超聲波電機易磨損/控制難，為什么是微型電機應用中的熱門

電子發燒友網報道（文/李寧遠）微型電機方面的研究現在熱度很高，如何在小體積下做到快速地響應、足夠大的轉矩是行業很關注的方向。這一方向上，超聲波電機成為國內外在微型電機方面的研究熱點。

我們熟悉的電機，絕大多數都是以電磁原理為基礎，而超聲波電機完全是另一條技術路線。在技術的發展與迭代下，超聲波電機展現出了低速大轉矩、反應速度快、不受磁場影響、保持力矩大等優點，迅速在微型電機領域展開應用。

基于逆壓電特性的超聲波電機

超聲波電機不是說直接利用超聲波來做功的電機，超聲波電機實際上是先把電能變成高頻機械振動，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。

超聲振動通過摩擦傳動的方式轉換成運動體的回轉或直線運動，那如何將電能轉換成這種20kHz以上的超聲振動呢？超聲波電機是利用了壓電材料的逆壓電效應來實現電能到機械能的轉換。

壓電振動元件受力后產生“壓電效應”，也就是受力后產生電荷。而“逆壓電效應”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。振動體由壓電陶瓷制成，具備逆壓電效應，相當于傳統電機中的定子，然后產生的超聲振動帶動相當于轉子的移動體運動，從而實現對外做功。

和傳統電機完全不同，超聲波電機既不需要線圈，也不需要磁鐵。相當于定子的壓電陶瓷和相當于轉子的移動體在壓力作用下緊密接觸。這使得超聲波電機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能夠應用到很多需要微型電機的場合，很多精密設備應用都需要應用到此類電機。

超聲波電機應用如何

目前超聲波電機有直線型和環型兩個大類，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動，一個變換成了旋轉運動。

傳統的電機加主軸組合將電機的旋轉運動轉換成直線運動，但由于機械部件之間的空隙，響應時間會有所延遲。超聲波電機驅動可以直接產生直線運動，穩定性更高，慣性更小，雖然有磨損風險，但是在很多小型化系統之中這都可以帶來更好的運控效果。

一個很典型的成熟超聲波電機應用是相機鏡頭，相機鏡頭的調焦系統就可能用到超聲波電機。超聲波電機通過將高頻振動轉換為動能來驅動鏡頭，佳能是最早在相機中應用該技術的，并且旗下產品應用了多種不同的形態的超聲波電機，均是以定子的超聲波振動作為驅動源，帶動鏡頭對焦。

超聲波電機以低耗電量實現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，并實現了全時手動對焦。

機器人的關節驅動則是超聲波電機未來十分適配的應用，超聲波電機結構簡單的優勢能大大減少關節模塊的體積。此外，移動體慣性小，響應速度快，起動和停止時間都很快，有實現高精度的速度控制和位置控制的基礎。

而且因為超聲波電機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器人關節需要的。大力矩也是超聲波電機的研究方向。

雖然有這些優點，但是目前超聲波電機在使用壽命、運行效率上還有一定缺陷，除了在微型設備領域，其他領域的應用還需要不斷完善有很長的路要走。

小結

超聲波電機作為微型電機的代表，可以說優缺點都很突出，體積小、轉矩大、反應速度快、不受磁場影響都是很有利的電機特性，但是易磨損、控制難、效率低也限制了其不少應用。隨著該技術方向的研究不斷深入，超聲波電機應該還會有更多應用涌現。