壓電效應(yīng)：對某些材料施加壓力可以在材料兩端產(chǎn)生電動勢。這一突破性發(fā)現(xiàn)得益于期間晶體結(jié)構(gòu)或晶體物理學(xué)快速绽慈、深入的發(fā)展恨旱。僅僅幾年后，壓電逆效應(yīng)在數(shù)學(xué)上得到證實(shí)：即在同一個(gè)晶體上施加電動勢時(shí)坝疼，可以觀測到材料物理膨脹窖杀。這被稱為逆壓電效應(yīng)，直到今天該效應(yīng)仍然是壓電電機(jī)開發(fā)的理論基礎(chǔ)裙士。一些俄羅斯科學(xué)家提出了利用共振來解決傳統(tǒng)粘滑壓電電機(jī)問題的概念。以壓電陶瓷的固有諧振頻率驅(qū)動壓電晶體的膨脹和收縮管毙，以使其在相同的能量驅(qū)動下腿椎，因?yàn)楣舱穸蛎浉唷３暡▔弘婑R達(dá)依此開發(fā)夭咬。
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超聲波壓電技術(shù)的權(quán)威指南
一點(diǎn)點(diǎn)歷史沿革
這一切都始于 18 世紀(jì)熱釋電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)裹虫，當(dāng)某些材料被加熱時(shí)肿嘲，它們會產(chǎn)生電勢。雖然科學(xué)家們早就猜想了壓電效應(yīng)的存在筑公，但直到大約一個(gè)世紀(jì)后的 19 世紀(jì)末雳窟，皮埃爾居里才在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了它。
該效應(yīng)表明匣屡，對某些材料施加壓力可以在材料兩端產(chǎn)生電動勢封救。這一突破性發(fā)現(xiàn)得益于期間晶體結(jié)構(gòu)或晶體物理學(xué)快速、深入的發(fā)展捣作。僅僅幾年后誉结，壓電逆效應(yīng)在數(shù)學(xué)上得到證實(shí)：即在同一個(gè)晶體上施加電動勢時(shí)，可以觀測到材料物理膨脹券躁。這被稱為逆壓電效應(yīng)惩坑，直到今天該效應(yīng)仍然是壓電電機(jī)開發(fā)的理論基礎(chǔ)。
所有晶體都合適嗎嘱朽？
壓電陶瓷材料的根本特性是即使在去除極化場之后旭贬，它包含的電偶極子仍然可以永久保持一個(gè)固定的偶極取向。該極化場是一個(gè)強(qiáng)直流場搪泳，它將現(xiàn)有的偶極子全部排列在同一方向上稀轨，從而使結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體具有偶極子方向。許多材料具有一定程度的壓電陶瓷效應(yīng)岸军，但通常這種效應(yīng)太弱而無法使用奋刽，或者材料本身的強(qiáng)度不足以承受壓電效應(yīng)產(chǎn)生的物理力〖柙蓿或者換一種說法：它們由于機(jī)械膨脹而出現(xiàn)斷裂佣谐。這種現(xiàn)象在單晶材料中很常見，使用多晶陶瓷材料可以獲得更好的結(jié)果方妖。最后狭魂，許多單晶材料對水分非常敏感，使得它們在日常應(yīng)用中毫無用處党觅。
壓電陶瓷最常用的材料是鋯鈦酸鉛雌澄，又稱PZT。典型的壓電材料是陶瓷與金屬的組合杯瞻。為什么镐牺？陶瓷具有壓電特性，但通常非常脆魁莉。這限制了陶瓷晶體在不斷裂的情況下可以承受的極限膨脹量睬涧。通過在晶體結(jié)構(gòu)中添加一種或多種金屬募胃，組合變得更具彈性，從而可以進(jìn)行更大的膨脹畦浓，而這種彈性膨脹對于壓電馬達(dá)來說是理想的痹束，其中膨脹度直接與馬達(dá)在一個(gè)膨脹周期內(nèi)的運(yùn)動有關(guān)。換句話說：這些脆性較小的復(fù)合陶瓷可應(yīng)用在更大沖程的壓電馬達(dá)宅粥。材料濕敏性也更好参袱，使這些陶瓷成為廣泛應(yīng)用的理想選擇。
它們是如何制作的秽梅？
將所有成分加工成非常細(xì)的粉末并混合在一起抹蚀。通常在此階段還會添加某種有機(jī)材料以使材料更好的混合，并在后續(xù)過程中通過加熱混合物方式將其去除企垦。然后將粉末在坩堝中再次加熱环壤，以方便塑性。這種形狀可以是扁平的磚形钞诡、圓柱體或任何其他形狀郑现。
材料定型后，就需要對材料進(jìn)行極化荧降。極化過程在加熱的油浴中完成接箫，并在幾分鐘到幾小時(shí)的時(shí)間內(nèi)在壓電陶瓷元件上施加直流電壓。然后將元件從油浴中取出并冷卻朵诫，從而在材料中形成永久的極化結(jié)構(gòu)辛友。
壓電效應(yīng)的技術(shù)機(jī)理
在上一章中，我們解釋了壓電陶瓷材料包含永久電偶極子剪返，這些電偶極子都朝向同一方向废累。你將會明白這有什么用。當(dāng)我們在陶瓷材料的兩側(cè)施加電動勢（電壓）時(shí)脱盲，電場將開始推動帶正電和帶負(fù)電的晶體彼此遠(yuǎn)離邑滨。這會導(dǎo)致材料膨脹。這種膨脹非常小钱反，通常在納米（百萬分之一毫米）到微米（千分之一毫米）的數(shù)量級掖看。因此，需要進(jìn)行非常多次的膨脹面哥，并結(jié)合一種機(jī)制乙各，將這種膨脹轉(zhuǎn)化為可定量運(yùn)動，才能獲得真正的壓電電機(jī)幢竹。
壓電陶瓷材料有一個(gè)巨大的優(yōu)勢：膨脹（以及去除電壓時(shí)的收縮）非常快恩静，因此每秒可以進(jìn)行很多次膨脹焕毫。大多數(shù)壓電電機(jī)的工作頻率介于 10kHz 和 200kHz 之間（每秒 200.000 次膨脹/收縮）蹲坷。另一個(gè)特性是壓電陶瓷材料的膨脹與施加的電壓成正比。這是一個(gè)有用的屬性邑飒，但它有其局限性：首先循签，材料在斷裂前可以承受的膨脹是有限制的；也有一個(gè)實(shí)際問題的限制疙咸，許多壓電電機(jī)用于人們直接使用和觸摸的產(chǎn)品中县匠。電壓越高，人們越需要小心撒轮，以免在意外接觸陶瓷時(shí)受到電擊乞旦。在傳統(tǒng)的壓電系統(tǒng)中，需要施加高達(dá) 500V 的電壓题山，而在超聲波壓電系統(tǒng)中兰粉，使用低得多的電壓 (24V - 48V)，因?yàn)橹C振效應(yīng)可以產(chǎn)生與施加高電壓相似的效果顶瞳，超聲波系統(tǒng)被認(rèn)為是更安全的系統(tǒng)玖姑。
最基本的促動器，壓電堆
正如在介紹中所解釋的慨菱，當(dāng)施加電動勢時(shí)焰络，某些晶體材料會產(chǎn)生物理膨脹。這種膨脹與施加的電壓成正比符喝。顯然闪彼，這有一個(gè)極限：在某一點(diǎn)上，電壓變得如此之高洲劣，以至于晶體斷裂备蚓。逆壓電效應(yīng)能導(dǎo)致晶體寬度的變化非常小。這限制它的適用范圍：它不適用于大于 1 μm 的位移囱稽，但可以對非常小的距離進(jìn)行精細(xì)控制郊尝。這使得壓電晶體對于在亞微米世界中定位物體非常有用。適用于需要將鏡子或鏡片放置在非常特定位置的科學(xué)研究战惊、或者晶圓檢測機(jī)流昏、電子顯微鏡甚至醫(yī)療設(shè)備。
為了解決位移受限的問題吞获，很早就出現(xiàn)了堆疊多個(gè)壓電晶體的想法况凉，每個(gè)壓電晶體都具有可控制的電壓，不會威脅到晶體結(jié)構(gòu)各拷。這就是所謂的壓電堆刁绒。它是一堆單獨(dú)驅(qū)動的晶體，結(jié)合起來可以產(chǎn)生幾微米的膨脹烤黍。不是很好實(shí)現(xiàn)知市，但研究正在取得進(jìn)展傻盟。
壓電堆的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以產(chǎn)生的力。一個(gè)小壓電堆可以輕松生成 20N 力甚至更多嫂丙。較大的壓電堆可用于以非常精確的方式定位非常重的物體娘赴，所有這些應(yīng)用都沒有很大的行程范圍。我們現(xiàn)在知道了逆壓電效應(yīng)的基本原理跟啤，但是如何利用這種現(xiàn)象的優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)更大的位移呢诽表？科研人員測試過多種設(shè)計(jì)，但只有少數(shù)具備實(shí)用性隅肥。讓我們來看看幾種較為成功的竿奏。
粘滑馬達(dá)
粘滑電機(jī)的原理很簡單：將壓電堆與滑塊上的陶瓷軌道橫向并排貼合放置。在一個(gè)方向上緩慢移動武福，在晶體和滑塊之間形成“滑動”议双，但在另一個(gè)方向上，移動得更慢捉片，在兩者之間形成“黏著”平痰，結(jié)果滑塊與壓電元件一起移動。很明顯伍纫，在這樣的運(yùn)動中宗雇，一次只行進(jìn)了與晶體膨脹相同的距離，因此需要重復(fù)此運(yùn)動數(shù)千次才能行進(jìn)一定長度莹规。幸運(yùn)的是赔蒲，從技術(shù)上講，完全可以在 KHz 范圍內(nèi)交替驅(qū)動信號良漱。
有什么缺點(diǎn)舞虱？即使信號的頻率很高，滑塊仍然移動得很慢母市。最高 5 mm/s 的速度是可實(shí)現(xiàn)的矾兜，但更快難以達(dá)到。對于某些應(yīng)用場景患久，這種緩慢的速度是一個(gè)問題椅寺。但最大的缺點(diǎn)是電機(jī)壽命。壓電電機(jī)在滑塊上的陶瓷條上不斷滑動蒋失，不僅會產(chǎn)生令人不適的噪音返帕，還會導(dǎo)致接觸點(diǎn)磨損嚴(yán)重。想象一下篙挽，對一個(gè)非常小的鋼珠以每秒研磨數(shù)千次的頻率連續(xù)工作數(shù)周荆萤。當(dāng)然，可以通過提高施加到電機(jī)的電壓來增加每沖程的行程铣卡，但出于安全考慮观腊，通常只允許施加最高48V 甚至24V的電壓邑闲，這限制了該解決方案的效果。
壓電超聲馬達(dá)
七十年代梧油，一些俄羅斯科學(xué)家提出了利用共振來解決傳統(tǒng)粘滑壓電電機(jī)問題的概念。這個(gè)想法很簡單州邢，嘗試以壓電陶瓷的固有諧振頻率驅(qū)動壓電晶體的膨脹和收縮儡陨，以使其在相同的能量驅(qū)動下，因?yàn)楣舱穸蛎浉嗔刻省３暡▔弘婑R達(dá)有兩種類型：駐波和行波壓電超聲馬達(dá)骗村。
在行波壓電超聲馬達(dá)中，接觸點(diǎn)沿運(yùn)動方向移動呀枢，不斷向前推動滑塊胚股。通常這用于昂貴的相機(jī)鏡頭。該概念使用一種環(huán)形壓電陶瓷材料裙秋，其中的波由上述壓電效應(yīng)產(chǎn)生琅拌。該波圍繞環(huán)傳播，接觸環(huán)的接觸點(diǎn)“漂浮”在波上摘刑，并在與行波相反的方向上進(jìn)行凈位移进宝。這個(gè)原理很難應(yīng)用于直線運(yùn)動，但非常適用于旋轉(zhuǎn)枷恕。原因是很難在線性陶瓷片的一端產(chǎn)生行波并在另一端將其衰減掉党晋。在一個(gè)環(huán)中，你可以讓波一次又一次地四處傳播徐块。這項(xiàng)技術(shù)對相機(jī)來說很有趣未玻，因?yàn)橛幸粋€(gè)大光圈。對于其他應(yīng)用場景胡控，它的用處不大扳剿，并且該概念僅允許低速工作。雖然行波壓電馬達(dá)可以實(shí)現(xiàn)很高的力铜犬，但它容易磨損并且使用壽命有限舞终。
相反，駐波電機(jī)具有一個(gè)（或幾個(gè)）定義的接觸點(diǎn)癣猾。這些接觸點(diǎn)以一個(gè)橢圓軌道路徑相對于滑塊振動敛劝，從而產(chǎn)生凈位移。
在駐波型的情況下纷宇，由于振蕩頻率與電機(jī)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)共振頻率一致夸盟，因此接觸點(diǎn)的運(yùn)動得到增強(qiáng)。圖 3 顯示了壓電超聲電機(jī)的諧振模式示例像捶，該電機(jī)由 Xeryon 的創(chuàng)始人在比利時(shí)魯汶大學(xué) (KUL) 開發(fā)上陕。在第一共振模式下桩砰，接觸點(diǎn)沿切線方向移動，即運(yùn)動方向（見圖3左圖）释簿，這種模式有時(shí)被稱為“彎曲模式”亚隅。在稱為“正常模式”的第二種共振模式中，觸點(diǎn)垂直于運(yùn)動方向振動（圖 3 右側(cè)）庶溶。
圖1：在 KULeuven（Santoso煮纵，2014 年）開發(fā)的超聲波駐波壓電電機(jī)的共振模式：彎曲模式（左）和正常模式（右）
通過精心選擇壓電電機(jī)的電驅(qū)動信號，兩種模式同時(shí)被激發(fā)偏螺，相位差為正負(fù) 90 度行疏。這導(dǎo)致了接觸點(diǎn)的橢圓振動，如圖 4 所示套像。除了相位差之外酿联，接觸點(diǎn)的運(yùn)動軌跡也可以通過驅(qū)動信號的幅度或頻率來控制。
圖2：超聲波壓電電機(jī)接觸點(diǎn)的橢圓振動
駐波壓電超聲馬達(dá)的特點(diǎn)：
接觸點(diǎn)的橢圓軌跡可以形成具有非常小的水平幅度位移夺巩，每一次振動導(dǎo)致對整機(jī)運(yùn)動的水平位移貢獻(xiàn)很小贞让。這導(dǎo)致非常精細(xì)的定位分辨率，而無需額外的準(zhǔn)靜態(tài)掃描模式（通常用于粘滑壓電電機(jī)以實(shí)現(xiàn)納米分辨率）劲够。其優(yōu)點(diǎn)是超聲波壓電馬達(dá)定位后零漂移震桶，實(shí)現(xiàn)了良好的雙向位置重復(fù)性。
此外征绎，塑造橢圓軌跡的控制策略使得跟隨滑塊的恒定低掃描速度成為可能蹲姐。術(shù)語“超聲波”是指振蕩頻率超出人類可聽頻率范圍。這就解釋了為什么這些電機(jī)運(yùn)行無噪音人柿，當(dāng)操作員在光學(xué)顯微鏡等系統(tǒng)附近工作時(shí)柴墩，這是一個(gè)明顯的優(yōu)勢。此外凫岖，由于操作頻率高江咳，使用超聲波壓電電機(jī)可以實(shí)現(xiàn) 1000 mm/s 甚至更高的高運(yùn)動速度。由于其在諧振下運(yùn)行來哥放，這種電機(jī)具有低功耗和低發(fā)熱特性歼指，這在能量利用上比準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)行更有利。這在需要熱穩(wěn)定的手持設(shè)備和系統(tǒng)中很重要甥雕，最后踩身，當(dāng)在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下使用時(shí)，這些電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)長距離和長壽命社露。因?yàn)榕c粘滑壓電馬達(dá)相比挟阻，接觸點(diǎn)和滑塊之間的沖擊更低。
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