非常態環境下的超聲電機研究與應用
摘要：超聲電機具有低速大扭矩、結構簡單重量輕、精度高、掉電自鎖日無磁場干擾等優良特勝，使其在特殊應用中取代小型傳統電磁電機，并在非常態環境下具有廣闊的應用前景。本文首先對非常態環境進行界定并就非常態環境下的超聲電機研究的幾個關鍵問題，對近年米的非常態下超盧電機研究現狀展開論述，最后，列舉了超聲電機在非常態下的典型應用，提出了進一步研究的問題。
關鍵詞：超聲電機；真空；高溫：低溫
O引言
超聲電機(ultrasonic Motor，簡稱usM)是借助摩擦傳遞彈性超聲波振動以獲得動力的驅動機構…。它利用壓電陶瓷的逆壓電效應，使定子彈性體表面產生帶有橢圓運動軌跡質點的超聲波振動(振動頻率>20KHz)，通過接觸摩擦力來驅動壓在定子表面的轉移動體運動。與傳統的電磋式電機相比，超聲電機具有叫氐速大轉矩(可直接驅動)、結構簡單(司微型化)、無電磁下擾、高分辨率(可實現精確定位)、摩擦自鎖、起動停止響應快、熏量輕、噪音低以及耐低溫真空等適合太空環境的優點，使超聲電機在些特殊領域具有廣闊的應用前景。目前，超聲電機已經在航空航天、精密儀器自動控制、微型機械系統、精加工設備的定位機構、機器人的關節驅動以及辦公自動化設備等諸多領域得到實際應用。
目前，非常態環境下超聲電機研究主要是應用于太卒環境，此外還應用于光學精密儀器中的聚焦、定位等。在太空探測機構中，承載空間和電功率十分有限。例如在一個微衛星上所載儀器總功率要小于100w，因而分配給每個驅動器的電功率僅在O .1～10w之間。由于嵌入質量的高成本，太空驅動器常需要較高的輸出能量質量比。此外，太空環境條件給出了附加限制，其主要難題是克服發射時的振動和沖擊。典型的振動級別通大于20g nns，因而必須分析相關運動質量．以求得外力。另外，暴露在太陽光F使溫度變化范圍較大，一般可能在。150℃～150℃。若在水星和木星探測務中，溫度會更高；若在火星探測任務中，溫度會更低。抵御輻射也是技術困難之一。鑒于上述原岡，太空探測任務急需適用且性能優良的驅動器。超聲電機的特點恰好與太空驅動器的需求相吻合。此外，在光學應用中，多種顯微鏡(例如sEM、TEM和EB等)的鏡頭圬工作在真空環境下，需要鏡頭調焦控制器能工作在該環境下，且能實現精密定位功能。因而使雁于太空、顯微鏡等非常態環境下的超聲電機應用研究，己成為目前超聲電機研究的熱點。
1非常態的界定
非常態環境是指真空、高低溫極限環境以及輻射等特殊環境。國內外的學術界、政府和企業界的研究人員以其各自的應用對象為研究背景，研究超聲電機在任意組合的極限環境下的特性。
在非常態環境中，以真卒和低溫環境最為苛刻，超聲電機的在真空和高溫環境下的特性己報道，而在真空低溫環境下的超聲電機特性，報道較少。本文針對超聲電機在真率低溫特性，綜述了國內外學者研究的方法、關鍵問題和應用。
2研究方法
在對非常態下的超聲電機研究，正確的研究方法和手段是獲得有效研究數據的關鍵。幾個研究機構分別搭建了相關的研究裝置。1998年，日本東京工業_人學的石井孝明等人率先搭建了真空環境的超聲電機的驅動特性試驗系統(如圖1所示)。該系統利用機械泵1作來實現lPa低真空，0用機械泵和擴散泵共同工作來實現1×10Pa高真空。
2002年，哈工大搭建了真空高溫超聲電機測試裝置。該裝置利用機械泵工作來實現1Pa的低真空，利用機械泵和擴散泵共同工作來實現5×10。Pa的商真空，并利用鎢燈加熱方法來iG~E+15()c的高}N o 2006該裝置改進為真空低溫試驗系統，添置了液氮制冷控制裝置及超聲電機控制
。剝試裝置，如圖2所示。該系統可使真空腔內實現從常壓到高真空5×10從常溫到低溫一192℃為連續變化。超聲電機控制部分可以實時采集、記錄及顯示超聲電機的轉速、轉矩、電機溫度、環境溫度等信息。將超聲電機特性測試臺放入真空腔內，如圖3所示。
4研究關鍵問題
4 1非常態下的驅動特性研究
針對非常態環境對超聲電機的影響因素，找出非常態下與常態下超聲電機驅動特性的不同點。例如真空環境，空氣稀薄， 方面阻礙定子散熱，另一方面又減小超聲波懸浮現象。在低溫環境下，低溫使定子與壓電陶瓷的膠層變脆，且影響壓電陶瓷的壓電常數，真空F的超聲申機定轉子接觸面容易產生粘著現象等。因此，國內外學者從非常態下的超聲電機驅動特性測試入手，搞清楚非常態環境F超聲電機的特性變化，從而指導并改進超聲電機的結構設計。
1998年，日本東京上業大學的石井孝明f 8]等人首先對真空中的超聲電機的驅動特性進行了實驗分析。Ish等人把縱扭復合型超聲電機安裝在真空腔內，雖然由于超聲電機釋放氣體，使超高真卒條件無法實現，但是他們的論文提出了在真空條件F超聲電機驅動特性的先進觀點，且發現與常態相比，在真空下超聲電機轉矩、轉速均減小。2004 年，清華大學。峙測試了真空行波型超聲電機定／轉子接觸狀態，認為大氣下的聲懸浮力較人，使定、轉子間分離時間比真空的長。
2005年，哈工真空高溫條件下的60盤形行波型超聲電機特性進行了試驗研究，測試了預緊力、真空度、摩擦材料對超聲電機機械特性和轉速穩定型的影響(圖4、圖5)。結果表明，在
真空高溫下的60盤形行波形超聲電機轉速穩定性真空條件下，隨著預緊力、真空度增加，電機堵轉力矩增大，空載轉速降低，負載特性曲線變得平緩；隨著環境溫度升高，電機空載轉速F降，其摩擦表面的磨損減輕。2006年，南京航空航天大學。等測試了1Pa低真空條件下環形行波型超聲電機的負載特性，結果表明真空下超聲電機的堵轉力矩比常態稍大(圖6)~2008~，哈工大在真空低溫環境條件下，測試了東南大學60環形行波型超聲電機和哈工大40盤形行波型超聲電機的機械特性(圖7、圖8)。并利用普通膠和低溫膠粘結定子和壓電陶瓷，應選用低溫膠粘劑粘結定子和壓電陶瓷。
 
4.2新型超聲電機結構
研究適用于非常態F的新型超聲電機，也是國內外學者研究的關鍵問題之一。主要考慮結構專單化。簡單的結構組成，既可減少在非常態下失效的可能性，又町增加驅動的靈活性。2005g。=,New ScaleTech同與NASA一布聯合開發出低溫超聲電機lJ。J，見圖9。這種超{電機的結構及振動模態如圖10所示。它由四面貼有壓電陶瓷的螺母定子空心柱和旋在其內部轉子螺柱組成，采用d31振動模態。電機直= q~8mm．{q 20mm，單行程最：k~15ranl，分辨室，20nm，速率；0．001～lI¨m／s，扭J]2．5N。該電機可在從室溫到一269~】C(之間連續工作。
圖．N 9超高真空低溫超聲電機
4 3壓電陶瓷材料
研究新型的、受溫度影啊小的，以及低放氣性的壓電陶瓷材料。首先，壓電陶瓷的介電常數、譏械品質因數等隨溫度的降低而減小，從而使壓電陶瓷性能變差。而壓電陶瓷的性能直接影響超吉電機的驅動特性。因此，開發新型的適用于高低溫使用或受其影響較小的壓電陶瓷，有助于非常態下超聲電機的實用化。其次，壓電陶瓷是多孔的粉末燒結材料，在真空中會產生放氣現象，習此研究低放氣性的J土電材料對超聲電機在光學儀器等真空環境下的應用具有重要意義。
1999年，JPL的Barcohen等_J“在真空低溫下測試了超聲電機的壽命，其定子結構如圖11所示。
他們首先利用商用電機作為參照，將日本新生公司的USR30置于低溫一150℃和真空2Pa的條件下，在運行67小時后失效。而后他們總結了此電機失效的原因，是由于壓電陶瓷環振動破裂造成。岡此，他們將JPL／O、M1 a聲電機壓電陶瓷環改成分段式倒轉粘貼的驅動晶片。并將此電機放于真卒低溫下運行336小時后失效，其中在一80~C3Pa下運行65小時；在一150~C2pa下運行271小時。結果表明，此超聲電機存靜。I
[]11 JPLf~~聲電機定了結構真空低溫下的壽命比商用超聲電機氏5倍。他們還設計了一個10。Pa真空日溫，~J,)v-90。C~0～~C2小時循環變化一次的環境，超聲電機在此環境中運行，在執行231次溫度循環后，對比電機試驗前后的機械特性，表明該超聲電機的特性無明顯變化。
2005年，Dong等，利用新型耐低溫壓電單晶體PMN研制山一科低溫超聲電機，見圖12“0。該電機采用IRS開發的單晶壓電陶瓷，它工作在．30K F時具有與室溫壓電陶瓷相似的壓電特性，如圖13所示。利用這種壓電單晶體制作m的兩種超聲電機樣機(如圖14所示)，
即有／兀螺旋桿的直線型超聲電機。這種電機具有大行程、高精度、低溫驅動利掉電日鎖等特性。
其行程jk f-10mm，步進分辨率，20nnl，啊應時問jJJ 2ms，驅動電壓峰峰值為60＼，Pp工作頻率；41．5kHz，轉速．30-70r／min，無螺旋桿的直線超聲電機在77K的液氦中成功的運行，并能穩定的工作，轉速稍有下降。
2008 年，哈工大采用山東淄博的壓電陶瓷PZT-4，并使用低溫膠粘超聲電機，在真空低溫環境下，測試了低溫溫度對超聲電機共振頻率和空載轉速的影響(圖15。可見，隨著環境溫度下降，超聲電機的共振頻率升高，空載轉速下降。
4．4摩擦材料
在超聲電機結構中，轉子摩擦材料起摩擦驅動作用。它的磨損是影響超聲電機壽命的重要因素。在真空條件下，山于卒氣介質稀薄，超聲波懸浮現象減弱，熱量很容易聚集，摩擦材料易發生粘著現象，而低溫環境又易使摩擦材料變得硬脆。因此，非常態F適用的摩擦材料也是超聲電機研究中的重點。研究適用非常態下使用的摩擦材料，可延長超聲電機的使用壽命，推進超聲電機在非常態環境下的應用。此外，開發低放氣性摩擦材料如塑料等，有利于超聲電機在光學領域中的應用。
1998；年，日本東京工業大學的石井孝明“等人研究了幾種摩擦材料在真空環境下的超聲電機特性。采用了cFRP，碳金屬(cM)和氮化硅(sic)和陶瓷材料，在常壓、1×10”Pa和1×lO。Pa真空下的電機轉矩、轉速、摩擦系數和磨損量，發現與常態相比，材料摩擦系數增大，并指出這一現
象的原因是摩擦條件的改變，磨損和熱量的產生。在所使用的幾種摩擦材料中，cFPR受真空影響小，且磨損量也較小。200()年，Moma口。等以研究適用于觀察處理納米尺度的電子束系統例
如sEM，TEM和EB等工具)為背景，提jH無放氣性和無磁材料制成的超聲電機，試驗研究了模態旋轉型超聲電機在10“Pa超高真空下的空載特性(如圖16所示)。在真守值達到10。Pa時，雖然持久性較差，但確定該電機能進行旋轉輸m。轉速隨時間逐漸降低，70m·n后轉子靜止。導致
這種現象的原因是驅動表面的變化。轉子材料為硬鋁，定子材料為不銹鋼相對較軟，因而在超聲
電機運行過程中，不銹鋼被磨損而污染了硬鋁表面，導致了粘著。2001年，在接下來的試驗中，Morita等“。。。‘將轉子表面分別涂鍍碳化鎢，定了表面涂鍍與真空相匹配的粘合劑，運行時間超過廠24小時。當轉子停止時，產生了斷續的噪聲，腔內的氣壓很快上升在停止前，沒有異常的磨損和粘著。超聲電機的轉矩輸出和運行持久性分別提高J，4和20倍，并測得大氣與真空下超聲電機負載特性比較結果。2006年，N“n0等”“實現了模態旋轉型超聲電機在10“Pa超高真空保持環境中的運行，他們不斷地改進定／轉子接觸面的幾何結構和修正摩擦材料。作為轉子材料，試驗了磷青銅，鍍銅和鋁合金。為減小定／轉子接觸面的氣體放射，使用了上述金屬材料，使電機運行過程中的氣體壓強減小了10％，實現最小壓強為3×10“Pa。在電機ll_作的持續性試驗中，使用了低放氣性、低黏附性的鋁轉子，結果總運行壽命從290小時提高到：390小時f如圖17所示)，并保持r超高真空狀態，而之前報道的保持超高真空狀態的最長運行時間僅為80分鐘。此外，還考慮了轉子的幾何修正，在轉子表面開槽以提高定、轉了接觸面磨屑的去除效率，結果也延長了運行時間。
自上個世紀末，國內外學者致力于非常態F的超聲電機研究，迄今為止，有些已進入商、Ik應用階段。超聲電機在非常態下的典型應用有望遠鏡、光學聚焦、機器人關節驅動和精密器械定位等，在眾多應用中，可將其分為用于航天領域的控制驅動器和用于光學領域的調焦控制系統。
5 1航天控制驅動器
九十年代初，MIT與JPL合作開展超聲電機在太空環境中應用的研究，聯合開發了具有雙面齒的行波型超聲電機(如圖18a)所示)。1996年，NAsA將其用于火星探測器的輕量機械臂的I刮態驅動器(如圖18b)所示)。NAsA采用MIT研制的雙面齒行波型超聲電機米取代有刷直
流電機，其特點是緊湊、無需齒輪直接在大力矩下丁作，制動簡單和夾持力矩大，定子的雙面結構
提高了電機在惡劣環境中的熱穩定性口…。與傳統的超聲波電動機相比，在相同尺q及材料的情況雙面齒超聲波電動機的輸出力矩、力矩密度及功率都接近其兩倍。該電機的扭矩i 1．7N．tn，使用****溫度達1∞℃p…。JPL在1996年完成了類似火星低溫／真空環境的系統，開發了相應的軟件來測試速度／轉矩與溫度的函數關系。他們用一個商~N‘“0．113N m的超聲電機來做實驗，發現了在一48℃時還能保持其特性，而且其額定溫度為一lO℃，這個結果令他們非常驚奇f面興奮， 表明超聲電機在低溫真空環境下可以使用。因而1997年在LRR-l(Lightweight Survival Rove：r1上的全復合臂Micro／X_rm k。N應用r這種電機。NASA和JPL X,r該超聲電機進行了低溫真空試驗。試驗表明，超聲電機能在
一150~C)低溫和真率度：k，l O。Pa的環境下工作。
1998~--,JtL繼續了超聲電機在航冬三航天中的應用研究，并研究山能在低溫f．t1 5“x：至55¨C}及真空r產生大轉矩的高效輕便超聲電機，它的壽命要比商用超聲電機長7侄~i o。EI。N莉，火星著陸探測器的29個驅動器都用超聲電機(包括輪_『的驅動)。它的發展計劃主要集中在低溫下超聲電機的理論分析及實驗特性，以及在特殊環境下影響超聲電機運行壽命的機電因素。
另bJPL在龜船的勘察的自動爬行系統(M。ACS)W~匿聲電機作為驅動電機。自動爬行系統運用超聲電機實現直線、旋轉運動，使得整個系統體積小、質量輕，其有效承載質量與自身質量比j 10：1 o~f副的自動爬行系統MACS I用了三個超聲電機，曲個實現前進后退， 個實現轉
彎。MAcsII僅用兩個超聲電機，一個實現前進后退，一個實現轉彎，且整個系統非常緊湊、輕巧：5．2、i)目焦裝置。
Tqew Scale_rech公司的低溫超聲電機可以應用于紅外線成像，利用該電機可連續調節光束隊列，使攝相機鏡頭在室溫時聚焦，并在溫度下降時保持聚焦狀態。因此，2【J(j6年sanguinettl等陋將其應朋于在一，273X：的低溫保持器中，精確調整儀器變形，以改變量子機械中超導微波激振器的共振頻率，使超導微波腔與原予產牛共振。Newr scalelecn公司還依靠這種超聲電機專利技術甫作出各種類型利系列的超聲電機，如低溫超聲電機、真卒／超高真空無磁超聲電機、適用真空低溫環境的世界最小的超聲電機(SE,~I．SXl．5X6)等，并已投入市場。
6結語
目前，我國超聲電機在非常態環境下的研究仍處于實驗室研究階段。研究超聲電機在非常態環境下的各項性能，將有利于超聲電機的結構設計。根據非常態下超聲電機研究的關鍵問題，攻克研究中的難題，從而，促進超聲電機的在我國航空航天領域的應用和發展。
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