超声波马达

转自：机电之家

    超声波马达是二十世纪七○年代提出的一种新型马达，发展的历史不过30年，却已有许多不同结构的马达陆续问世，特别是日本工业界更是积极投入这个领域的研究开发，例如SHINSEI、CANON、SONY、SEIKO、NEC……等公司，都有许多关于超声波马达的专利与应用。虽然目前超声波马达的应用尚不及常见的电磁马达那么普遍，但是它有一些电磁马达所不能及的优点。在某些特殊场合使用超声波马达，可以使工作效率大为提升。
    阅读本文后，读者不妨试着找找看，周遭有哪些东西已经应用超声波马达，以及在哪些场合也可能需要使用这种马达。在了解超声波马达之前，首先要知道什么是超音波。一般而言，人耳所能听到的声音频率范围大约在20赫兹～20千赫兹之间，而超过20千赫兹以上，人耳无法辨识的频率便称为超声波。
    那么究竟什么是超声波马达？其基本工作原理又为何？简单地说，利用压电材料输入电压会产生变形的特性，使其能产生超声波频率的机械振动，再透过摩擦驱动的机构设计，让超声波马达如同电磁马达一般，可做旋转运动或直线式移动。
    通常电磁马达运\转时我们会觉得有杂音，这是因为马达内部结构产生振动，而振动频率恰好在我们耳朵可以感受的频率范围内。超声波马达的振动频率则设计在人耳所能听到的范围之外，所以当它运\转时我们感觉不到有声音，因而觉得非常安静，这是超声波马达一个相当重要的特色。
神奇的压电效应
    在上面的说明中，我们知道压电材料在超声波马达内扮演着极为重要的角色，接下来将引导各位进入压电的世界。压电效应是一八八○年居里兄弟（Jacques Curie, 1855-1941; Pierre Curie, 1859-1906）发现的，他们在研究晶体热电现象与结晶对称关系时，认为这个现象可能是由加热时晶体体积发生变化所导致的。根据这个想法他们做了许多实验，发现电气石或石英等天然矿石晶体受到压力时，由于体积变化，在晶体表面会有微小电荷产生。
    来年，他们又发现当晶体置于电场中时也会造成体积上的变化，证明了这种现象是可逆的。这个发现开启了一项新的研究领域，即「压电效应的探讨与应用」。因为压电效应是可逆的，所以把材料因体积变化而产生电压的效应称为「正压电效应」；反之，材料因加入电压而造成体积变化的效应称为「逆压电效应」；而具有压电效应的材料则统称为「压电材料」。
    具压电效应的材料除了天然的晶体，如石英、电气石、罗德盐等材料以外，还能以人工的方式制造，如氧化锌、聚合物、陶瓷材料、复合材料等。其中陶瓷材料因为制造容易、可制成任何形状、且其特性可随组成做多样性的变化等优点，目前已经成为压电组件的主流。
    一般而言，压电陶瓷材料具有体积小响应快速、位移量小消耗功率低等特色。但也有一些使用上的限制，例如材质易脆等。虽然可以承受较大的正向压力，但是当它承受不均匀的力量时，也很容易造成材料的破坏。另外，其特性受温度影响大也是一种限制，故而直接影响超声波马达的性能。 
    目前压电陶瓷材料应用的范围相当广。利用材料的正压电效应可应用于传感器、点火器等；而逆压电效应则可做成致动器、蜂鸣器、超声波转换器等装置。
    很明显地在超声波马达中，主要是利用压电陶瓷材料的逆压电效应，从外部输入高频电压讯号，就会产生高频的机械振动。虽然压电材料体积的变化量非常小，约微米甚至是奈米量级，不过透过一秒数万次的振动放大，使得超声波马达可以兼顾高位移分辨率与长行程的特色。
超声波马达的起源
    在超声波马达问世之前，实际上已有利用压电材料振动特性来驱动的压电马达，惟其频率并不限于超声波的范围。早在一九四八年威廉和布朗就申请了「压电马达」的美国专利；一九六一年宝路华钟表公司研制出音叉驱动的手表；一九七○～一九七二年西门子和松下两公司发展出线型压电步进马达，不过因为无法达到较大的输出力及效率，所以当时并没有普遍地应用。
    一九七三年美国IBM公司的巴特（H.V. Barth），首次提出利用压电组件以超声波振动的方式来驱动的马达，但因为磨耗上的问题，和之前的手表案例一样，仅发表出来而没有实际上的应用。几乎同时，俄国人V.H. Lavrinenko也设计了一些驱动原理相同的马达结构；一九七八年瓦西里耶夫（P.E. Vasiliev）则是利用超声波转换器作为马达的驱动来源，不过都没有发展出完整的马达结构。
    一九八○年日本指田年生（Toshiiku Sashida）研制出以振动片驱动的超声波马达，具有较完整的马达结构。至此，以压电材料产生超声波振动来驱动马达的概念就开始慢慢地发展起来。虽然因为磨耗以及温度上升等问题，使得这些超声波马达仍然没有实际的应用，不过已具有高精度、低速高转矩等特色。 
    直到一九八二年，指田年生又发展出一种新型的超声波马达驱动方式，在设计上已经考虑到磨耗的改善，这才是第一个真正达到具有商业应用价值的超声波马达，且首先应用在照相机的自动对焦系统中，这也是目前使用超声波马达最多的领域。
超声波马达和电磁马达的比较 
    超声波马达突破了传统电磁马达的观念，没有了线圈与磁铁，也就是不依靠电磁的相互作用来转换能量。取而代之的是利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声波振动，透过摩擦来转换能量。因为如此截然不同的作用原理，也造成了超声波马达和电磁马达之间迥异的特性。接下来让我们来看看，超声波马达和电磁马达之间有哪些不同的地方吧！

超声波马达不受磁场干扰的影响
    从马达的结构我们可以明显看出，超声波马达没有线圈与磁路的设计，当然在运转时也就不会受到外界磁场的影响，而且其本身也不会有磁场产生。
    在某些具有强磁场干扰的场合，例如磁浮列车上以及医院里的核磁共振设备中，磁场的干扰可能会造成电磁马达失效；或是在极精密的仪器里，使用一个电磁马达对仪器而言，可能会是一个磁场的干扰源，进而影响仪器的精密度。而超声波马达的本质特性恰好能够解决这些因磁场干扰而造成的问题。
超声波马达有较大的保持扭矩
    什么是保持扭矩呢？即是在不输入电压的情形下，要让马达转动所需施加的外力。一般的电磁马达其保持扭矩较小，在切掉电源后，由于惯性力大于保持扭矩，所以马达不会立即停止。而超声波马达因为其摩擦驱动的原理，所以保持扭矩相当大，若在运转时突然切掉电源，马达会立即停止，不会因惯性作用而继续移动。利用这个特点，我们可以轻易地做到快速且精确的定位，不但可以大幅增加系统的定位性能，更可以减少系统设计时的复杂度。
    超声波马达在低转速时有较大的输出转矩，可直接驱动负载
这是超声波马达另一个相当重要的特点，一般常见的电磁马达若要达到低转速时有大输出转矩的特性，通常要加上齿轮变速机构来降低转速才能够达成；而超声波马达不需要这类减速机构就能够直接驱动负载，不但可以减少减速机构的重量与其所占的体积，更可以避免因为齿轮变速机构所产生的振动、冲击与噪音等问题。
另外，目前计算机中所使用的光驱和硬盘机，磁头的直线运动是使用电磁马达和齿轮机构来实现的。在这样的传动系统中要进一步减小机构的体积，并提高定位精度是相当困难的。如果利用直线型超声波马达的直接驱动特性，制造出更雹更小且高定位精度的传动系统就不再是一件困难的事情了！
超声波马达运转较为安静
    本文前面已经提过，因为超声波马达的振动频率高于我们耳朵所能感受的范围，而且不需要变速机构即可直接驱动，因此避免了机构振动所产生的噪音。所以在某些需要安静的场合，例如医院、办公室、图书馆……等场所，使用超声波马达不失为一个不错的选择。在日本东京的市政办公大楼中，便有使用超声波马达驱动的自动窗帘。
    除了上述主要的特点外，超声波马达还具有体积孝重量轻、响应快速、结构简单……等特色。不过有优点也会有缺点，例如摩擦会造成磨耗的问题，而且由于超声波马达使用压电陶瓷材料，其材料特性也直接影响工作的性能。以下让我们来看看超声波马达还有哪些需要改进的地方吧！
超声波马达不适合高速运转
    我们已经知道超声波马达在低速运转时的某些特性比电磁马达好，但是在高速运转的情况下是不是也一样呢？答案是否定的！因为若我们拿同样一片压电陶瓷接上固定的电压时，可以发现到在不同的温度下会有不同程度的体积变化，在超过了某一特定温度后其压电效应甚至会消失！又超声波马达是以摩擦的方式来产生运动，摩擦会生热，转速越快摩擦得越快，产生的热量也越多，于是造成超声波马达内部的压电陶瓷材料温度也就越来越高，进而影响输出性能。所以超声波马达不适合用在需要高速运转的场合。
超声波马达使用寿命较短 
    因超声波马达是利用摩擦驱动的方式运转，有摩擦势必会产生磨耗，长期下来摩擦接口会变得越来越光滑，所能产生的摩擦力也跟着变小，马达所能输出的力也相对地变校虽然目前有许多减少超声波马达磨耗的设计以及较好的摩擦材料，不过和一般的电磁马达相比，超声波马达本质上还是无法比电磁马达长寿。

 

超声波马达定速控制的设计较为复杂
    在前面提过超声波马达在精密的定位控制上有其先天的优势。但是在某些需要以固定速度运转的场合，反而不如传统电磁马达适用，这是因为超声波马达内部的温度与摩擦接口的摩擦系数会随着操作时间及温度而改变，亦即超声波马达输出的性能会因为运转的时间不同而有所差异，还有因为正转与反转的动态特性亦不大相同……等因素所造成的。因此，如果要用超声波马达来达到精密的速度控制时，我们需要比电磁马达更为复杂的控制设计才能够达成。
超声波马达成本较高
    超声波马达虽然结构简单，但是目前的压电陶瓷材料价格较高。此外，还需要配合使用较好的摩擦材料以及高频的驱动器来使压电陶瓷产生高频振动，而良好的高频驱动器在设计上较为复杂，所以价格也偏高。这些也是导致现今超声波马达价格比电磁马达高的主要原因。
    根据超声波马达的特点，在某些场合，例如低转速时要有高转矩输出、间歇性的运动、空间形状受限制、安静以及其它特殊需求的场所，使用超声波马达会比电磁马达更为合适。目前我们已经可以在照相机、手表、汽车、医疗设备、航天工业、精密定位设备、机器人、微型机械等领域里找到超声波马达的踪迹。在未来，超音波马达甚至有可能取代部分的微、小型电磁马达。
超声波马达的应用
    让我们来了解超声波马达目前有哪些成功的应用吧！日本的CANON公司最早将超声波马达使用在照相机的透镜驱动上，因为超声波马达可以做成中空的结构，使得对焦系统的结构变得简单。而且由于直接驱动的特性，没有减速齿轮的惯性以及噪音。此外，当电源切断时，马达会立即停止不再移动，具有高度的制动性，不但对焦快速而且准确，大大提升了照相机的对焦性能。 
    这么好用的马达当然不会只由CANON公司所独享，其它如NIKON、MINOLTA、OLYMPUS等公司都推出使用超声波马达驱动的镜头。另外，SIGMA公司在大口径的望远镜中也使用到超声波马达。
    日本SEIKO公司已研发出小型的超声波马达，其大小分别为直径4.5毫米、厚度2.5毫米和直径8毫米、厚度4.5毫米两种。它们可用于手表上的日历驱动和振动提示功能，并且已有一系列的产品。
    超声波马达因为体积孝重量轻、比同尺寸的电磁马达能够输出更大的力，又不受磁场影响，举凡在航天飞机、无人探测船、人造卫星……等上面，超声波马达都有很大的发展空间。美国航空暨太空总署已经成功地将超声波马达应用在无人探测船的机械手臂上，所使用的超声波马达比同功能的电磁马达减轻了40％的重量！
    另外，北京清华大学亦研制了世界上最小的超声波马达，直径只有1毫米，长5毫米，重量仅有36毫克。在未来或许可以发展出微型机器人，能够携带药物或微型机械，在人类的身体中进行如血管清除及药物投射等工作。
    除了以上的应用以外，由于超声波马达的位移分辨率可以达到次微米甚至是奈米级的精度，所以未来在一些精密仪器、医疗设备以及半导体制造设备中，超声波马达会是个不错的选择！
    看到这里，各位是不是对超声波马达有了基本的认识呢？原理其实非常的简单，而且也有其独特的地方，然而综合超声波马达的特性以及成本上的考虑，目前还是不可能完全地取代电磁马达。不过如果结构设计合理，应用场合选择得当，超声波马达可以和电磁马达相互截长补短，获得更广泛而有效的应用。