作者：東京工業大學 中村 健太郎

1. 序言

以往的超聲波馬達是通過摩擦力驅動，固定片壓電振子與轉子接觸，通過振動摩擦轉子從而獲得旋轉力和推動力。雖然具有高轉矩、高控制性等特點，從原理上講其速度無法超過振子振動速度。壓電振子的振動速度最大可從幾百mm/s到幾m/s2，以往的超聲波馬達是無法超越這個速度的。另外還有一個不可忽視的是接觸面的磨損問題。通常的接觸式超聲波馬達適用于低速高轉矩的控制應用，并不適合高速長時間旋轉用途。這里介紹的懸浮式超聲波致動器的振子與轉子是非接觸式，轉子浮于上方，其速度可以達到振動速度的數倍甚至是10倍以上。另外還出現了替代空氣懸浮平臺的超聲波懸浮式平臺。無需空氣泵以及管道只通過電源就可運轉，構成了小型集成系統。另一方面，還在探討使振動板在平滑面上懸浮的方式。

2. 近場聲懸浮現象

上述技術是利用了近場聲懸浮現象實現了“非接觸式”。首先對該現象進行一下簡單說明。如圖1中超聲波振動面的上方懸浮了一塊平板，懸浮距離與振動幅度成比例關系，一般在幾10μm到1mm之間。懸浮物體重量增加時懸浮距離會相應變小。懸浮距離與板子重量的平方根成反比例關系。板子重量增加到一定程度后最終會接觸到振動板。

此時，我們設想當懸浮距離與振動幅度（0-p值）相同時能夠懸浮的重量最大，那一枚郵票大小的面積可懸浮超過100kgf的重量。實際上由于振動面以及懸浮板存在彎曲等現象，能夠懸浮的重量范圍要比理論值小，但也還是可以保證使大多數物體懸浮。圖2為彎曲振動面上懸浮硅圓板。能實現活塞振動的面積限制在一邊或直徑在4分之一波長大小，因此懸浮大面積的物體時會用到彎曲振動板。

圖3為附帶角笛的郎之萬振子驅動彎曲振動板，在圓形或矩形的金屬板上激勵高頻的彎曲振動。

此現象被作為展示用大型玻璃電路板非接觸傳輸技術正在被進一步開發中。圖4中長尺形振動板兩端安裝上附帶角笛的壓電振子，從一邊驅動，另一邊連接電氣負載使之產生彎曲振動的行進波。驅動側電源和負載側阻抗相互交換后，振動傳播方向會發生逆轉。利用此振動體系，可以將平板物體懸浮在空中并從驅動側向電氣負載側移動。圖5中所示振動板與懸浮物體之間的空氣層中產生了行進波傳播方向的空氣流。懸浮平板由空氣流引導向水平方向移動。由此產生的推力具有空氣粘性，并不是很大的推力。

3. 懸浮式高速旋轉馬達的應用

通過彎曲振動板使平板物體懸浮并傳送這一技術被進一步研究，另一方面，應用這一現象也在深入研究旋轉馬達以及移動平臺。將圖4中的振動板換成圓環形狀就可以制成旋轉型馬達。如圖6所示，2個振子的間隔為4分之一波長，以90度相位差驅動圓環就會產生行進波。在振動圓環內側的空氣間隙插入轉子。如圖7在激勵振動后轉子懸浮，振動圓環直徑約為60mm，圖8為測量振動速度和旋轉數關系的結果。每分鐘3000次以上的旋轉數可以得到0.3m/s的振動速度。換算成周速度的話，約為10m/s。由此可以看出該結構可以得到比振動速度大很多的速度。

應用圓形彎曲振動模式的周方向旋轉可以實行元板型懸浮式馬達。圖9中所示相同直徑圓板轉子在懸浮過程中進行高速旋轉。振動圓板的背面粘接有圓環狀的壓電陶瓷。如圖9所示，4等分電極由2相電源驅動。由此振動模式還是旋轉并產生近似周方向的行進波振動。

在此種振動模式下，當驅動相位差達到180度時旋轉方向會發生逆轉。

1. 懸浮式線性平臺的應用

精密加工中會用到空氣懸浮式平臺，圖11展示的是由超聲波懸浮替代空氣懸浮。其原

理與圖4類似，只是將懸浮傳送裝置的懸浮平板換成了工作平臺。如果僅僅是水平面的話，那橫向的位置保持能力會不充分，因此在振動體上設計了斜面。另外，工作平臺上放置被加工物體后，加之振動體時薄板時被加工物體重量使振動體彎曲，并接觸到工作平臺，因此需要保證振動體具有良好的剛性。橫斷面是以三角形優質陶瓷加工切削后制成的。壓電陶瓷板粘接在振動體兩側，如圖所示由壓電片激勵振動。由優質陶瓷做超聲波振動體驅動的例子比較少，但是可以得到充分的振動幅度。懸浮式工作平臺也是同樣的材質。此款懸浮式工作平臺可以達到100g的負重能力。

第11圖 超聲波上浮式桌面

5. 自動懸浮傳送臺

上述介紹的均為振動板上懸浮物體的技術。如果是在平滑的地面，將振動板反向放置后，振動板自身會懸浮起來。利用該現象，正在研發一種自動式振動板。工廠中會使用貨盤運送零部件等產品，圖12中是將自動懸浮式的貨盤（貨臺）代替普通的貨盤。貨臺是通過振動板和軟質材料支撐。粘接了壓電陶瓷的彎曲振動板4個可以達到10kgf以上的負載能力。因為地面一般情況下并不彎曲平滑，實際使用中會出現某部分與振動板接觸的現象，但移動所需的牽引力只有十分之一左右的消減。一個振動板的耗電量為幾十瓦。

6. 小結

以上介紹了幾個應用近場聲懸浮現象的非接觸型致動器、設備的應用案例。關于驅動頻率大部分在20~40kHz之間，頻率最高的也在100kHz以下。

雖然目前還沒有將這種懸浮式致動器實現商品化，但是其非磁性、無需空氣壓縮機等特點勢必會在今后被廣泛應用。到那時，為實現應用要求需要進行數據模擬。對于振動面和懸浮物體的空氣間隙很多情況下無法忽視振幅幅度的大小，因此有必要用到可以計算時刻移動接觸面的方法。以往的線性聲場計算方法是無法做到的，因此需要研究開發與之對應的數值計算方法。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的div悬浮在固定位置_悬浮式超声波致动器概要及研究动向的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。