直線超聲馬達研究進展

張彥虎，曲建俊

(1.江蘇大學 先進制造與現代裝備技術工程研究院, 江蘇 鎮江 212013；2.哈爾濱工業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

超聲馬達(USM)作為新型驅動元器件，具有功率密度大,低速大推力,結構緊湊,慣性小而響應快,運行低噪聲、無/抗電磁干擾及斷電自鎖等優點，在照相機[1]、汽車工業[2]、航空航天[3]、機器人[4-5]、醫療/生物工程[6]、微型機械[7-8]和精密定位[9-10]等高技術領域應用前景廣。USM按照定、動子接觸情況可分為非接觸型超聲馬達和接觸型超聲馬達。雖然前者在某些方面特點顯著，類型多樣，如雷諾剪切力驅動型[11-12]、輻射壓力驅動型[13]、壓電-電流變步進馬達[14]等，但接觸型馬達為目前直線馬達的主要發展方向。直線超聲馬達(LUSM)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應將電能轉換為彈性體超聲頻域內的微幅機械振動，通過彈性體表面的共振放大，在接觸配副(定子和動子)界面間以摩擦作用驅動動子實現宏觀直線運動。LUSM具有許多優勢[15-16]，使LUSM成為國內、外微特驅動領域重要的研究熱點。如今LUSM發展迅速，驅動原理趨于多樣化[17-18]，應用領域日益廣泛[19]。本文概述近十幾年來LUSM的發展現狀，從結構設計、接觸模型、非線性、能量損耗等方面進行了分析，以期對進一步研究提供一些有益的參考。

1 結構設計

LUSM通常由壓電陶瓷塊(板形、環形及其堆疊)、彈性振子、夾持裝置、控制電路和托板及導軌支架等零部件組成，對這些零部件進行合理設計能有效提升馬達性能。實現超聲馬達本體結構更簡單，作動/驅動功能增強，工作效率及穩定性提高，是LUSM結構設計的主要目標和任務。

LUSM根據壓電陶瓷的工作模式可分為貼片式、螺栓壓緊式和壓電堆疊型等類型。貼片式壓電超聲馬達因其結構簡單和制作成本低等優勢而被廣為研究和討論。船洼友龜等[20]研發的自行式直線超聲馬達(見圖1)，利用一階縱振和二階彎振復合實現驅動，矩形板振子的多部位驅動省去了以往必要的驅動平臺和可動導軌。同時，驅動元件預壓在滑動板上，這種直接接觸方式強化了橢圓效果，提高了驅動力，驅動性能穩定。圖中，B-,B+,A-,A+為兩路接線端子。

對粘貼于梁上的壓電陶瓷片施加適當頻率的單相交變電壓，就激發動子的一階彎曲振動；驅動足不設計在波腹或波節處，產生的是斜直線運動[21]。市川茂等設計了一種臥式直線超聲馬達[22](見圖2)，對其他輸出機構有良好的接口，可廣泛應用于自動化生產線中加工、裝配和裝拆工件等的機器手，工程機械和農業機械，汽車和電子工業等場合。李朝東等[23]報道了改進型的微型化超聲馬達，其結構尺寸經過優化而達到36 mm×5 mm×4 mm，并證實多片布置方案增大了輸出端的振動位移。一種利用d33模式工作的多齒驅動足線性壓電馬達，輸出速度達17.6 cm/s，驅動力為0.34 N[24]，可用于高速精密場合。

圖2 臥式直線超聲馬達

Piotr等[25]開發了一種軸式慣性直線超聲馬達。鋸齒形脈沖電壓激勵使彈性體發生彎曲振動，再將振動能量傳遞給可動軸，利用慣性原理驅動套在軸上的移動體發生直線運動。該型馬達簡化了制造工藝，實用性強，驅動性能優越，反沖小而工作狀態穩定。采用粉末注射成形技術，Yoon等[26]制作出一種基于慣性位移原理的圓頂形線性壓電馬達(見圖3)，性能良好。圖中，D為壓電陶瓷片外徑。

圖3 慣性直線超聲馬達

圖4 梯形振子直線超聲馬達

德國Physik Instrumente公司開發了一種具有等腰梯形振子的直線超聲馬達[27](見圖4)。以直線導軌作為運動部件，采用具有楔形增力的等腰板形振子，解決振子結構復雜，制造成本高，定位精度低和小型化難等問題。金家楣等報道了一種同頻信號激勵的方板雙模作動直線馬達，獲得了良好的輸出速度和推力[28]。

為了提升超聲馬達總體性能，一方面優化定、動子結構，另一方面結合實驗調整夾持條件，尤其是裝配預緊力對直線超聲馬達工作性能具有重要影響。在馬達工作時，夾持裝置因動子對定子高頻沖擊的反作用、定子支撐面處的高頻振動和接觸面粗糙峰誘導低頻振動等影響而處于振動狀態。通過對于會民等[29]開展的彈性夾持結構系列的研究(柔性鉸鏈、雙層板簧和三滾子結構等)，進一步將柔性鉸鏈進行改進[30]，減小了因定子裝配產生的附加應力，實現了超聲馬達夾持位移與預壓力成線性關系。面向不同應用領域的要求，復合模態工作的直線超聲馬達已有縱-彎復合型、縱-扭復合型、縱-縱復合型和彎-彎復合型等多種形式，并開始向高性能、微小型、模塊化、智能化方向發展。

2 馬達驅動模型

目前，已產生多種直線超聲馬達的驅動原理，如蠕動型(尺蠖型)、行波型、駐波型、聲表面波型及復合型等，但駐波型直線超聲馬達因具有多種優勢更引人關注。超聲馬達是以摩擦耦合彈性體觸頭的橢圓運動實現宏觀驅動，基于庫倫摩擦模型，切向驅動力(Fτ)與法向壓力(FN)之間滿足如下關系：

Fτ=μ(t)·FN(t)

(1)

式中μ(t)為時變摩擦系數，其受摩擦材料物化性能和定動子接觸過程的影響。在超聲馬達中，振動場內的μ較小[31-32]，但普遍認為μ不是簡單地服從普通滑動條件下的上述關系，而是一個多物理參量影響的因變量，為時間函數。FN包括預壓力和動子體自重，馬達在穩態工作階段時，其值與超聲振動產生的支撐力達到動態平衡。

駐波超聲馬達的驅動模型與行波馬達在宏觀上顯著不同、微觀上相似(見圖5)，接觸部位個數少且接觸面積小，接觸間隙長，沖擊磨損大和犁溝作用強，使駐波超聲馬達的磨損問題更突出(頻率為20 kHz的超聲波在固體中的波長約為20 cm，對于駐波馬達的驅動觸頭輪廓尺寸而言，該參數已足夠大以至于接觸長度不足1/4波長)。假設定子驅動頭為弧面，動子導軌上粘貼有摩擦材料層(或表面粘性處理層)。在時-空域內，單足駐波直線超聲馬達的驅動頭在Ti時刻時與動子部位I接觸，在Tj時刻時與動子部位II接觸。期間，驅動頭微觀地做高頻振動，表面形成橢圓軌跡，而宏觀上由于摩擦粘著與粘彈性遲滯使其表觀上做水平往復左右擺動，這種擺動性接觸使動子不斷獲得切向的摩擦力，從而不斷地輸送動子材料微粒做定向運動，最終實現水平驅動。圖中，vr為轉子轉動線速度,vw為行波速度,vs為動子運動速度,vh為驅動足端部質點振動速度水平分量,vv為質點振動速度豎直分量。

圖5 超聲馬達驅動機理的比較

在馬達驅動建模方面，目前較廣泛地被接受的驅動模型有滾子平板模型[33]、有限元分析模型[34-35]、等效電路模型[36]、沖量分析模型[37]和能量法解析模型[38]等，不同模型各自的特點影響其應用。表1為幾種超聲馬達驅動模型的比較。

表1 幾種超聲馬達驅動模型的比較

3 非線性問題

直線超聲馬達存在復雜的非線性問題[39]，涉及到多個學科，自然成為一個典型且復雜的非線性系統，如圖6所示。在結構方面，超聲馬達在工作時動子對定子高頻沖擊存在反作用力，且支撐定子的基體或支架聯接處存在高頻振動，機械聯接間隙使其進一步發生時空延續。同時，接觸界面間需粘貼柔性材料，因此，粘結層會破壞原有的線彈性關系，而膠層人工完成，無法保證其均勻性，膠層和材料間的空隙又阻礙了從壓電堆疊層向彈性體之間的線性過渡。

圖6 直線超聲馬達中的非線性問題

在材料方面，有限振幅的超聲波在固體中傳播時伴隨高次諧波的出現，波形會發生畸變，最終導致波陣面的間斷。另外，彈性定子體內部有位錯缺陷，由于預壓力和超聲波動作用，位錯線段經非線性振蕩，進一步引起晶體的附加應力[40]。壓電陶瓷中的微小裂紋對馬達的性能和壽命有重要的影響[41]，過高的溫度會使陶瓷的壓電性消失，過高的電源電壓會讓陶瓷擊穿。超聲馬達啟動前，在高頻電壓的激勵下電容和電感中的電子非均勻聚集產生非穩態電場，影響壓電陶瓷的瞬態響應。馬達啟動后運行一段時間，由于超聲振動的熱效應和摩擦作用，使定子體產生足夠大的熱量，進而通過改變摩擦材料的物化性能而影響界面接觸性能，同時熱量順勢傳遞到壓電體而使壓電陶瓷發生部分退極化現象。

在原理方面，超聲馬達的工作原理決定了摩擦磨損在超聲馬達研究中的地位。從圖6中可看出，摩擦材料的摩擦磨損及其熱效應將影響著馬達的驅動和使用。另外，定、動子間的摩擦驅動是遵循某種類橢圓軌跡的撥動性接觸，而這種接觸頻率很高，接觸力足夠大，微觀層面的累積實現動子的完全驅動。固然，馬達的正常驅動過程就是定、動子間具有偏斜角的高頻沖擊磨損過程。

在控制方面，壓電材料的遲滯阻尼會引起超聲馬達在運轉過程中出現滯后和共振頻率漂移等非線性問題[42]。實驗研究表明，輸出電流中會出現混頻，而各次諧波幅值隨著外部輸入電壓的變化時會發生飽和現象[43]。

4 噪聲與能耗

超聲馬達工作于超頻聲域，不在人類耳膜的敏感范圍(16～20 Hz，16 000～20 000 Hz)內，人們接受其“安靜運行”的特點。然而，因摩擦作用的存在，誘發接觸界面處質點的自激振動及摩擦噪聲，噪聲不能完全消除。現代摩擦學也認為，摩擦力與滑動速度關系曲線的負斜率特性誘發自激振動而產生摩擦噪聲[44]。實驗研究中，超聲馬達啟動和運行階段也存在該情形。噪聲一方面消耗能量，另一方面直接影響接觸的臨界穩態性能。

超聲馬達驅動接觸副元件，選用不同材料時產生不同噪聲分貝，預壓力不但影響噪聲大小，也影響噪聲主頻。摩擦材料、預壓力、接觸面積、壓電激勵頻率和驅動電路等因素均會影響超聲馬達噪聲[45]。通過希爾伯特-黃變換分析可知，系統運動非線性產生的分數次諧波是誘發噪聲的直接原因[46]。進一步來說，超聲馬達噪聲是由接觸副的摩擦自激振動引起，增大預壓力可以減小噪聲強度[47]。另外，摩擦材料的硬度和剛度對馬達噪聲和驅動性能的影響不一致。材料較硬則滑動摩擦較大，噪聲較大；材料較軟時噪聲較小，驅動力也較小。

噪聲問題和能量損失是制約超聲馬達性能和效率提升的關鍵問題。根據噪聲產生機理，認為超聲馬達的噪聲貫穿于機械噪聲、空氣動力噪聲和電磁噪聲，但其比例不同。每種噪聲均存在較復雜的場內變化，包括定、動子結構(及其配合間隙、加工精度)、功能材料(壓電材料、摩擦材料)、機電控制(包括阻抗匹配)等因素，其網絡關系如圖7所示。

圖7 直線超聲馬達噪聲映射圖

同樣，能量損失發生于能量轉換過程，對于直線超聲馬達而言，在電能通過壓電陶瓷的逆壓電效應轉化為彈性振動能的過程中，將產生振動聲能、變形和熱等；在彈性振動能通過摩擦耦合轉化為宏觀線性運動的過程中，會涉及到較復雜的摩擦過程；馬達運行過程中磨損和塑性變形會引起能量的二重損失。此外，各種形式伴生的熱能是超聲馬達產生能量損耗最重要的途徑。具體映射關系如圖8所示。

圖8 直線超聲馬達的能量流

5 結束語

概述了近十幾年來直線超聲馬達的研究進展，討論了超聲馬達在結構設計、摩擦接觸建模、非線性問題和能耗及噪聲等關鍵問題。放眼未來，直線超聲馬達的理論研究會得到更迅速的發展，將更廣泛地促進實際應用，也將助推產業化進程。