對(duì)于工業(yè)應(yīng)用和未來(lái)的航天器來(lái)說(shuō)，改進(jìn)功能以及減輕重量和尺寸是至關(guān)重要的挑戰(zhàn)。其中一個(gè)難題是馬達(dá)的尺寸減小。當(dāng)尺寸減小到幾毫米或更小時(shí)，常規(guī)使用的基于電磁線圈的馬達(dá)效率會(huì)大幅下降。然而，壓電超聲波馬達(dá)（piezoelectric ultrasonic motor）的最新進(jìn)展可能助力解決上述技術(shù)難題。當(dāng)高速和高精度在運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中同樣重要時(shí)，壓電超聲波馬達(dá)可以提供顯著的優(yōu)勢(shì)，其也非常適合尺寸和重量是關(guān)鍵因素的應(yīng)用，例如無(wú)人機(jī)或其它無(wú)人駕駛飛行器。此外，壓電超聲波馬達(dá)的高效率還可以降低能耗和運(yùn)營(yíng)成本。

什么是壓電超聲波馬達(dá)？

1965年，V.V Lavrinko發(fā)明了全球首個(gè)壓電超聲波馬達(dá)。而第一個(gè)具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的壓電超聲波馬達(dá)誕生于1982年，由日本的指田年生（Toshiiku Sashida）研制而成。該馬達(dá)改善了磨損和轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題。在常規(guī)使用的馬達(dá)中，電磁場(chǎng)提供驅(qū)動(dòng)力，這是眾所周知的。然而，在壓電超聲波馬達(dá)中，則利用壓電晶體的“逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）”產(chǎn)生人耳聽(tīng)不見(jiàn)的超聲波（頻率范圍為20 kHz至10 MHz）為馬達(dá)提供驅(qū)動(dòng)力。壓電超聲波馬達(dá)通常由振動(dòng)件（定子）和運(yùn)動(dòng)件（轉(zhuǎn)子）兩部分組成，沒(méi)有繞組、磁體及絕緣結(jié)構(gòu)。壓電超聲波馬達(dá)因內(nèi)部不存在磁場(chǎng)，機(jī)械振動(dòng)頻率在可聽(tīng)范圍外，因此對(duì)外界的電磁干擾和噪聲影響很小。

壓電超聲波馬達(dá)的內(nèi)部展示：可見(jiàn)兩個(gè)提供機(jī)械扭矩的壓電晶體。

壓電超聲波馬達(dá)如何工作？

壓電超聲波馬達(dá)的結(jié)構(gòu)形式很多，但基本工作原理相同：對(duì)極化后的壓電晶體施加一定的高頻交變電壓，壓電晶體隨著高頻電壓的幅值和方向變化而產(chǎn)生膨脹或收縮，從而在定子彈性體內(nèi)激發(fā)出超聲波振動(dòng)，這種振動(dòng)傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。壓電超聲波馬達(dá)主要有駐波型和行波型兩種。駐波型壓電超聲波馬達(dá)的條狀壓電體具有交替排列的極化區(qū)，施加直流電壓時(shí)產(chǎn)生伸縮交替的變形，收縮部分凸起，伸長(zhǎng)部分下凹，整條呈波狀。電壓極性相反，變形方向隨之改變。例如施加交流電壓，壓電體就隨時(shí)間作振動(dòng)變形。此變形是一系列以極化界面為過(guò)零點(diǎn)的脈振波，即駐波振動(dòng)。行波型壓電超聲波馬達(dá)由兩條相同的壓電體相互錯(cuò)開(kāi)半個(gè)極化區(qū)長(zhǎng)度粘合成一體而成，當(dāng)分別施加時(shí)間上相差90°電角度的交流電壓時(shí)，兩壓電體就分別作駐波振動(dòng)，由彈性體接受的合成振動(dòng)波是一個(gè)隨時(shí)間前進(jìn)的行波，即作行波振動(dòng)。

壓電超聲波馬達(dá)與其它馬達(dá)有何不同？

與傳統(tǒng)的電磁馬達(dá)相比，壓電超聲波馬達(dá)的小型結(jié)構(gòu)和適應(yīng)性設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)高扭矩密度（扭矩/重量比）。在某些情況下，壓電超聲波馬達(dá)可以直接驅(qū)動(dòng)有效載荷，從而完全不需要齒輪或齒輪系。更重要的是，由于壓電材料的優(yōu)點(diǎn)和轉(zhuǎn)子的低慣性，壓電超聲波馬達(dá)可以在幾微秒內(nèi)響應(yīng)激勵(lì)。此外，其還可以自鎖，具有高保持扭矩并精確調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)，因此可用于需要高精度的生物醫(yī)學(xué)、高端制造等領(lǐng)域。

此外，壓電超聲波馬達(dá)在磁共振成像中非常有用，因?yàn)槠洳划a(chǎn)生電磁干擾。壓電超聲波馬達(dá)還是航空航天應(yīng)用（例如太空任務(wù)）的首選，因?yàn)槠淇梢栽跇O冷或極熱的環(huán)境中運(yùn)行。除了上述品質(zhì)外，壓電超聲波馬達(dá)無(wú)噪音運(yùn)行使其成為優(yōu)先考慮降噪的場(chǎng)所的理想選擇。

壓電超聲波馬達(dá)有哪些不同類型？

如果按照產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的超聲波類型，壓電超聲波馬達(dá)可分為駐波型和行波型；如果按照輸出運(yùn)動(dòng)類型，可分為線性式和旋轉(zhuǎn)式。行波型與駐波型各有其優(yōu)缺點(diǎn)：行波型馬達(dá)優(yōu)點(diǎn)在于定子表面是產(chǎn)生行波與動(dòng)子接觸，則其接觸點(diǎn)是會(huì)不斷交替的，如此將大大減少壓電超聲波馬達(dá)的磨耗問(wèn)題，然而其也因?yàn)樾胁ǖ木壒?，定子上并無(wú)節(jié)點(diǎn)，所以定子較難固定，除此之外，行波型馬達(dá)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且效率較低。而駐波型馬達(dá)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且效率較高，其最大的缺點(diǎn)是定子與動(dòng)子間的接觸點(diǎn)是唯一的，容易產(chǎn)生磨耗問(wèn)題。

壓電式微馬達(dá)是有前途的微系統(tǒng)動(dòng)力源

微馬達(dá)是自主運(yùn)動(dòng)的微系統(tǒng)核心元件，是MEMS研究的重要方向之一。目前，微馬達(dá)研究領(lǐng)域一方面是優(yōu)化現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，以提高輸出特性；另一方面是探索新材料、新結(jié)構(gòu)。微馬達(dá)的研究已在靜電式、電磁式和壓電式三個(gè)方向取得了一定的進(jìn)展。其中，靜電式微馬達(dá)產(chǎn)生的力矩較小，難以應(yīng)用；電磁式微電機(jī)利用精密機(jī)械加工或MEMS工藝，實(shí)現(xiàn)部分組件微型化，已在毫米級(jí)電機(jī)研制中取得較大進(jìn)展，但進(jìn)一步微型化面臨困難；壓電式微馬達(dá)利用摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，尺寸效應(yīng)的負(fù)面影響較小，易于微型化和集成，可能成為有前途的微系統(tǒng)動(dòng)力源。

審核編輯：劉清