電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠(yuǎn)）微型電機(jī)方面的研究現(xiàn)在熱度很高，如何在小體積下做到快速地響應(yīng)、足夠大的轉(zhuǎn)矩是行業(yè)很關(guān)注的方向。這一方向上，超聲波電機(jī)成為國內(nèi)外在微型電機(jī)方面的研究熱點(diǎn)。

我們熟悉的電機(jī)，絕大多數(shù)都是以電磁原理為基礎(chǔ)，而超聲波電機(jī)完全是另一條技術(shù)路線。在技術(shù)的發(fā)展與迭代下，超聲波電機(jī)展現(xiàn)出了低速大轉(zhuǎn)矩、反應(yīng)速度快、不受磁場影響、保持力矩大等優(yōu)點(diǎn)，迅速在微型電機(jī)領(lǐng)域展開應(yīng)用。

基于逆壓電特性的超聲波電機(jī)

超聲波電機(jī)不是說直接利用超聲波來做功的電機(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，然后通過高頻振動和摩擦來帶動做功。這個高頻振動頻率在超聲波頻率里，所以稱為超聲波電機(jī)。

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

壓電振動元件受力后產(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)”則是壓電振動元件具有受力被施加外部電壓后伸縮振動的特點(diǎn)。振動體由壓電陶瓷制成，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)生的超聲振動帶動相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的移動體運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對外做功。

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)型兩個大類，前一個是將高頻振動通過共振放大和摩擦耦合變換成了直線型的運(yùn)動，一個變換成了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

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

一個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)通過將高頻振動轉(zhuǎn)換為動能來驅(qū)動鏡頭，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作為驅(qū)動源，帶動鏡頭對焦。

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

機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動則是超聲波電機(jī)未來十分適配的應(yīng)用，超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢能大大減少關(guān)節(jié)模塊的體積。此外，移動體慣性小，響應(yīng)速度快，起動和停止時間都很快，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)壓電材料和移動體間依靠摩擦力傳動，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的路要走。

小結(jié)

超聲波電機(jī)作為微型電機(jī)的代表，可以說優(yōu)缺點(diǎn)都很突出，體積小、轉(zhuǎn)矩大、反應(yīng)速度快、不受磁場影響都是很有利的電機(jī)特性，但是易磨損、控制難、效率低也限制了其不少應(yīng)用。隨著該技術(shù)方向的研究不斷深入，超聲波電機(jī)應(yīng)該還會有更多應(yīng)用涌現(xiàn)。