直线超声电机发展概况与微小型化问题探讨

汪红兵，于 剑，陶亦亦

(1.苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104；2.同济大学 功能材料研究所，上海 200092)

1 直线超声电机的发展概况

传统的电磁电机已有100多年的发展历史，目前在理论、设计方法或制造技术上都比较成熟.但由于其工作原理和结构的限制，难以满足当前宇宙飞船、人造卫星、飞机、运载火箭等产品以及其他电子设备等对电机进一步提出的短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等要求.为此，世界各国都在探索其他新型微特电机.其中，20世纪末期发展起来的超声电机是最典型的一种.其采用全新的原理和结构，不需要磁铁和线圈，而是利用压电材料的逆压电效应和超声振动直接获得运动和力(矩).同时，打破了迄今为止由电磁效应获得转速和转矩的电机概念，是处于当前学科前沿的高新技术之一.

在该领域内日本目前处于世界领先地位，掌握着世界上大多数超声电机技术的发明专利，目前日本的各知名大学和许多公司都在进行超声电机的研究和生产.例如，Canon公司花费10亿日元建立了一条超声电机生产线，每年能生产20～40万台超声电机，除供给公司自己生产的照相机配套外，还提供日本其他领域使用.美国、德国、法国、英国、意大利、瑞士、以色列、韩国、新加坡、中国的台湾和香港等地也不甘示弱，都先后投入大批的人力、物力开发具有自主知识产权的超声电机.目前超声电机已在国外走向实用化，广泛应用于照相机、医疗、汽车、机器人、航空航天、军工等领域.

我国超声电机研究是从20世纪90年代开始的，其中清华大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、吉林工业大学、浙江大学等先后开展了超声电机的研究，取得了多项研究成果.但迄今为止，尚未进入大规模的商业应用[1-3].

直线型超声电机的研究略晚于旋转型超声电机，由于其独特的优点而备受青睐，成为该领域的又一研究热点.直线型超声电机除了具有旋转式超声电机的一般优点外，还具有以下特点[1]：①直接产生直线运动和牵引力；②由于无需连杆、滚珠丝杠、绳带或齿轮齿条等运动转换机构，所以运动误差小、定位精度高，可达到纳米级；③结构简单，生产和维护成本低；④结构设计灵活，能实现装置的小型化、轻量化.因此，近几年来，直线型超声电机的发展十分迅速，在微小型精密驱动系统中有代替电磁型直线电机的趋势.

国际上，日本、美国、俄国、以色列、新加坡等，近几年，不断涌现出各种各样的新型直线超声电机，其中一些已经形成系列产品，并投入使用.例如，日本将直线型超声电机应用到汽车反射镜遥控、X-Y定位仪、微型照相机变焦系统等方面，美国将直线型超声电机应用于美国信息产业、医疗器械等场合，以色列用直线型超声电机驱动真空X-Y精密工作台.

我国对直线型超声电机的研究始于20世纪90年代，清华大学、南京航空航天大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学等国内高校和研究机构开展了这方面的研究、并取得了一定的成果.但总的来说，在国内直线型超声电机目前仍处于研究阶段，还没有得到实际应用[1-3].

目前，直线型超声电机及其研究还存在以下的问题[1，4-7]：①驱动效率较低，现有的直线型超声电机的效率一般在30%左右；②寿命较短，不适合连续运转的应用场合；③工作频率漂移，影响输出性能及其稳定性；④生产工艺落后且成本高，比传统电磁电机高出3～5 倍；⑤理论研究和实验研究还不够成熟，有待进一步完善.

另外，降低驱动电压，实现小型化、微型化甚至集成化，也是迫切需要努力解决的问题.

2 直线超声电机的微小型化问题

我国一些典型的直线型超声电机，如图1所示.以V形直线型超声电机为例，说明直线超声电机的微小型化问题.该种电机的原理是1988年日本学者首先提出的，南京航空航天大学、苏州市职业大学等对该种电机进行了比较系统、深入地研究，电机的结构组成如图2所示.电机主要由定子和动子组成.定子由头部相连、相互垂直的两个兰杰文振子组成.当在两个兰杰文振子的两组压电陶瓷片上分别施加正弦、余弦交流工作电压时，就激发出在空间上互相垂直、在相位上相差90°的两个纵向(即沿两个兰杰文振子轴向)振动，二者在驱动头部合成而形成椭圆运动，从而依靠定子和动子之间的摩擦，驱使动子作直线运动.由于电机的定子呈“V”字形，故把该种电机称为V形直线电机.

实验表明，电机的输出性能良好，在驱动电压峰的峰值为350 V时，最大输出力可达20 N，无负载最高转速可达到1 m/s.但由于使用的是厚度为毫米级的压电陶瓷组，电机的体积较大、驱动电压较高.随着层叠式压电陶瓷作动器的出现，国外开始研究原理类似的微、小型V形直线型超声电机，如美国的DEO公司[5]，但还未看到国内在这方面研究的报道.

由超声电机的原理可知，压电材料是超声电机的关键问题之一，而压电陶瓷是用于超声电机的主要压电材料.目前，国内外绝大多数超声电机是以单层厚度为毫米级的单层或多层压电陶瓷片(简称压电片，下同)作为驱动元件.随着超声电机向小、轻、薄、高效率、低振动、低噪声和低价格方面发展，不仅对压电陶瓷的性能要求越来越高，而且对其结构和尺寸等提出新的要求.其中层叠式压电陶瓷作动器成为一个新的研究方向.

层叠式压电陶瓷作动器，亦称多层叠堆式压电陶瓷、压电叠堆或积层式压电微位移器，是指厚度为100 μm左右的几十层、甚至上百层的压电陶瓷，连同电极，通过固态烧结工艺制作而成，并沿陶瓷层的厚度方向极化的压电陶瓷组，各层之间在机械上串联，在电路上并联.与上述的压电片相比，层叠式压电陶瓷作动器的能量转换效率高、电源功耗低、响应速度快、分辨率高、输出力大、输出位移大且稳定、蠕变小等特点，特别是能实现低电压驱动、体积小的优点，在包括超声电机在内的各种驱动场合具有良好的应用前景[8-9].层叠式压电陶瓷作动器的研究在国外已经开始，并陆续有相关产品面世，在国内处于起步阶段.国内用于各种器件的层叠式压电陶瓷作动器，主要依赖于国外[9-10].

图2 V形直线型超声申机的结构简图

还是以V形直线型超声电机为例，若以层叠式压电陶瓷作动器代替压电片，体积会大大减小.可以把电机的结构设计成图3所示的方案.

需要特别指出的是，微小型化并不是唯一和最重要的目标.微小型化的同时，必须保证电机良好的综合性能，例如大的输出推力、高的输出速度、较高的驱动效率、较低的驱动电压、较高的工作温度、较低的成本等等.为了满足电机上述多方面的要求，首先应从压电材料入手.压电材料性能的优劣，关系到整个超声电机性能的好坏.

图3 基于层叠式压申陶瓷作动器V型直线申机

目前实用的压电材料是PZT陶瓷.传统的PZT陶瓷烧结在1 200～1 400 ℃高温进行，由于铅在高于800 ℃就开始挥发，很难得到组分均匀的致密陶瓷片.较高的烧结温度造成PZT颗粒粗化和团聚，降低陶瓷的微观结构和性质.为此，人们通过多种努力降低陶瓷烧结温度：①采用湿化学法或高能球磨制备纳米尺度超微细粉体，提高粉体活性.②添加低熔点玻璃粉或化合物烧结助剂液相烧结，此种办法烧结温度可降低到800 ℃(比如添加Cu2O-PbO形成共熔体).这种方法的成功应用是有限制的，因为氧化物添加剂在最后的烧结陶瓷体中形成非压电相的第二相，降低最终陶瓷元件的电性能.所以，为达到促进烧结和降低性能的平衡，通常是减少烧结助剂的加入量，使最后烧结产品通过液相烧结和固相烧结的联合作用实现完全致密化.如果所添加的组分能在烧结完成后进入或部分进入主晶相晶格(暂时的液相烧结)，则可能提高材料的整体性能.如添加B2O3-Bi2O3-CdO玻璃粉，960 ℃烧结密度可达7.64 g/cm3.③固溶反应烧结，如0.05 mol%MnO2或 Nb2O5掺夹 0.92 Pb(Zr，Ti)O3-0.05BiFeO3-0.03Ba(Cu0.5 W0.5)O3+0.08 wt%CuO，粉体合成和致密烧结一步完成.由于反应烧结过程简单，能增强致密化程度，比湿化学方法有更大优势.高能球磨混合氧化物粉末，促进PZT陶瓷部分反应，再进行成形和烧结得到致密陶瓷体.采用以上方式，这是因为高能球磨过的粉末具有结构缺陷和变形，从而加强了粉末的烧结能力.④热压烧结提高了样品的致密度，大大提高了电击穿强度.⑤冷压烧结.⑥冲击波活化改性促进烧结，冲击波加载技术具有压力大、温度高、作用时间短的特点，可有效限制晶粒长大，同时引入大量缺陷和点缺陷移动通道，从而使气孔迅速排除，实现合成和改性的目的，提高难烧结陶瓷的致密度.

优良的固态作动器要求较大的机械位移(大于10 μm)和较低的驱动电压(小于100 V).为降低压电陶瓷驱动器的激励电压，应采用层叠结构，也就是将几块薄瓷片重叠，然后将其并联连接成层叠式作动器.就电极清除来说，一次烧成的多层陶瓷是令人满意的.因此，适宜的层积工艺是材料非常重要的条件.把较薄的作动器堆垛成立的多层作动器是目前超声电机作动器常采用的一种重要方式[11-15].目前，在共烧多层结构的过程中，高温共烧由于烧结温度较高，内电极材料Pd或Ag-Pd与PZT陶瓷间的相互作用，导致较小的化学均匀性和晶粒尺寸，降低了PZT的化学配比和均匀性，从而导致作动器性能恶化[16-17].而目前的低温共烧工艺是采用添加低熔点的玻璃相等助烧剂来实现多层共烧，由于这些助烧剂不是压电材料，必然大大降低作动器和变压器的性能.

因此，共烧多层结构压电陶瓷仍有许多亟待解决的问题：如提高低温烧结下的热压产量、改进颗粒细度、开发新用途.随着超声电机应用范围的扩大，希望有应变更大的材料，并且可以在更宽的范围内使用这种材料.

3 直线电机微小型化的初步探讨结果

笔者与同济大学功能材料研究所合作，就高性能层叠式压电陶瓷作动器及基于该种作动器的V形直线超声电机，进行了初步探讨，取得了一些研究成果.

基于PbTiO3-PbZrO3-Bi(Zn0.5Ti0.5)O3三元固溶体的低熔点共熔热力学原理，实现了钙钛矿结构Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3压电陶瓷的900 ℃低温烧结，为与Ag电极共烧作动器制作奠定了基础，并探索了不同掺杂元素对铁电性能的影响.

图4给出了0.5%Co掺杂Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3压电陶瓷不同烧结温度压电性能.对于0.5%C o掺杂Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3压电陶瓷，950 ℃烧结5 h，压电性能参数如下：相对介电常数εT33/ε0=1 190，介电损耗角正切tanδ=0.6%，压电常数d33=270 pC/N，机电耦合系数kp=0.54、kt=0.46，居里温度Tc=346 ℃，与商用PZT-8压电陶瓷的水平相当.对于Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3压电陶瓷体系，目前存在的问题是机械品质因数Qm偏小，仍需通过不同掺杂元素及其用量优化，提高Qm至500以上.

对于Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3压电陶瓷，委托某公司采用流延多层叠烧技术进行了层叠式压电陶瓷作动器的加工，该作动器呈圆环形，外形尺寸为8 mm×3.2 mm×2.2 mm(外径×内径×厚)，每层厚度(包括电极)44 μm，共50层.图5给出了930 ℃与Ag电极共烧多层压电陶瓷作动器断面SEM形貌图.由图5可知，本研究研制的新型铁电压电陶瓷体系具有良好的与Ag电极多层共烧特性.另外，对多个压电陶瓷作动器的电容频谱测试表明，其一致性较好[18-19].

图4 0.5% Co掺杂Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3压申陶瓷不同烧结温度压申性能

图5 多层压申陶瓷作动器断面SEM形貌图

采用自行研制的层叠式压电陶瓷作动器，在结构动力学分析和优化的基础上，试制了V形直线电机的原型样机.电机的定子如图6所示，由层叠式压电陶瓷作动器、驱动头、底座组成，用螺栓将三者连接在一起.原型样机的整机如图7所示，由定子、动子和若干附属件组成.附属件主要包括夹持装置、预紧力调节装置，用以保证电机的定子与动子之间有正确的相对位置关系、合适的预紧力.

通过对电机的输出性能进行测试，在激励电压为15 V、频率为33 000 Hz、电流为1.7 A的条件下，无负载最大速度为30 mm/s，最大推力为2.2 N.因此，电机的输出性能基本上达到了研制的目标，其中空载速度达到了预期的要求(大于20 mm/s)，最大推力接近预期值(2.5 N)[20-21].

4 结论

通过所采用的压电陶瓷配方和低温烧结工艺，为压电陶瓷与Ag电极共烧、层叠式压电陶瓷作动器的制作奠定了基础.所研制的层叠式压电陶瓷作动器的性能参数基本达到了商用PZT-8压电陶瓷的水平，具有良好的工程应用前景.基于该种层叠式压电陶瓷作动器的V形直线超声电机，在低电压驱动下，具有较好的输出性能.由于层叠式压电陶瓷作动器的居里温度较高，因而该电机也具有良好的高温适应性.这些初步的研究成果，对于层叠式压电陶瓷作动器的国产化和V形直线超声电机的低电压驱动、微小型化、高温适应性，均具有一定的指导意义.

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