對于工業應用和未來的航天器來說，改進功能以及減輕重量和尺寸是至關重要的挑戰。其中一個難題是馬達的尺寸減小。當尺寸減小到幾毫米或更小時，常規使用的基于電磁線圈的馬達效率會大幅下降。然而，壓電超聲波馬達（piezoelectric ultrasonic motor）的最新進展可能助力解決上述技術難題。當高速和高精度在運動應用中同樣重要時，壓電超聲波馬達可以提供顯著的優勢，其也非常適合尺寸和重量是關鍵因素的應用，例如無人機或其它無人駕駛飛行器。此外，壓電超聲波馬達的高效率還可以降低能耗和運營成本。

什么是壓電超聲波馬達？

1965年，V.V Lavrinko發明了全球首個壓電超聲波馬達。而第一個具有商業應用價值的壓電超聲波馬達誕生于1982年，由日本的指田年生（Toshiiku Sashida）研制而成。該馬達改善了磨損和轉換效率低等問題。在常規使用的馬達中，電磁場提供驅動力，這是眾所周知的。然而，在壓電超聲波馬達中，則利用壓電晶體的“逆壓電效應（電致伸縮效應）”產生人耳聽不見的超聲波（頻率范圍為20 kHz至10 MHz）為馬達提供驅動力。壓電超聲波馬達通常由振動件（定子）和運動件（轉子）兩部分組成，沒有繞組、磁體及絕緣結構。壓電超聲波馬達因內部不存在磁場，機械振動頻率在可聽范圍外，因此對外界的電磁干擾和噪聲影響很小。

壓電超聲波馬達的內部展示：可見兩個提供機械扭矩的壓電晶體。

壓電超聲波馬達如何工作？

壓電超聲波馬達的結構形式很多，但基本工作原理相同：對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生膨脹或收縮，從而在定子彈性體內激發出超聲波振動，這種振動傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅動轉子的旋轉。壓電超聲波馬達主要有駐波型和行波型兩種。駐波型壓電超聲波馬達的條狀壓電體具有交替排列的極化區，施加直流電壓時產生伸縮交替的變形，收縮部分凸起，伸長部分下凹，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，壓電體就隨時間作振動變形。此變形是一系列以極化界面為過零點的脈振波，即駐波振動。行波型壓電超聲波馬達由兩條相同的壓電體相互錯開半個極化區長度粘合成一體而成，當分別施加時間上相差90°電角度的交流電壓時，兩壓電體就分別作駐波振動，由彈性體接受的合成振動波是一個隨時間前進的行波，即作行波振動。

壓電超聲波馬達與其它馬達有何不同？

與傳統的電磁馬達相比，壓電超聲波馬達的小型結構和適應性設計可實現高扭矩密度（扭矩/重量比）。在某些情況下，壓電超聲波馬達可以直接驅動有效載荷，從而完全不需要齒輪或齒輪系。更重要的是，由于壓電材料的優點和轉子的低慣性，壓電超聲波馬達可以在幾微秒內響應激勵。此外，其還可以自鎖，具有高保持扭矩并精確調節運動，因此可用于需要高精度的生物醫學、高端制造等領域。

此外，壓電超聲波馬達在磁共振成像中非常有用，因為其不產生電磁干擾。壓電超聲波馬達還是航空航天應用（例如太空任務）的首選，因為其可以在極冷或極熱的環境中運行。除了上述品質外，壓電超聲波馬達無噪音運行使其成為優先考慮降噪的場所的理想選擇。

壓電超聲波馬達有哪些不同類型？

如果按照產生運動的超聲波類型，壓電超聲波馬達可分為駐波型和行波型；如果按照輸出運動類型，可分為線性式和旋轉式。行波型與駐波型各有其優缺點：行波型馬達優點在于定子表面是產生行波與動子接觸，則其接觸點是會不斷交替的，如此將大大減少壓電超聲波馬達的磨耗問題，然而其也因為行波的緣故，定子上并無節點，所以定子較難固定，除此之外，行波型馬達結構較為復雜且效率較低。而駐波型馬達結構較為簡單，并且效率較高，其最大的缺點是定子與動子間的接觸點是唯一的，容易產生磨耗問題。

壓電式微馬達是有前途的微系統動力源

微馬達是自主運動的微系統核心元件，是MEMS研究的重要方向之一。目前，微馬達研究領域一方面是優化現有結構，以提高輸出特性；另一方面是探索新材料、新結構。微馬達的研究已在靜電式、電磁式和壓電式三個方向取得了一定的進展。其中，靜電式微馬達產生的力矩較小，難以應用；電磁式微電機利用精密機械加工或MEMS工藝，實現部分組件微型化，已在毫米級電機研制中取得較大進展，但進一步微型化面臨困難；壓電式微馬達利用摩擦力驅動轉子，尺寸效應的負面影響較小，易于微型化和集成，可能成為有前途的微系統動力源。

審核編輯：劉清