基于逆壓電特性的超聲波電機(jī)

超聲波電機(jī)不是說(shuō)直接利用超聲波來(lái)做功的電機(jī)，超聲波電機(jī)實(shí)際上是先把電能變成高頻機(jī)械振動(dòng)，然后通過(guò)高頻振動(dòng)和摩擦來(lái)帶動(dòng)做功。這個(gè)高頻振動(dòng)頻率在超聲波頻率里，所以稱為超聲波電機(jī)。

超聲振動(dòng)通過(guò)摩擦傳動(dòng)的方式轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)，那如何將電能轉(zhuǎn)換成這種20kHz以上的超聲振動(dòng)呢？超聲波電機(jī)是利用了壓電材料的逆壓電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

壓電振動(dòng)元件受力后產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，也就是受力后產(chǎn)生電荷。而“逆壓電效應(yīng)”則是壓電振動(dòng)元件具有受力被施加外部電壓后伸縮振動(dòng)的特點(diǎn)。振動(dòng)體由壓電陶瓷制成，具備逆壓電效應(yīng)，相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的定子，然后產(chǎn)生的超聲振動(dòng)帶動(dòng)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外做功。

和傳統(tǒng)電機(jī)完全不同，超聲波電機(jī)既不需要線圈，也不需要磁鐵。相當(dāng)于定子的壓電陶瓷和相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的移動(dòng)體在壓力作用下緊密接觸。這使得超聲波電機(jī)的體積可以做到非常小，甚至小于一毫米都可以。

這種極小尺寸的電機(jī)能夠應(yīng)用到很多需要微型電機(jī)的場(chǎng)合，很多精密設(shè)備應(yīng)用都需要應(yīng)用到此類電機(jī)。

超聲波電機(jī)應(yīng)用如何

目前超聲波電機(jī)有直線型和環(huán)型兩個(gè)大類，前一個(gè)是將高頻振動(dòng)通過(guò)共振放大和摩擦耦合變換成了直線型的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)變換成了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

傳統(tǒng)的電機(jī)加主軸組合將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，但由于機(jī)械部件之間的空隙，響應(yīng)時(shí)間會(huì)有所延遲。超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定性更高，慣性更小，雖然有磨損風(fēng)險(xiǎn)，但是在很多小型化系統(tǒng)之中這都可以帶來(lái)更好的運(yùn)控效果。

一個(gè)很典型的成熟超聲波電機(jī)應(yīng)用是相機(jī)鏡頭，相機(jī)鏡頭的調(diào)焦系統(tǒng)就可能用到超聲波電機(jī)。超聲波電機(jī)通過(guò)將高頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換為動(dòng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)鏡頭，佳能是最早在相機(jī)中應(yīng)用該技術(shù)的，并且旗下產(chǎn)品應(yīng)用了多種不同的形態(tài)的超聲波電機(jī)，均是以定子的超聲波振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)源，帶動(dòng)鏡頭對(duì)焦。

超聲波電機(jī)以低耗電量實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的高速對(duì)焦、平滑的對(duì)焦過(guò)渡效果以及安靜的操作音，并實(shí)現(xiàn)了全時(shí)手動(dòng)對(duì)焦。

機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)則是超聲波電機(jī)未來(lái)十分適配的應(yīng)用，超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)能大大減少關(guān)節(jié)模塊的體積。此外，移動(dòng)體慣性小，響應(yīng)速度快，起動(dòng)和停止時(shí)間都很快，有實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制和位置控制的基礎(chǔ)。

而且因?yàn)槌暡姍C(jī)壓電材料和移動(dòng)體間依靠摩擦力傳動(dòng)，若兩者之間的壓力足夠大，能夠提供非常大的力矩，這種低速大力矩正好是機(jī)器人關(guān)節(jié)需要的。大力矩也是超聲波電機(jī)的研究方向。

雖然有這些優(yōu)點(diǎn)，但是目前超聲波電機(jī)在使用壽命、運(yùn)行效率上還有一定缺陷，除了在微型設(shè)備領(lǐng)域，其他領(lǐng)域的應(yīng)用還需要不斷完善有很長(zhǎng)的路要走。