作者：東京工業(yè)大學(xué) 中村 健太郎

1. 序言

以往的超聲波馬達(dá)是通過摩擦力驅(qū)動(dòng)，固定片壓電振子與轉(zhuǎn)子接觸，通過振動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)子從而獲得旋轉(zhuǎn)力和推動(dòng)力。雖然具有高轉(zhuǎn)矩、高控制性等特點(diǎn)，從原理上講其速度無法超過振子振動(dòng)速度。壓電振子的振動(dòng)速度最大可從幾百mm/s到幾m/s2，以往的超聲波馬達(dá)是無法超越這個(gè)速度的。另外還有一個(gè)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(dá)適用于低速高轉(zhuǎn)矩的控制應(yīng)用，并不適合高速長時(shí)間旋轉(zhuǎn)用途。這里介紹的懸浮式超聲波致動(dòng)器的振子與轉(zhuǎn)子是非接觸式，轉(zhuǎn)子浮于上方，其速度可以達(dá)到振動(dòng)速度的數(shù)倍甚至是10倍以上。另外還出現(xiàn)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(yùn)轉(zhuǎn)，構(gòu)成了小型集成系統(tǒng)。另一方面，還在探討使振動(dòng)板在平滑面上懸浮的方式。

2. 近場聲懸浮現(xiàn)象

上述技術(shù)是利用了近場聲懸浮現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了“非接觸式”。首先對該現(xiàn)象進(jìn)行一下簡單說明。如圖1中超聲波振動(dòng)面的上方懸浮了一塊平板，懸浮距離與振動(dòng)幅度成比例關(guān)系，一般在幾10μm到1mm之間。懸浮物體重量增加時(shí)懸浮距離會(huì)相應(yīng)變小。懸浮距離與板子重量的平方根成反比例關(guān)系。板子重量增加到一定程度后最終會(huì)接觸到振動(dòng)板。

此時(shí)，我們設(shè)想當(dāng)懸浮距離與振動(dòng)幅度（0-p值）相同時(shí)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(shí)際上由于振動(dòng)面以及懸浮板存在彎曲等現(xiàn)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(shù)物體懸浮。圖2為彎曲振動(dòng)面上懸浮硅圓板。能實(shí)現(xiàn)活塞振動(dòng)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(shí)會(huì)用到彎曲振動(dòng)板。

圖3為附帶角笛的郎之萬振子驅(qū)動(dòng)彎曲振動(dòng)板，在圓形或矩形的金屬板上激勵(lì)高頻的彎曲振動(dòng)。

此現(xiàn)象被作為展示用大型玻璃電路板非接觸傳輸技術(shù)正在被進(jìn)一步開發(fā)中。圖4中長尺形振動(dòng)板兩端安裝上附帶角笛的壓電振子，從一邊驅(qū)動(dòng)，另一邊連接電氣負(fù)載使之產(chǎn)生彎曲振動(dòng)的行進(jìn)波。驅(qū)動(dòng)側(cè)電源和負(fù)載側(cè)阻抗相互交換后，振動(dòng)傳播方向會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。利用此振動(dòng)體系，可以將平板物體懸浮在空中并從驅(qū)動(dòng)側(cè)向電氣負(fù)載側(cè)移動(dòng)。圖5中所示振動(dòng)板與懸浮物體之間的空氣層中產(chǎn)生了行進(jìn)波傳播方向的空氣流。懸浮平板由空氣流引導(dǎo)向水平方向移動(dòng)。由此產(chǎn)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(zhuǎn)馬達(dá)的應(yīng)用

通過彎曲振動(dòng)板使平板物體懸浮并傳送這一技術(shù)被進(jìn)一步研究，另一方面，應(yīng)用這一現(xiàn)象也在深入研究旋轉(zhuǎn)馬達(dá)以及移動(dòng)平臺。將圖4中的振動(dòng)板換成圓環(huán)形狀就可以制成旋轉(zhuǎn)型馬達(dá)。如圖6所示，2個(gè)振子的間隔為4分之一波長，以90度相位差驅(qū)動(dòng)圓環(huán)就會(huì)產(chǎn)生行進(jìn)波。在振動(dòng)圓環(huán)內(nèi)側(cè)的空氣間隙插入轉(zhuǎn)子。如圖7在激勵(lì)振動(dòng)后轉(zhuǎn)子懸浮，振動(dòng)圓環(huán)直徑約為60mm，圖8為測量振動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系的結(jié)果。每分鐘3000次以上的旋轉(zhuǎn)數(shù)可以得到0.3m/s的振動(dòng)速度。換算成周速度的話，約為10m/s。由此可以看出該結(jié)構(gòu)可以得到比振動(dòng)速度大很多的速度。

應(yīng)用圓形彎曲振動(dòng)模式的周方向旋轉(zhuǎn)可以實(shí)行元板型懸浮式馬達(dá)。圖9中所示相同直徑圓板轉(zhuǎn)子在懸浮過程中進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。振動(dòng)圓板的背面粘接有圓環(huán)狀的壓電陶瓷。如圖9所示，4等分電極由2相電源驅(qū)動(dòng)。由此振動(dòng)模式還是旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生近似周方向的行進(jìn)波振動(dòng)。

在此種振動(dòng)模式下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)相位差達(dá)到180度時(shí)旋轉(zhuǎn)方向會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

1. 懸浮式線性平臺的應(yīng)用

精密加工中會(huì)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(huì)不充分，因此在振動(dòng)體上設(shè)計(jì)了斜面。另外，工作平臺上放置被加工物體后，加之振動(dòng)體時(shí)薄板時(shí)被加工物體重量使振動(dòng)體彎曲，并接觸到工作平臺，因此需要保證振動(dòng)體具有良好的剛性。橫斷面是以三角形優(yōu)質(zhì)陶瓷加工切削后制成的。壓電陶瓷板粘接在振動(dòng)體兩側(cè)，如圖所示由壓電片激勵(lì)振動(dòng)。由優(yōu)質(zhì)陶瓷做超聲波振動(dòng)體驅(qū)動(dòng)的例子比較少，但是可以得到充分的振動(dòng)幅度。懸浮式工作平臺也是同樣的材質(zhì)。此款懸浮式工作平臺可以達(dá)到100g的負(fù)重能力。

第11圖 超聲波上浮式桌面

5. 自動(dòng)懸浮傳送臺

上述介紹的均為振動(dòng)板上懸浮物體的技術(shù)。如果是在平滑的地面，將振動(dòng)板反向放置后，振動(dòng)板自身會(huì)懸浮起來。利用該現(xiàn)象，正在研發(fā)一種自動(dòng)式振動(dòng)板。工廠中會(huì)使用貨盤運(yùn)送零部件等產(chǎn)品，圖12中是將自動(dòng)懸浮式的貨盤（貨臺）代替普通的貨盤。貨臺是通過振動(dòng)板和軟質(zhì)材料支撐。粘接了壓電陶瓷的彎曲振動(dòng)板4個(gè)可以達(dá)到10kgf以上的負(fù)載能力。因?yàn)榈孛嬉话闱闆r下并不彎曲平滑，實(shí)際使用中會(huì)出現(xiàn)某部分與振動(dòng)板接觸的現(xiàn)象，但移動(dòng)所需的牽引力只有十分之一左右的消減。一個(gè)振動(dòng)板的耗電量為幾十瓦。

6. 小結(jié)

以上介紹了幾個(gè)應(yīng)用近場聲懸浮現(xiàn)象的非接觸型致動(dòng)器、設(shè)備的應(yīng)用案例。關(guān)于驅(qū)動(dòng)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(dòng)器實(shí)現(xiàn)商品化，但是其非磁性、無需空氣壓縮機(jī)等特點(diǎn)勢必會(huì)在今后被廣泛應(yīng)用。到那時(shí)，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用要求需要進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬。對于振動(dòng)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(jì)算時(shí)刻移動(dòng)接觸面的方法。以往的線性聲場計(jì)算方法是無法做到的，因此需要研究開發(fā)與之對應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法。

總結(jié)

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