轉(zhuǎn)自：機(jī)電之家

    超聲波馬達(dá)是二十世紀(jì)七○年代提出的一種新型馬達(dá)，發(fā)展的歷史不過(guò)30年，卻已有許多不同結(jié)構(gòu)的馬達(dá)陸續(xù)問(wèn)世，特別是日本工業(yè)界更是積極投入這個(gè)領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)，例如SHINSEI、CANON、SONY、SEIKO、NEC……等公司，都有許多關(guān)于超聲波馬達(dá)的專(zhuān)利與應(yīng)用。雖然目前超聲波馬達(dá)的應(yīng)用尚不及常見(jiàn)的電磁馬達(dá)那么普遍，但是它有一些電磁馬達(dá)所不能及的優(yōu)點(diǎn)。在某些特殊場(chǎng)合使用超聲波馬達(dá)，可以使工作效率大為提升。
    閱讀本文后，讀者不妨試著找找看，周遭有哪些東西已經(jīng)應(yīng)用超聲波馬達(dá)，以及在哪些場(chǎng)合也可能需要使用這種馬達(dá)。在了解超聲波馬達(dá)之前，首先要知道什么是超音波。一般而言，人耳所能聽(tīng)到的聲音頻率范圍大約在20赫茲～20千赫茲之間，而超過(guò)20千赫茲以上，人耳無(wú)法辨識(shí)的頻率便稱(chēng)為超聲波。
    那么究竟什么是超聲波馬達(dá)？其基本工作原理又為何？簡(jiǎn)單地說(shuō)，利用壓電材料輸入電壓會(huì)產(chǎn)生變形的特性，使其能產(chǎn)生超聲波頻率的機(jī)械振動(dòng)，再透過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓超聲波馬達(dá)如同電磁馬達(dá)一般，可做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線式移動(dòng)。
    通常電磁馬達(dá)運(yùn)\轉(zhuǎn)時(shí)我們會(huì)覺(jué)得有雜音，這是因?yàn)轳R達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，而振動(dòng)頻率恰好在我們耳朵可以感受的頻率范圍內(nèi)。超聲波馬達(dá)的振動(dòng)頻率則設(shè)計(jì)在人耳所能聽(tīng)到的范圍之外，所以當(dāng)它運(yùn)\轉(zhuǎn)時(shí)我們感覺(jué)不到有聲音，因而覺(jué)得非常安靜，這是超聲波馬達(dá)一個(gè)相當(dāng)重要的特色。
神奇的壓電效應(yīng)
    在上面的說(shuō)明中，我們知道壓電材料在超聲波馬達(dá)內(nèi)扮演著極為重要的角色，接下來(lái)將引導(dǎo)各位進(jìn)入壓電的世界。壓電效應(yīng)是一八八○年居里兄弟（Jacques Curie, 1855-1941; Pierre Curie, 1859-1906）發(fā)現(xiàn)的，他們?cè)谘芯烤w熱電現(xiàn)象與結(jié)晶對(duì)稱(chēng)關(guān)系時(shí)，認(rèn)為這個(gè)現(xiàn)象可能是由加熱時(shí)晶體體積發(fā)生變化所導(dǎo)致的。根據(jù)這個(gè)想法他們做了許多實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電氣石或石英等天然礦石晶體受到壓力時(shí)，由于體積變化，在晶體表面會(huì)有微小電荷產(chǎn)生。
    來(lái)年，他們又發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶體置于電場(chǎng)中時(shí)也會(huì)造成體積上的變化，證明了這種現(xiàn)象是可逆的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了一項(xiàng)新的研究領(lǐng)域，即「壓電效應(yīng)的探討與應(yīng)用」。因?yàn)閴弘娦?yīng)是可逆的，所以把材料因體積變化而產(chǎn)生電壓的效應(yīng)稱(chēng)為「正壓電效應(yīng)」；反之，材料因加入電壓而造成體積變化的效應(yīng)稱(chēng)為「逆壓電效應(yīng)」；而具有壓電效應(yīng)的材料則統(tǒng)稱(chēng)為「壓電材料」。
    具壓電效應(yīng)的材料除了天然的晶體，如石英、電氣石、羅德鹽等材料以外，還能以人工的方式制造，如氧化鋅、聚合物、陶瓷材料、復(fù)合材料等。其中陶瓷材料因?yàn)橹圃烊菀?、可制成任何形狀、且其特性可隨組成做多樣性的變化等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為壓電組件的主流。
    一般而言，壓電陶瓷材料具有體積小響應(yīng)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，例如材質(zhì)易脆等。雖然可以承受較大的正向壓力，但是當(dāng)它承受不均勻的力量時(shí)，也很容易造成材料的破壞。另外，其特性受溫度影響大也是一種限制，故而直接影響超聲波馬達(dá)的性能。 
    目前壓電陶瓷材料應(yīng)用的范圍相當(dāng)廣。利用材料的正壓電效應(yīng)可應(yīng)用于傳感器、點(diǎn)火器等；而逆壓電效應(yīng)則可做成致動(dòng)器、蜂鳴器、超聲波轉(zhuǎn)換器等裝置。
    很明顯地在超聲波馬達(dá)中，主要是利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)，從外部輸入高頻電壓訊號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生高頻的機(jī)械振動(dòng)。雖然壓電材料體積的變化量非常小，約微米甚至是奈米量級(jí)，不過(guò)透過(guò)一秒數(shù)萬(wàn)次的振動(dòng)放大，使得超聲波馬達(dá)可以兼顧高位移分辨率與長(zhǎng)行程的特色。
超聲波馬達(dá)的起源
    在超聲波馬達(dá)問(wèn)世之前，實(shí)際上已有利用壓電材料振動(dòng)特性來(lái)驅(qū)動(dòng)的壓電馬達(dá)，惟其頻率并不限于超聲波的范圍。早在一九四八年威廉和布朗就申請(qǐng)了「壓電馬達(dá)」的美國(guó)專(zhuān)利；一九六一年寶路華鐘表公司研制出音叉驅(qū)動(dòng)的手表；一九七○～一九七二年西門(mén)子和松下兩公司發(fā)展出線型壓電步進(jìn)馬達(dá)，不過(guò)因?yàn)闊o(wú)法達(dá)到較大的輸出力及效率，所以當(dāng)時(shí)并沒(méi)有普遍地應(yīng)用。
    一九七三年美國(guó)IBM公司的巴特（H.V. Barth），首次提出利用壓電組件以超聲波振動(dòng)的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)，但因?yàn)槟ズ纳系膯?wèn)題，和之前的手表案例一樣，僅發(fā)表出來(lái)而沒(méi)有實(shí)際上的應(yīng)用。幾乎同時(shí)，俄國(guó)人V.H. Lavrinenko也設(shè)計(jì)了一些驅(qū)動(dòng)原理相同的馬達(dá)結(jié)構(gòu)；一九七八年瓦西里耶夫（P.E. Vasiliev）則是利用超聲波轉(zhuǎn)換器作為馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，不過(guò)都沒(méi)有發(fā)展出完整的馬達(dá)結(jié)構(gòu)。
    一九八○年日本指田年生（Toshiiku Sashida）研制出以振動(dòng)片驅(qū)動(dòng)的超聲波馬達(dá)，具有較完整的馬達(dá)結(jié)構(gòu)。至此，以壓電材料產(chǎn)生超聲波振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的概念就開(kāi)始慢慢地發(fā)展起來(lái)。雖然因?yàn)槟ズ囊约皽囟壬仙葐?wèn)題，使得這些超聲波馬達(dá)仍然沒(méi)有實(shí)際的應(yīng)用，不過(guò)已具有高精度、低速高轉(zhuǎn)矩等特色。 
    直到一九八二年，指田年生又發(fā)展出一種新型的超聲波馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式，在設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮到磨耗的改善，這才是第一個(gè)真正達(dá)到具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的超聲波馬達(dá)，且首先應(yīng)用在照相機(jī)的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)中，這也是目前使用超聲波馬達(dá)最多的領(lǐng)域。
超聲波馬達(dá)和電磁馬達(dá)的比較 
    超聲波馬達(dá)突破了傳統(tǒng)電磁馬達(dá)的觀念，沒(méi)有了線圈與磁鐵，也就是不依靠電磁的相互作用來(lái)轉(zhuǎn)換能量。取而代之的是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，透過(guò)摩擦來(lái)轉(zhuǎn)換能量。因?yàn)槿绱私厝徊煌淖饔迷?，也造成了超聲波馬達(dá)和電磁馬達(dá)之間迥異的特性。接下來(lái)讓我們來(lái)看看，超聲波馬達(dá)和電磁馬達(dá)之間有哪些不同的地方吧！

超聲波馬達(dá)不受磁場(chǎng)干擾的影響
    從馬達(dá)的結(jié)構(gòu)我們可以明顯看出，超聲波馬達(dá)沒(méi)有線圈與磁路的設(shè)計(jì)，當(dāng)然在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也就不會(huì)受到外界磁場(chǎng)的影響，而且其本身也不會(huì)有磁場(chǎng)產(chǎn)生。
    在某些具有強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的場(chǎng)合，例如磁浮列車(chē)上以及醫(yī)院里的核磁共振設(shè)備中，磁場(chǎng)的干擾可能會(huì)造成電磁馬達(dá)失效；或是在極精密的儀器里，使用一個(gè)電磁馬達(dá)對(duì)儀器而言，可能會(huì)是一個(gè)磁場(chǎng)的干擾源，進(jìn)而影響儀器的精密度。而超聲波馬達(dá)的本質(zhì)特性恰好能夠解決這些因磁場(chǎng)干擾而造成的問(wèn)題。
超聲波馬達(dá)有較大的保持扭矩
    什么是保持扭矩呢？即是在不輸入電壓的情形下，要讓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)所需施加的外力。一般的電磁馬達(dá)其保持扭矩較小，在切掉電源后，由于慣性力大于保持扭矩，所以馬達(dá)不會(huì)立即停止。而超聲波馬達(dá)因?yàn)槠淠Σ硫?qū)動(dòng)的原理，所以保持扭矩相當(dāng)大，若在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)突然切掉電源，馬達(dá)會(huì)立即停止，不會(huì)因慣性作用而繼續(xù)移動(dòng)。利用這個(gè)特點(diǎn)，我們可以輕易地做到快速且精確的定位，不但可以大幅增加系統(tǒng)的定位性能，更可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的復(fù)雜度。
    超聲波馬達(dá)在低轉(zhuǎn)速時(shí)有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載
這是超聲波馬達(dá)另一個(gè)相當(dāng)重要的特點(diǎn)，一般常見(jiàn)的電磁馬達(dá)若要達(dá)到低轉(zhuǎn)速時(shí)有大輸出轉(zhuǎn)矩的特性，通常要加上齒輪變速機(jī)構(gòu)來(lái)降低轉(zhuǎn)速才能夠達(dá)成；而超聲波馬達(dá)不需要這類(lèi)減速機(jī)構(gòu)就能夠直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，不但可以減少減速機(jī)構(gòu)的重量與其所占的體積，更可以避免因?yàn)辇X輪變速機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊與噪音等問(wèn)題。
另外，目前計(jì)算機(jī)中所使用的光驅(qū)和硬盤(pán)機(jī)，磁頭的直線運(yùn)動(dòng)是使用電磁馬達(dá)和齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在這樣的傳動(dòng)系統(tǒng)中要進(jìn)一步減小機(jī)構(gòu)的體積，并提高定位精度是相當(dāng)困難的。如果利用直線型超聲波馬達(dá)的直接驅(qū)動(dòng)特性，制造出更雹更小且高定位精度的傳動(dòng)系統(tǒng)就不再是一件困難的事情了！
超聲波馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)較為安靜
    本文前面已經(jīng)提過(guò)，因?yàn)槌暡R達(dá)的振動(dòng)頻率高于我們耳朵所能感受的范圍，而且不需要變速機(jī)構(gòu)即可直接驅(qū)動(dòng)，因此避免了機(jī)構(gòu)振動(dòng)所產(chǎn)生的噪音。所以在某些需要安靜的場(chǎng)合，例如醫(yī)院、辦公室、圖書(shū)館……等場(chǎng)所，使用超聲波馬達(dá)不失為一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在日本東京的市政辦公大樓中，便有使用超聲波馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)窗簾。
    除了上述主要的特點(diǎn)外，超聲波馬達(dá)還具有體積孝重量輕、響應(yīng)快速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單……等特色。不過(guò)有優(yōu)點(diǎn)也會(huì)有缺點(diǎn)，例如摩擦?xí)斐赡ズ牡膯?wèn)題，而且由于超聲波馬達(dá)使用壓電陶瓷材料，其材料特性也直接影響工作的性能。以下讓我們來(lái)看看超聲波馬達(dá)還有哪些需要改進(jìn)的地方吧！
超聲波馬達(dá)不適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)
    我們已經(jīng)知道超聲波馬達(dá)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的某些特性比電磁馬達(dá)好，但是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下是不是也一樣呢？答案是否定的！因?yàn)槿粑覀兡猛瑯右黄瑝弘娞沾山由瞎潭ǖ碾妷簳r(shí)，可以發(fā)現(xiàn)到在不同的溫度下會(huì)有不同程度的體積變化，在超過(guò)了某一特定溫度后其壓電效應(yīng)甚至?xí)?！又超聲波馬達(dá)是以摩擦的方式來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，摩擦?xí)鸁?，轉(zhuǎn)速越快摩擦得越快，產(chǎn)生的熱量也越多，于是造成超聲波馬達(dá)內(nèi)部的壓電陶瓷材料溫度也就越來(lái)越高，進(jìn)而影響輸出性能。所以超聲波馬達(dá)不適合用在需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。
超聲波馬達(dá)使用壽命較短 
    因超聲波馬達(dá)是利用摩擦驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，有摩擦勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生磨耗，長(zhǎng)期下來(lái)摩擦接口會(huì)變得越來(lái)越光滑，所能產(chǎn)生的摩擦力也跟著變小，馬達(dá)所能輸出的力也相對(duì)地變校雖然目前有許多減少超聲波馬達(dá)磨耗的設(shè)計(jì)以及較好的摩擦材料，不過(guò)和一般的電磁馬達(dá)相比，超聲波馬達(dá)本質(zhì)上還是無(wú)法比電磁馬達(dá)長(zhǎng)壽。

 

超聲波馬達(dá)定速控制的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜
    在前面提過(guò)超聲波馬達(dá)在精密的定位控制上有其先天的優(yōu)勢(shì)。但是在某些需要以固定速度運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，反而不如傳統(tǒng)電磁馬達(dá)適用，這是因?yàn)槌暡R達(dá)內(nèi)部的溫度與摩擦接口的摩擦系數(shù)會(huì)隨著操作時(shí)間及溫度而改變，亦即超聲波馬達(dá)輸出的性能會(huì)因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間不同而有所差異，還有因?yàn)檎D(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)特性亦不大相同……等因素所造成的。因此，如果要用超聲波馬達(dá)來(lái)達(dá)到精密的速度控制時(shí)，我們需要比電磁馬達(dá)更為復(fù)雜的控制設(shè)計(jì)才能夠達(dá)成。
超聲波馬達(dá)成本較高
    超聲波馬達(dá)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是目前的壓電陶瓷材料價(jià)格較高。此外，還需要配合使用較好的摩擦材料以及高頻的驅(qū)動(dòng)器來(lái)使壓電陶瓷產(chǎn)生高頻振動(dòng)，而良好的高頻驅(qū)動(dòng)器在設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，所以價(jià)格也偏高。這些也是導(dǎo)致現(xiàn)今超聲波馬達(dá)價(jià)格比電磁馬達(dá)高的主要原因。
    根據(jù)超聲波馬達(dá)的特點(diǎn)，在某些場(chǎng)合，例如低轉(zhuǎn)速時(shí)要有高轉(zhuǎn)矩輸出、間歇性的運(yùn)動(dòng)、空間形狀受限制、安靜以及其它特殊需求的場(chǎng)所，使用超聲波馬達(dá)會(huì)比電磁馬達(dá)更為合適。目前我們已經(jīng)可以在照相機(jī)、手表、汽車(chē)、醫(yī)療設(shè)備、航天工業(yè)、精密定位設(shè)備、機(jī)器人、微型機(jī)械等領(lǐng)域里找到超聲波馬達(dá)的蹤跡。在未來(lái)，超音波馬達(dá)甚至有可能取代部分的微、小型電磁馬達(dá)。
超聲波馬達(dá)的應(yīng)用
    讓我們來(lái)了解超聲波馬達(dá)目前有哪些成功的應(yīng)用吧！日本的CANON公司最早將超聲波馬達(dá)使用在照相機(jī)的透鏡驅(qū)動(dòng)上，因?yàn)槌暡R達(dá)可以做成中空的結(jié)構(gòu)，使得對(duì)焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單。而且由于直接驅(qū)動(dòng)的特性，沒(méi)有減速齒輪的慣性以及噪音。此外，當(dāng)電源切斷時(shí)，馬達(dá)會(huì)立即停止不再移動(dòng)，具有高度的制動(dòng)性，不但對(duì)焦快速而且準(zhǔn)確，大大提升了照相機(jī)的對(duì)焦性能。 
    這么好用的馬達(dá)當(dāng)然不會(huì)只由CANON公司所獨(dú)享，其它如NIKON、MINOLTA、OLYMPUS等公司都推出使用超聲波馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的鏡頭。另外，SIGMA公司在大口徑的望遠(yuǎn)鏡中也使用到超聲波馬達(dá)。
    日本SEIKO公司已研發(fā)出小型的超聲波馬達(dá)，其大小分別為直徑4.5毫米、厚度2.5毫米和直徑8毫米、厚度4.5毫米兩種。它們可用于手表上的日歷驅(qū)動(dòng)和振動(dòng)提示功能，并且已有一系列的產(chǎn)品。
    超聲波馬達(dá)因?yàn)轶w積孝重量輕、比同尺寸的電磁馬達(dá)能夠輸出更大的力，又不受磁場(chǎng)影響，舉凡在航天飛機(jī)、無(wú)人探測(cè)船、人造衛(wèi)星……等上面，超聲波馬達(dá)都有很大的發(fā)展空間。美國(guó)航空暨太空總署已經(jīng)成功地將超聲波馬達(dá)應(yīng)用在無(wú)人探測(cè)船的機(jī)械手臂上，所使用的超聲波馬達(dá)比同功能的電磁馬達(dá)減輕了40％的重量！
    另外，北京清華大學(xué)亦研制了世界上最小的超聲波馬達(dá)，直徑只有1毫米，長(zhǎng)5毫米，重量?jī)H有36毫克。在未來(lái)或許可以發(fā)展出微型機(jī)器人，能夠攜帶藥物或微型機(jī)械，在人類(lèi)的身體中進(jìn)行如血管清除及藥物投射等工作。
    除了以上的應(yīng)用以外，由于超聲波馬達(dá)的位移分辨率可以達(dá)到次微米甚至是奈米級(jí)的精度，所以未來(lái)在一些精密儀器、醫(yī)療設(shè)備以及半導(dǎo)體制造設(shè)備中，超聲波馬達(dá)會(huì)是個(gè)不錯(cuò)的選擇！
    看到這里，各位是不是對(duì)超聲波馬達(dá)有了基本的認(rèn)識(shí)呢？原理其實(shí)非常的簡(jiǎn)單，而且也有其獨(dú)特的地方，然而綜合超聲波馬達(dá)的特性以及成本上的考慮，目前還是不可能完全地取代電磁馬達(dá)。不過(guò)如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，應(yīng)用場(chǎng)合選擇得當(dāng)，超聲波馬達(dá)可以和電磁馬達(dá)相互截長(zhǎng)補(bǔ)短，獲得更廣泛而有效的應(yīng)用。