国外超生电机的发展和应用
来源：中国电机模具网 时间：2007-3-24 16:08:24 浏览数： 【 收藏这篇文章】
1 德国Paderbom大学教授、国际著名的超声电机技术专家J．Wallaschek关于今年五月在德国召开“第二届国际压电材料及其在作动器上的应用研讨会(简称IWPMA)”的建议书中曾写道：“压电驱动器的机械和电的能量转化过程的建模是一个很重要的研究领域。通过它，使很多交叉学科的最新研究成果得到综合的应用。基于宽广的知识领域和广阔的发展前景，这个领域的深入发展只有依国际间合作才有可能，因为各种专业知识都没有集中在某一地域或某一国家。”
超声电机技术从80年代发展到今天，世界各国的专家和技术人员都深深的体会到相互交流的重要性。我国的超声电机技术也必须走向国际。正是怀着这样一个目的，在国家自然科学基金委员会的大力支持下，中国超声电机技术代表团一行6人(南京航空航天大学的赵淳生教授、黄卫清教授、陈超博士生、朱华博士生、辽宁工学院何勃教授、山东大学魏守水副教授)，2005年5月22日，在作者的带领下参加了德国Paderborn大学承办的“第二届国际压电材料及其在作动器上的应用学术年。参加本次年会的还有来自韩国、德国、美国、立陶宛、荷兰、日本、日耳其等国家，约有70名压电材料及压电作动器领域的专家和代表。作者是本届学术委员会中唯一的中国的学术委员和大会主席之一。
本次会议上我国共录取论文1 3篇，其中4篇为大会口头报告，9篇为展板(Posters)o作者在大会上做了题为《超声电机在中国的发展和应用》的特邀报告，详细介绍了中国在超声电机领域取得的最新成果，得到了与会代表的高度评价。如J．Wallaschek教授评价说：“南京航空航天大学超声电机研究中心是该领域内在中国乃至世界最具实力的研究机构”o又如IWPMA会议的创始人之一韩国理工学院的S．J．Yoon教授表示，“赵教授的课题小组在超声电机领域内已经掌握了许多关键技术。"下一届IWPMA会议的承办人土耳其Anadolu大学的Aydin Dogan教授在听完作者的报告说：“以前我对中国的情况不了解，今天发现你们做了非常出色的工作。”
在参观展板时，代表们对来自中国的展板表现出浓厚的兴趣。在面对面的交流中，作者进一步向各国代表介绍了中国的超声电机研究情况。特别是德国Karlsruhe大学的Wolfgang Seemann教授对南航超声电机研究中心曾劲松博士生发表的“超声电机定子两个模态频率一致性的调节方法(An Effective Technique for Modifying Modal Frequencies Of Stator)”表示极大的兴趣，Seemann教授曾经研究过这个难题，但没有
解决，Seemann教授曾经研究过这个难题，但没有解决。日本东京工业大学的M．K．Kurosawa在参观南航研究中心季叶博士生发表的关于“一种新型的高速的非接触式超声电机(A New Non-contact Ultrasonic Motor With Higher Revolution Speed)"的展板时，对中国的非接触式超声电机达到5300r／min表示称赞，并指出达到如此高速的非接触式超声电机将会有很好的应用前景。
会议期间，各国专家和代表参观了德国Paderbom大学Heinz Nixdorf研究所。对他们展示的压电材料及作动器(包括超声电机)的研究成果，代表们十分赞赏和感兴趣!
通过交流，各国代表更加深入的了解了中国超声电机的研究进展，由JWallasch教授建议，经本届IWPMA学术委员会一致通过2007年的年会由中国南京航空航天大学来承办。这无疑是对中国在该领域的科研工作的肯定。与此同时，我们也对新型压电材料、表面波电机等国外领先、国内发展相对滞后的研究课题进行了深入的学习。与会的中国代表团表示，我们要以2007年的IWPMA会议为契机，大力推进我国超声电机技术的发展和应用，努力把中国建设成为超声电机技术世界强国。
通过此次国际会议，我们了解到世界各国超声电机技术仍在不断的发展，特别是韩国发展的非常迅速。为了进一步展示世界超声电机的发展和应用，共同交流，探讨未来发展的方向，除了今年9月份在荷兰召开的IEEE超声学会议(Ultrasonic Symposium)上有超声电机专题外，今年十一月份还将在日本东京工业大学召开“首届国际超声电机和作动器"研讨会(First International Work—shop on Ultrasonic Motors and Actuators，简称lWOMA)。作者热切的希望，我国将有更多的超声电机技术专家和代表去参加这些会议。
2 国外超声电机的发展和应用
国外超声电机技术在20世纪八十年代以来得到了迅速的发展和应用。日本仍处于世界领先地位。它掌握着世界上大多数超声电机技术发明专利。在日本，几乎各知名大学都对超声电机进行了研究。超声电机的主要开发和生产厂家有佳能，FUKOKU，ASU-MO，精工仪器，佳能精机，新生工业，京瓷，奥林巴斯光学工业，MITSUBA，等。
20世纪末和新世纪初，中国、美国、德国、法国、英国和全世界一些发达国家都开始了超声电机的研究。现在，除了日本之外，美国、德国、法国、中国、瑞士、南韩、土耳其、新加坡等都有超声电机产品进入市场。在这些国家中，尤以美国发展得最快，应用的领域也最广。作者1992—1994在美国作访问学者时，还只有麻省理工学院(MIT)刚开始研究超声电机。可在10年后的今天，当作者再到美国访问时，发现美国的超声电机技术不
仅在高等学校遍地开花，一些名牌大学， 如 Stanford、 Berkeley、 Wisconsin、Penn．State等都投入了很多力量研究超声电机。一些国防部门，如NASA、JPL和DAR-PA(Defense Advanced Research Project Agen-cy)等都投入很多人力物力从事超声电机的
研究。美国某些公司生产的超声电机产品已经在航空航天、半导体工业、MEMS和BioMEMS等领域先后得到应用。
国外超声电机的发展，归纳起来有以下几个主要特点：
2．1 大力提高超声电机的使用寿命
由于超声电机是靠摩擦耦合来传递力矩，摩擦界面的磨损和疲劳是不可避免的。这就大大限制了超声电机的应用。目前超声电机仍仅应用于一些间隙工作场合：如照相机的聚焦系统，累计时间寿命只有10多个小时；汽车窗门开关和座椅头靠调整装置，累计时间寿命只有500个小时；最近二年，日本Canon公司将行波超声电机应用于彩色复印机，其累计时间寿命达3000小时以上。某些应用场合还要求更长的累计时间寿命，甚至期望超声电机能连续地长时间运转。为此，世界各国都在研制新型摩擦材料，不断改进超声电机的设计、加工和装配工艺，以提高超声电机的使用寿命。
2．2 研究超声电机对环境工作条件的适应性
近年来对宇宙的探测表明：星际运行有许多特点：运行周期为24小时37分23秒；平均加速度为3725m/s(约为380g)；夏天在南半球上空，气温为-63~2—20"C；冬天在南极上空，气温达-100"(3；平均大气压为5．6 mbo针对这种复杂的环境条件，美国NASA和JPL，对超声电机在高低温和真空环境下进行了大量的试验研究。NASA利用日本Shinsei公司USR-30超声电机，在80E和25mTorr的环境条件下(Cryovac con．ditions)，经过67小时运转损坏后的定子扫描图。从这张计算机断层扫描得到定子与压电陶瓷环胶接面的图像可以清晰看出：很多部位胶层严重破坏。在此试验的基础上，NASA／JPL研制出一种SRPD型超声电机，采取了一些特殊措施，在Cryovac环境条件下，运行了336小时后(在-80"C和25mTorr*C下工作65小时后，又在-150"(2低温和16mTorr下工作271小时)所测的负载特性，该电机具有很好的Cryovac特性，尽管在转速和力矩方面都有大幅度降低，但它仍然能够很好地运转。
当然，要得到超声电机良好的低温特性，除了改善胶接材料和胶接技术之外，就是提高压电陶瓷材料的低温性能。一般情况下压电陶瓷只能在-40"C---100E下工作。最近研究表明：单晶体压电陶瓷具有良好的低温特性。原清华大学董蜀湘博士发展一种用单晶体(Pb(Mg~13№／3)03-PbTi03)对)做的小型直线压电低温超声电机(A Small，Linear，Piezoelectric，Ultrasonic Cryomotor)，能在-200*(2低温工作，且
其工作频率能保持和常态环境下的相近。
2．3 微小型超声电机和集成式超声电机
国外超声电机发展的另一个特点：从大到小，从小型到微型，从微型到集成式。微小型超声电机的发展迅速。特别值得注意的是：美国为了发展空间的反导弹、反卫星及情报侦察系统，近几年将要发射100个以上的纳米卫星(质量7-8kg)o这种纳米卫星的核心技术之一是微机械和微传感系统，包括微传感／遥感器、微陀螺、微驱动器。为此，美国正加倍发展微型超声电机(直径仅1-2mm)o美国Penn．Stsate大学研发的微型超声电机正在被应用于手机和医疗器械。日本seiko公司所发展集成式超声电机，已应用于医疗器械。
日本Epson公司发展了一种厚度为O．4mm超薄型超声电机，能提供的力矩要比传统的电磁电机的大得多。该电机曾在2002年11月Micromachine展览会上展出过，微型直 升机uFR利用两个超薄的超声电机驱动两个旋转方向相反的旋翼，以获取升力。最近该公司又利用这种超薄型超声电机，研制了一种微型机器人MonsieurⅡ，体积7．8 cm3，重量12.5 g。两边装有轮子，其移动速度达到150mm／s。 最值得人们注意的是韩国三星公司将微型超声电机应用于手机照相系统。
2.4 直线型超声电机的迅速发展
近年来超声电机从旋转型(提供旋转运动和力矩)发展到直线型(提供直线运动和力)。这种直线型电机除具有超声电机的一般特点外，加上它不再需要通过滚珠丝杠将旋转运动和力矩转换成直线运动和推力，所以，它还具有结构简单，体积小，重量轻，定位精度高的优点。
由于直线型超声电机的位置控制精度很高，可达微米级，甚至纳米级。目前，世界各国都在竞相发展基于压电型直线电机的定位系统(简称压电型定位系统)。
值得注意的是，东京工业大学M．K．Kurosawa教授，自90年代以来长期从事表面声波超声电机(Surface Acoustic Wave Motor，SAWM)的研究，目前已经达到应用的阶段，工作频率10—IOOMHz，体积4 x 4 x3㎜3，作为步进电机的步距可达亚纳米级O．5 nm)，每一步的响应时间为O．2 ms。2．5 超声电机与生物医学工程、微机电系统相结合 超声电机技术正在与生物医学工程、微机电系统相结合。二十一世纪是生命科学的世纪。当前在生物医学领域研究的主要问题之一：要寻求微小的、能长期(over time)运行的动力源(如超声电机、压电泵等)，将药物及时而准确送到人体。药物传送的概念是基于充分利用微制造的长处而提出来的。超声电机作为微型医疗器械的动力，它将牵引医疗器械引向人体内部或向人体传送药物。
现代生物医学工程研究中，要经常对细胞进行一系
列试验：植物细胞的染色体切割、细胞融合、动物卵细胞转基因注射和人工受精等。完成这些试验，就需要非常准确的定位和十分微细的操作。在细胞试验研究的初期，实验人员在显微镜下，用手工操作机械微操作器来完成。对进行此类操作的医务人员的技术水平要求很高，一般要经过至少一年以上的专业培训。而且，实验的成败与实验人员的情绪以及周围的环境因素关系很大，成功率不超过5％o近些年来，科学家们一直在研究自动化的微操作系统来代替手工操 作器。而且随着科学的发展，这种自动化微操作系统越来越完善。例如，在基因移植和人工受精的操作过程中，将一微小吸管插入细胞是不可缺少的一项操作。当采用基于水压作动器的老式细胞微操作系统时，由于细胞膜的弹性，使整个细胞发生很大的变形。这种过大的变形会对细胞结构造成损伤。最近日本T．Higuchi等人在实验室，利用基于压电型冲击式直线电机的纳米定位技术和图像处理技术，研制出一套自动化细胞微穿刺操作系统。当他们采用这套系统对同样细胞进行穿刺时，细胞变形就大大减小。
相对而言，这里被穿刺的细胞还是比较 大的(大于10μm)。然而，被选来作为药物注射治疗的细胞会更小，因而对定位系统及定位技术要求更高。据报导，国际上现在约有42000种药物可以杀死癌细胞，但它们对人体都有不同程度的毒副作用。如果用它们来治疗癌症，在杀死癌细胞的同时，还会杀死病人的正常细胞。精确定位（近代控制）和引导这些治癌药物进入癌细胞，使之杀死病人的癌细胞，而不至于伤害患者的正常细胞，一直是癌症治疗专家们和患者梦寐以求的目标。微小而精密的表面声波超声电机的研制成功给癌症专家们实现这一目标提供了有效工具。
2．6 人造肌肉的发展和应用
人工肌肉(Artificial Muscles)与自然肌肉在某些方面有着惊人的相似性，这为人们制造具有肌肉性能的作动器提供了可能。实际上它是一类通电即能产生巨大变形的特殊“塑料”，两侧面粘有柔性电极的这种塑料薄膜，在通电后会发生显著的伸缩或弯曲变形，同时还伴随有快速的响应和相当高的机电效率。正是由于这种独特的特性以及其它诸如低价、质轻等因素，人工肌肉在许多特殊领域有着广泛的应用潜力。例如：用于机器人的人工肌肉作动器；价廉质轻的直线型电机；精密光学仪器；泵的薄膜作动器；声学设备；旋转型微型电机；微型飞行器。微型仿生爬虫等。
早在19世纪人们就已经发现了在一些特殊的材料中存在电致动现象，但是直到20世纪中叶才开始将这种特殊的材料用手研
制作动器，而突破性的进展则集中在最近20年。EAPs(Electroactive Polymer Actuators)的种类很多，它可以划分为两大类：电子型EAPs 和离子型EAPs。电子型EAPs包括绝缘弹性体、铁电聚合物、电介体、以及电致伸缩弹性体。离子型EAPs包括离子型聚合胶状体、离子交换膜金属复合材料(IPMC)、导电聚合物以及炭纳米管。目前该技术在美国、日本和韩国发展特别迅速。
3 对发展我国超声电机技术的若干建议
3．1 树立坚定的信心和决心
首先，所有从事这个领域的研究和生产的人员都要树立坚定的信心和决心：我们有基础、有能力把我国的超声电机技术搞上去。“当今世界，科学技术是综合国力竞争的决定性因素，自主创新是支撑一个国家崛起的筋骨。我们要引进和学习世界上先进的科技成果，但更重要的是要立足自主创新，真正的核心技术是买不来的。只有拥有强大的科技创新能力，拥有自主的知识产权，才能提高我国的国际竞争力，才能享有受人尊重的国际地位和尊严。”对超声电机技术抱有怀疑和悲观的论点都是不对的。通过这IWPMA国际会议，使我们更坚定信心：我们一定能够使超声电机技术全面地进入国际先进行列。
3．2 继续扩大研究队伍和研究单位
“科技的灵魂在创新。科技的活力在改革，科技的根本在人才。”现在有几十个单位在研究超声电机，还远远不够，而且每个单位研究人员又很少。多数研究者和单位都限于研究超声电机的运动机理和数学模型，涉及超声电机一些关键技术研究得较少；生产单位就更少了。这是不正常的现象。要知道，传统的电磁电机，世界上有多少单位、多少人员在研究，在生产呀!在日本几乎所有大学都有一帮人在研究超声电机。在美国也有越来越多的大学在研究超声电机。在这次论坛会后，我希望在我国掀起研究、生产和应用超声电机的新热潮。
3．3 大力推广和应用超声电机技术
解决我国经济社会发展中的突出问题，根本要靠科技进步和创新。要通过科技创新，促进产业结构优化升级，提高经济增长的质量和效益……”。研究超声电机的根本目的在于应用。只要有应用，有市场，这种研究才有意义，才有生命力。我们不能满足于写几篇文章，申请几个专利，而是要把产品做出来，应用到工程上去。当前搞推广应用研究的人员太少。这种高技术产品，人们不了解，不想用，不敢用。我们不仅要宣传，要引导，而且我们还要示范，要针对具体工程来设计和应用超声电机。本中心愿意为各行各业免费或廉价提供超声电机。
3．4 积极开展国内技术合作和交流
在国内的合作交流仍然太
少。除了像这样的研讨会外，还需要办学习班、研讨班和单位之间的互相合作和交流。我们已经和清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、华中科技大学、山东大学、山东科技大学、上海大学、福州大学等高等学校建立了很好的协作关系。我们也和中科院声学所、上海硅酸盐研究所、西安微电机研究所、中电科技集团21所等单位有密切的联系。我们还和一些公司有合作关系，如广州兰天超声电机技术公司、江苏海鹰集团公司、常州宏华电子有限公司等。在这里，我们也向曾经给予我们支持和指导的所有这些单位的同行们、专家们表示衷心感谢。我们非常珍惜和这些单位的合作和交流。我们要放眼世界，要打入国际市场，就要加强我们国内合作和交流，进一步扩大我们的合作单位和队伍。几年来，我们自行研制和购置了大量仪器设备，能基本满足当前超声电机的各种试验。我们欢迎全国从事超声电机技术的研究者前来使用和进一步开发。
3．5 走向世界，加强国际技术合作和交流
引言中已讲到，当代技术的发展的国际合作非常重要!各国的科学家们都非常重视开展国际合作。IWPMA国际研讨会也就是基于这个目标召开的。最近，我国超声电机技术进展确实很快，可是国际上不了解，因为我们参加国际会议少，国际杂志上投的文章少，产品尚未进入国际市场。总之，国际上听不到或很少听到我们中国超声电机的声音。在这次IWPMA会上，我们展示了中国超声电机的声音。在这次IWPMA会上，我们展示了中国超声电机研究进展，让各国的科学家们感觉到：中国的超声电机技术在迅速的发展，取得了许多优秀的成果，甚至有些成果已处在世界领先地位。今后，我们要进一步发展国际交流和合作。
4 展望
这次论坛会，会开得更好!开得圆满成功!会后，将在我国掀起一个超声电机研发和应用的新热潮。我们要树立坚定的信心和决心；要继续扩大我们的研究队伍；要向搞电磁电机单位和专家学习；要大力推广和应用超声电机技术；要积极地、持续不断开展国内交流和合作；要放眼世界，走向国际，加强国际交流和合作。只有这样，我国超声电机技术才能真正进入国内市场，才能真正在国际上占有一席之地!
摘自《微电机工业“十一五”发展论坛论文集》