校率先研制出各種類型的壓電超聲電機樣機[8-9]。在壓電電機實用化進程中，南京航空航天大學和清華大學走在了時代的前列，先后將壓電電機應用于家用電器、醫用設備、航天探測器等領域。據不完全統計，目前在國內開展壓電電機、壓電驅動器研究的高校及研究所已經高達上百所，各具特色的壓電微電機被設計和研制出來。雖然國內壓電微電機已經獲得應用，但是其應用領域還不夠廣泛，與日本、美國等世界先進技術國家相比還有很長路要走。

2 壓電微電機分類

2.1 摩擦式壓電微電機

摩擦式壓電微傳動電機是最早出現、最早被應用到工程實際中的一類壓電電機，其典型代表的就是壓電超聲電機在世界范圍內的廣泛使用。日本是最初將壓電電機推向商業應用的國家，其擁有目前世界上一半以上壓電超聲電機的發明專利[10-11]。早在1972年，日本著名的松下電器公司將自主研發的具有商業應用前景的壓電超聲電機申請了專利[12]，該電機同時也是世界上第一個擁有專利的壓電超聲電機。1980年，日本指田年生設計和制造出第一臺駐波型蘭杰文振子結構的壓電超聲電機[13]，該電機的研制第一次符合工程實用的條件。與此同時，前蘇聯學者Vasiliev等[14]在1981年設計出一種能夠驅動較大負載的壓電電機，該電機后來成為最早被實際使用的壓電電機。1987年，日本佳能相機公司將研發的環狀行波型壓電超聲電機成功配備于EOS相機的自動調焦系統中[15]，標志著壓電超聲電機正式邁向商業實用化的隊列。1996年，日本東京大學Takeshi Morita等[16]設計和制造出薄膜沉積式柱狀彎曲型超聲電機，當給該電機施加106 kHz的激勵頻率時，此電機的空載轉速和堵轉轉矩分別達到880 r/min和7 μN·m。

進入21世紀，壓電電機的研究在世界范圍內獲得迅猛發展。2002年，賓夕法尼亞州立大學的學者Burhanettin Koc[17]研制出一種采用金屬柱體彎曲振動模態的單相驅動微型壓電超聲電機，后來該電機被韓國三星公司成功應用于手機相機的調焦系統中。2005年，日本學者T. Kanda等[18]先后研制出一系列利用單轉子軸作為輸出裝置的管狀壓電超聲電機，并對該電機的定轉子在不同接觸角時的輸出特性進行了研究。2013年，日本Tomoaki Mashimo[19]研制出一臺定子體積僅為1 mm3的壓電超聲電機，該電機能產生0.013 μN·m的轉矩。

盡管海外學者對摩擦式壓電微電機做出了顯著成果，然而國內高校和科研機構近年來也對此種微電機進行了深入探索。1989年，清華大學周鐵英和董蜀湘申請了中國首個自主研發的壓電微動電機專利[20]。1995年，南京航空航天大學趙淳生團隊研制出首臺環形壓電行波超聲電機[21]，該電機具有廣闊的市場前景，經優化后被用于驅動電動窗簾。1996年，哈爾濱工業大學江溯和孫立寧等設計了一種內置角位移傳感器的壓電旋轉型驅動電機[22]。1997年，清華大學董蜀湘等設計和制造出彎曲型壓電超聲電機[23]，試驗測得該電機的最大轉矩為55 mN·m，在激光諧振腔的微調器中獲得成功應用。此外，清華大學周鐵英科研團隊于2004年成功研制出當時最細微直徑僅1 mm的微型壓電超聲電機[24]，該電機最大堵轉轉矩和最高轉速分別為4 μN·m和1 800 r/min，在醫學OCT內窺鏡中體現了商業價值。2014年，哈爾濱工業大學陳維山等設計出一種定子具有“三明治”結構的新型行波壓電超聲電機[25]，當給電機施加100 V的激勵電壓時，電機的無負載最大轉速為2.23 r/min，最大輸出轉矩為0.15 N·m。

2.2 非接觸式壓電微電機

非接觸式壓電微電機獨特之處在于定轉子間分離或者通過一定介質隔開。根據驅動力的來源，可將非接觸式壓電微電機分為基于聲輻射壓力型、基于聲流型和基于聲輻射壓力和聲粘性力的混合型。早在1990年，日本中村健太郎、上羽貞行等人就研制出以液體為媒介的非接觸型壓電超聲波電機[26]。1995年日本學者山崎藤吾等人研制一種驅動頻率為26 kHz的圓筒型非接觸超聲波電機[27]，該電機的最高轉速為3 000 r/min。與此同時，K. Nakamura等人利用電流變作為定轉子間的介質研制了一種扭轉振動的非接觸式壓電超聲電機[28]。2011年，白俄羅斯學者D.A. Stepanenko等設計了一種由環形定子和刀片狀轉子構成的非接觸式壓電電機[29]，電機轉子通過接收聲輻射的能量產生轉動。

21世紀以來，國內非接觸式壓電傳動微電機的研究進入快速發展時期，吉林大學、清華大學、南京航空航天大學等高校都涌現出眾多成果。趙淳生團隊提出一種筒型非接觸式壓電超聲電機[30]，電機主要由筒狀的定子和轉子組成，最大轉速和堵轉轉矩分別達到2 100 r/min和13 μN·m。鄂世舉等[31]通過試驗和分析非接觸式壓電電機的結構，對非對稱波驅動原理進行了驗證，找出了非對稱波型非接觸式壓電電機的激勵頻率，給出了激勵電壓與樣機轉速間的關系。陳超等[32]提出了一種由球形轉子構成的非接觸式壓電電機，該電機通過壓電陶瓷激勵碗狀定子產生兩相駐波且合并成一處強行波，進而誘發高聲強聲場來同時懸浮和驅動球形轉子，在激勵電壓為300 V時，電機轉速為521 r/min。邱偉等人研發了一種通過巨電流變流體控制扭轉振子的非接觸式旋轉壓電電機[33]，該電機激勵頻率為118 Hz，最高轉矩和轉速分別達到1.04 mN·m和6.98 rad/s。

2.3 點接觸式壓電微電機

將定轉子間通過點接觸的形式傳遞運動的壓電電機歸為點接觸式壓電微電機。點接觸式壓電微電機最經典的方案就是將壓電驅動與諧波傳動實現有機結合。壓電諧波電機最早由學者Hamaguchi[34]提出。2000年，德國學者Oliver Barth設計并制造出一種小型伺服電機即壓電諧波電機[35]，如圖2所示，該電機以壓電力控制柔輪和剛輪嚙合，實現了驅動、控制和傳動的結構集成，使整個機電系統的結構尺寸進一步減小，該電機的堵轉轉矩為0.75 N·m。2004年，中國辛洪兵等利用8個壓電疊堆和位移放大機構設計了一種壓電諧波電機[36]。2014年，李霞等提出一種新型壓電換能器式波發生器驅動的壓電諧波電機[37]，該電機利用沿柔輪內圓圓周均勻分布6組壓電換能器和位移放大機構來實現能量的傳遞。

圖2 壓電諧波電機

許立忠等[38]提出一種機電集成壓電諧波傳動電機，如圖3所示。該電機將壓電驅動、諧波傳動、活齒傳動集成于一體，具有低速、大轉矩等特性。電機工作時，給兩個相互垂直方向的壓電疊堆通入相位差為90°的余弦信號后，兩壓電疊堆在激勵作用下進行伸縮變形，通過位移放大機構的作用，兩方向的變形量在波發生器邊緣處形成連續諧波，諧波推動活齒移動，進而輸出運動。

(a) 樣機

(b) 工作原理

3 不同類型比較及發展趨勢

3.1 不同類型壓電微電機比較

表1給出了各種類型的壓電微電機的比較，通過比較可以看出，各種壓電微電機各有優缺點，而且不同類型的電機可用于不同的場合。摩擦式壓電微電機適合用在對輸出轉矩要求較大且對傳動比要求不是很高的場合；非接觸式壓電微電機適合應用在對輸出轉矩要求較小的場合，且非接觸式壓電微電機具有較長的壽命；點接觸式壓電微電機適合應用在既對輸出轉矩要求較高，又對輸出轉速要求較低的情況下。

表1 各種壓電微電機比較

3.2 未來壓電微電機發展趨勢

目前，各類壓電微電機已經成功應用于工程實際和航空尖端技術領域。2013年，南京航空航天大學趙淳生科研團隊[39]將研發的直徑30 mm、重量僅為46 g的TRUM-30A型壓電超聲電機首次用于“嫦娥三號”探測器，協助探測器在月球表面實現完美著陸。

在未來對壓電電機研究中，各類跨學科、跨領域的壓電微電機將成為研究熱點。2015年，邢繼春等將壓電與電磁結合，設計了一種基于電磁夾持非接觸式旋轉壓電電機[40]，如圖4所示。該電機將電磁力引入到非接觸式壓電電機中，克服了非接觸式壓電電機輸出轉矩較小的缺陷，在未來工程實際中具有重要的應用價值。

圖4 電磁夾持非接觸式旋轉壓電電機

隨著科技的發展和研究的深入，類似電磁式的新型壓電微電機還會被研發出來。壓電微電機在尖端科技領域的作用將會進一步加強。

綜合國內外壓電電機的研究現狀，作者認為以下幾個方面會成為未來科研熱點研究方向：(1)高度集成的微納米尺寸的低速大轉矩的壓電微電機會繼續在航空、國防、武器裝備等領域發揮重要作用；(2)價格低廉、結構簡單、形狀各異的壓電微特電機會在家用設備中得以應用；(3)如何提高中國壓電微電機產品轉化率，使試驗樣機成為工業產品是未來科研和技術人員亟待解決的問題。以上三大方向的研究會加快壓電微電機的各方位的工程應用。

4 結 語

社會的發展對微型傳動機構的應用越來越廣泛，壓電微電機作為一類特種微型傳動電機已經在工業和社會各行業獲得極其廣泛的應用。在中國，壓電微電機的應用技術還有很大的發展空間，各種跨學科領域的壓電微特電機還有待探索和研究。在未來的科技發展中，對于壓電微電機的關注還會進一步提升。

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作者簡介：李沖(1988-)，男，博士研究生，研究方向為機電集成壓電諧波傳動系統。

Overview of Micro Piezodrive Motors

LI Chong，XU Li-zhong，GAO Li-chao，HE Xiao-dong

(Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

The piezoelectric micro motors' characteristics and the wide application prospects in advanced technology field were introduced. According to contact form between stator and rotor, the classification of piezoelectric micro motors was given, and research status at home and abroad of piezoelectric motors was discussed. Base on the advantage and disadvantage of various piezoelectric motors, the application scope of different piezoelectric motors was analyzed. Taking an electromagnetic type non-contact piezoelectric motor as example, the developing trend and wide application prospect of piezoelectric micro motors were indicated.

piezoelectric micro motors; research status; developing trend; application fields

王新君(1991-)，男，碩士研究生，研究領域為DSP的交流電機調速與伺服控制。

2015-06-08

國家自然科學基金項目(51275441);河北省研究生創新項目(00302-6370001)

TM359.9

A

1004-7018(2016)03-0071-05