壓電微傳動(dòng)電機(jī)發(fā)展綜述

李 沖，許立忠，高立超，賀曉東

(燕山大學(xué)，秦皇島 066004)

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壓電微傳動(dòng)電機(jī)發(fā)展綜述

李 沖，許立忠，高立超，賀曉東

(燕山大學(xué)，秦皇島 066004)

介紹了壓電微電機(jī)的特點(diǎn)及在尖端技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，根據(jù)定轉(zhuǎn)子間的接觸形式給出了壓電微傳動(dòng)電機(jī)的分類(lèi)，詳述了各類(lèi)壓電微電機(jī)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。針對(duì)各類(lèi)壓電微電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了各類(lèi)壓電微電機(jī)的應(yīng)用范圍。以一類(lèi)電磁式非接觸壓電電機(jī)為例，指出了壓電微電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及未來(lái)廣泛的應(yīng)用前景。

壓電微電機(jī)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)；應(yīng)用領(lǐng)域

0 引 言

隨著航空航天、精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展以及電子和控制技術(shù)向機(jī)械領(lǐng)域的不斷滲透，跨學(xué)科、跨領(lǐng)域，集機(jī)械、電氣與控制于一體的新型復(fù)合傳動(dòng)成為微型機(jī)械科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際性前沿課題[1]。其中利用壓電陶瓷材料作驅(qū)動(dòng)的各類(lèi)微型傳動(dòng)電機(jī)因具有控制方便、頻率響應(yīng)快、位移分辨率高、無(wú)噪聲、無(wú)電磁干擾、低電壓驅(qū)動(dòng)及易于微型化的優(yōu)點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)[2-4]。

壓電電機(jī)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。目前，各種不同類(lèi)型的壓電電機(jī)已成功應(yīng)用于精密定位平臺(tái)、微型機(jī)器人、月球探測(cè)器等尖端技術(shù)領(lǐng)域。根據(jù)定轉(zhuǎn)子間的接觸類(lèi)型，可將壓電微傳動(dòng)電機(jī)分為三類(lèi)，即摩擦式壓電微電機(jī)、非接觸式壓電微電機(jī)和點(diǎn)接觸式壓電微電機(jī)。本文在總結(jié)壓電微電機(jī)研究現(xiàn)狀及分類(lèi)的基礎(chǔ)上，給出未來(lái)壓電微電機(jī)的發(fā)展方向，為壓電電機(jī)的廣泛應(yīng)用提供一定借鑒。

1 壓電微電機(jī)研究現(xiàn)狀

壓電電機(jī)從提出到現(xiàn)在已經(jīng)走過(guò)了幾十年的歷程，但僅僅在近20多年來(lái)，壓電電機(jī)才真正從理論過(guò)渡到應(yīng)用階段。壓電電機(jī)最初由蘇聯(lián)專(zhuān)家最先提出，1964年基輔理工學(xué)院的V. Vlavrinenko設(shè)計(jì)了第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)壓電電機(jī)[5]。日本對(duì)壓電電機(jī)研究較早，成果較多，最早將壓電電機(jī)推向?qū)嵱没l(fā)展階段。壓電電機(jī)的發(fā)展主要經(jīng)歷了四個(gè)階段，分別是基礎(chǔ)研究階段、專(zhuān)利申請(qǐng)階段、產(chǎn)品研制階段和工業(yè)應(yīng)用階段，如圖1所示[6]。20世紀(jì)60、70年代，壓電電機(jī)處于基礎(chǔ)研究階段，各國(guó)學(xué)者紛紛投入到壓電電機(jī)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(zhuān)利的形式保護(hù)起來(lái)；80年代中后期，科研單位和企業(yè)紛紛投入到壓電電機(jī)的應(yīng)用研制階段；90年代以后，大量壓電電機(jī)已經(jīng)投入到工業(yè)應(yīng)用中。目前，壓電電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最好的國(guó)家是日本，佳能、松下、豐田等公司分別將壓電電機(jī)應(yīng)用在相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)、家用電器、汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中[7]。此外，壓電電機(jī)在航空、精密定位、機(jī)器人等領(lǐng)域發(fā)展迅速，麻省理工學(xué)院研制的雙面齒壓電超聲電機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于火星探測(cè)器操縱臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中；壓電電機(jī)具有響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，使得其能夠迅速起動(dòng)和停止，適合應(yīng)用于高精密定位。由于壓電電機(jī)沒(méi)有噪聲，在辦公室、圖書(shū)館、家庭、賓館、醫(yī)院等對(duì)環(huán)境要求較安靜的場(chǎng)所，可使用壓電超聲電機(jī)為窗簾機(jī)提供驅(qū)動(dòng)，達(dá)到保持室內(nèi)安靜、減小噪聲的效果。

圖1 壓電電機(jī)發(fā)展歷程

我國(guó)在20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始接觸和研究壓電電機(jī)，南京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、天津大學(xué)等高校率先研制出各種類(lèi)型的壓電超聲電機(jī)樣機(jī)[8-9]。在壓電電機(jī)實(shí)用化進(jìn)程中，南京航空航天大學(xué)和清華大學(xué)走在了時(shí)代的前列，先后將壓電電機(jī)應(yīng)用于家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航天探測(cè)器等領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前在國(guó)內(nèi)開(kāi)展壓電電機(jī)、壓電驅(qū)動(dòng)器研究的高校及研究所已經(jīng)高達(dá)上百所，各具特色的壓電微電機(jī)被設(shè)計(jì)和研制出來(lái)。雖然國(guó)內(nèi)壓電微電機(jī)已經(jīng)獲得應(yīng)用，但是其應(yīng)用領(lǐng)域還不夠廣泛，與日本、美國(guó)等世界先進(jìn)技術(shù)國(guó)家相比還有很長(zhǎng)路要走。

2 壓電微電機(jī)分類(lèi)

2.1 摩擦式壓電微電機(jī)

摩擦式壓電微傳動(dòng)電機(jī)是最早出現(xiàn)、最早被應(yīng)用到工程實(shí)際中的一類(lèi)壓電電機(jī)，其典型代表的就是壓電超聲電機(jī)在世界范圍內(nèi)的廣泛使用。日本是最初將壓電電機(jī)推向商業(yè)應(yīng)用的國(guó)家，其擁有目前世界上一半以上壓電超聲電機(jī)的發(fā)明專(zhuān)利[10-11]。早在1972年，日本著名的松下電器公司將自主研發(fā)的具有商業(yè)應(yīng)用前景的壓電超聲電機(jī)申請(qǐng)了專(zhuān)利[12]，該電機(jī)同時(shí)也是世界上第一個(gè)擁有專(zhuān)利的壓電超聲電機(jī)。1980年，日本指田年生設(shè)計(jì)和制造出第一臺(tái)駐波型蘭杰文振子結(jié)構(gòu)的壓電超聲電機(jī)[13]，該電機(jī)的研制第一次符合工程實(shí)用的條件。與此同時(shí)，前蘇聯(lián)學(xué)者Vasiliev等[14]在1981年設(shè)計(jì)出一種能夠驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的壓電電機(jī)，該電機(jī)后來(lái)成為最早被實(shí)際使用的壓電電機(jī)。1987年，日本佳能相機(jī)公司將研發(fā)的環(huán)狀行波型壓電超聲電機(jī)成功配備于EOS相機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)中[15]，標(biāo)志著壓電超聲電機(jī)正式邁向商業(yè)實(shí)用化的隊(duì)列。1996年，日本東京大學(xué)Takeshi Morita等[16]設(shè)計(jì)和制造出薄膜沉積式柱狀彎曲型超聲電機(jī)，當(dāng)給該電機(jī)施加106 kHz的激勵(lì)頻率時(shí)，此電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩分別達(dá)到880 r/min和7 μN(yùn)·m。

進(jìn)入21世紀(jì)，壓電電機(jī)的研究在世界范圍內(nèi)獲得迅猛發(fā)展。2002年，賓夕法尼亞州立大學(xué)的學(xué)者Burhanettin Koc[17]研制出一種采用金屬柱體彎曲振動(dòng)模態(tài)的單相驅(qū)動(dòng)微型壓電超聲電機(jī)，后來(lái)該電機(jī)被韓國(guó)三星公司成功應(yīng)用于手機(jī)相機(jī)的調(diào)焦系統(tǒng)中。2005年，日本學(xué)者T. Kanda等[18]先后研制出一系列利用單轉(zhuǎn)子軸作為輸出裝置的管狀壓電超聲電機(jī)，并對(duì)該電機(jī)的定轉(zhuǎn)子在不同接觸角時(shí)的輸出特性進(jìn)行了研究。2013年，日本Tomoaki Mashimo[19]研制出一臺(tái)定子體積僅為1 mm3的壓電超聲電機(jī)，該電機(jī)能產(chǎn)生0.013 μN(yùn)·m的轉(zhuǎn)矩。

盡管海外學(xué)者對(duì)摩擦式壓電微電機(jī)做出了顯著成果，然而國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)近年來(lái)也對(duì)此種微電機(jī)進(jìn)行了深入探索。1989年，清華大學(xué)周鐵英和董蜀湘申請(qǐng)了中國(guó)首個(gè)自主研發(fā)的壓電微動(dòng)電機(jī)專(zhuān)利[20]。1995年，南京航空航天大學(xué)趙淳生團(tuán)隊(duì)研制出首臺(tái)環(huán)形壓電行波超聲電機(jī)[21]，該電機(jī)具有廣闊的市場(chǎng)前景，經(jīng)優(yōu)化后被用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)窗簾。1996年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)江溯和孫立寧等設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置角位移傳感器的壓電旋轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)電機(jī)[22]。1997年，清華大學(xué)董蜀湘等設(shè)計(jì)和制造出彎曲型壓電超聲電機(jī)[23]，試驗(yàn)測(cè)得該電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為55 mN·m，在激光諧振腔的微調(diào)器中獲得成功應(yīng)用。此外，清華大學(xué)周鐵英科研團(tuán)隊(duì)于2004年成功研制出當(dāng)時(shí)最細(xì)微直徑僅1 mm的微型壓電超聲電機(jī)[24]，該電機(jī)最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速分別為4 μN(yùn)·m和1 800 r/min，在醫(yī)學(xué)OCT內(nèi)窺鏡中體現(xiàn)了商業(yè)價(jià)值。2014年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳維山等設(shè)計(jì)出一種定子具有“三明治”結(jié)構(gòu)的新型行波壓電超聲電機(jī)[25]，當(dāng)給電機(jī)施加100 V的激勵(lì)電壓時(shí)，電機(jī)的無(wú)負(fù)載最大轉(zhuǎn)速為2.23 r/min，最大輸出轉(zhuǎn)矩為0.15 N·m。

2.2 非接觸式壓電微電機(jī)

非接觸式壓電微電機(jī)獨(dú)特之處在于定轉(zhuǎn)子間分離或者通過(guò)一定介質(zhì)隔開(kāi)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源，可將非接觸式壓電微電機(jī)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(jī)[26]。1995年日本學(xué)者山崎藤吾等人研制一種驅(qū)動(dòng)頻率為26 kHz的圓筒型非接觸超聲波電機(jī)[27]，該電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。與此同時(shí)，K. Nakamura等人利用電流變作為定轉(zhuǎn)子間的介質(zhì)研制了一種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的非接觸式壓電超聲電機(jī)[28]。2011年，白俄羅斯學(xué)者D.A. Stepanenko等設(shè)計(jì)了一種由環(huán)形定子和刀片狀轉(zhuǎn)子構(gòu)成的非接觸式壓電電機(jī)[29]，電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)接收聲輻射的能量產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)非接觸式壓電傳動(dòng)微電機(jī)的研究進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，吉林大學(xué)、清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校都涌現(xiàn)出眾多成果。趙淳生團(tuán)隊(duì)提出一種筒型非接觸式壓電超聲電機(jī)[30]，電機(jī)主要由筒狀的定子和轉(zhuǎn)子組成，最大轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩分別達(dá)到2 100 r/min和13 μN(yùn)·m。鄂世舉等[31]通過(guò)試驗(yàn)和分析非接觸式壓電電機(jī)的結(jié)構(gòu)，對(duì)非對(duì)稱(chēng)波驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行了驗(yàn)證，找出了非對(duì)稱(chēng)波型非接觸式壓電電機(jī)的激勵(lì)頻率，給出了激勵(lì)電壓與樣機(jī)轉(zhuǎn)速間的關(guān)系。陳超等[32]提出了一種由球形轉(zhuǎn)子構(gòu)成的非接觸式壓電電機(jī)，該電機(jī)通過(guò)壓電陶瓷激勵(lì)碗狀定子產(chǎn)生兩相駐波且合并成一處強(qiáng)行波，進(jìn)而誘發(fā)高聲強(qiáng)聲場(chǎng)來(lái)同時(shí)懸浮和驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子，在激勵(lì)電壓為300 V時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為521 r/min。邱偉等人研發(fā)了一種通過(guò)巨電流變流體控制扭轉(zhuǎn)振子的非接觸式旋轉(zhuǎn)壓電電機(jī)[33]，該電機(jī)激勵(lì)頻率為118 Hz，最高轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分別達(dá)到1.04 mN·m和6.98 rad/s。

2.3 點(diǎn)接觸式壓電微電機(jī)

將定轉(zhuǎn)子間通過(guò)點(diǎn)接觸的形式傳遞運(yùn)動(dòng)的壓電電機(jī)歸為點(diǎn)接觸式壓電微電機(jī)。點(diǎn)接觸式壓電微電機(jī)最經(jīng)典的方案就是將壓電驅(qū)動(dòng)與諧波傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。壓電諧波電機(jī)最早由學(xué)者Hamaguchi[34]提出。2000年，德國(guó)學(xué)者Oliver Barth設(shè)計(jì)并制造出一種小型伺服電機(jī)即壓電諧波電機(jī)[35]，如圖2所示，該電機(jī)以壓電力控制柔輪和剛輪嚙合，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)、控制和傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)集成，使整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)一步減小，該電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為0.75 N·m。2004年，中國(guó)辛洪兵等利用8個(gè)壓電疊堆和位移放大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種壓電諧波電機(jī)[36]。2014年，李霞等提出一種新型壓電換能器式波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的壓電諧波電機(jī)[37]，該電機(jī)利用沿柔輪內(nèi)圓圓周均勻分布6組壓電換能器和位移放大機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。

圖2 壓電諧波電機(jī)

許立忠等[38]提出一種機(jī)電集成壓電諧波傳動(dòng)電機(jī)，如圖3所示。該電機(jī)將壓電驅(qū)動(dòng)、諧波傳動(dòng)、活齒傳動(dòng)集成于一體，具有低速、大轉(zhuǎn)矩等特性。電機(jī)工作時(shí)，給兩個(gè)相互垂直方向的壓電疊堆通入相位差為90°的余弦信號(hào)后，兩壓電疊堆在激勵(lì)作用下進(jìn)行伸縮變形，通過(guò)位移放大機(jī)構(gòu)的作用，兩方向的變形量在波發(fā)生器邊緣處形成連續(xù)諧波，諧波推動(dòng)活齒移動(dòng)，進(jìn)而輸出運(yùn)動(dòng)。

(a) 樣機(jī)

(b) 工作原理

3 不同類(lèi)型比較及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 不同類(lèi)型壓電微電機(jī)比較

表1給出了各種類(lèi)型的壓電微電機(jī)的比較，通過(guò)比較可以看出，各種壓電微電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且不同類(lèi)型的電機(jī)可用于不同的場(chǎng)合。摩擦式壓電微電機(jī)適合用在對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩要求較大且對(duì)傳動(dòng)比要求不是很高的場(chǎng)合；非接觸式壓電微電機(jī)適合應(yīng)用在對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩要求較小的場(chǎng)合，且非接觸式壓電微電機(jī)具有較長(zhǎng)的壽命；點(diǎn)接觸式壓電微電機(jī)適合應(yīng)用在既對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩要求較高，又對(duì)輸出轉(zhuǎn)速要求較低的情況下。

表1 各種壓電微電機(jī)比較

3.2 未來(lái)壓電微電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

目前，各類(lèi)壓電微電機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用于工程實(shí)際和航空尖端技術(shù)領(lǐng)域。2013年，南京航空航天大學(xué)趙淳生科研團(tuán)隊(duì)[39]將研發(fā)的直徑30 mm、重量?jī)H為46 g的TRUM-30A型壓電超聲電機(jī)首次用于“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器，協(xié)助探測(cè)器在月球表面實(shí)現(xiàn)完美著陸。

在未來(lái)對(duì)壓電電機(jī)研究中，各類(lèi)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的壓電微電機(jī)將成為研究熱點(diǎn)。2015年，邢繼春等將壓電與電磁結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于電磁夾持非接觸式旋轉(zhuǎn)壓電電機(jī)[40]，如圖4所示。該電機(jī)將電磁力引入到非接觸式壓電電機(jī)中，克服了非接觸式壓電電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較小的缺陷，在未來(lái)工程實(shí)際中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖4 電磁夾持非接觸式旋轉(zhuǎn)壓電電機(jī)

隨著科技的發(fā)展和研究的深入，類(lèi)似電磁式的新型壓電微電機(jī)還會(huì)被研發(fā)出來(lái)。壓電微電機(jī)在尖端科技領(lǐng)域的作用將會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。

綜合國(guó)內(nèi)外壓電電機(jī)的研究現(xiàn)狀，作者認(rèn)為以下幾個(gè)方面會(huì)成為未來(lái)科研熱點(diǎn)研究方向：(1)高度集成的微納米尺寸的低速大轉(zhuǎn)矩的壓電微電機(jī)會(huì)繼續(xù)在航空、國(guó)防、武器裝備等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；(2)價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形狀各異的壓電微特電機(jī)會(huì)在家用設(shè)備中得以應(yīng)用；(3)如何提高中國(guó)壓電微電機(jī)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率，使試驗(yàn)樣機(jī)成為工業(yè)產(chǎn)品是未來(lái)科研和技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。以上三大方向的研究會(huì)加快壓電微電機(jī)的各方位的工程應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

社會(huì)的發(fā)展對(duì)微型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，壓電微電機(jī)作為一類(lèi)特種微型傳動(dòng)電機(jī)已經(jīng)在工業(yè)和社會(huì)各行業(yè)獲得極其廣泛的應(yīng)用。在中國(guó)，壓電微電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)還有很大的發(fā)展空間，各種跨學(xué)科領(lǐng)域的壓電微特電機(jī)還有待探索和研究。在未來(lái)的科技發(fā)展中，對(duì)于壓電微電機(jī)的關(guān)注還會(huì)進(jìn)一步提升。

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作者簡(jiǎn)介：李沖(1988-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電集成壓電諧波傳動(dòng)系統(tǒng)。

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(lǐng)域?yàn)镈SP的交流電機(jī)調(diào)速與伺服控制。

2015-06-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275441);河北省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(00302-6370001)

TM359.9

A

1004-7018(2016)03-0071-05