| 信息技術(shù)領(lǐng)域高效與節(jié)能微電機技術(shù)動向
O引言
隨著信息技術(shù)的發(fā)達，多功能大容量的便攜式數(shù)碼及信息產(chǎn)品迅速普及，一個信息無所不包、無所不在的嶄新社會正在向我們快步走來。過去的信息產(chǎn)品，如手提電腦、音樂播放器等，多是電子產(chǎn)品，里面沒有多少可動部件，節(jié)電問題尚不明顯。但今后數(shù)碼相機、攝像機會進一步普及而且會大幅度微型化，能提供隨身服務(wù)的機器人也會逐步走進人們的生活，另外，車載以及助殘的機電產(chǎn)品也會目趨豐富。這些產(chǎn)品中主要是機械動作部件，節(jié)電問題隨即凸現(xiàn)。在消減c02排放，阻Jr地球氣候變暖的大背景下，人們總是希望用少量的能源儲備，長時間的使用微型化機電產(chǎn)品(特別是便攜式數(shù)碼信息產(chǎn)品)。
因此，低功耗、高性能微電機(特別是能做直接直線驅(qū)動的微電機，英文Act【1ator)如同低功耗傳感器一樣有著非常重要的應(yīng)用意義。但在該研究領(lǐng)域人們較多關(guān)注低功耗傳感器的研究，
節(jié)能型微電機的研究則相對滯后。在微電機研究方面，以往國內(nèi)外的注意力主要集中于提高電機功率及改善控制性能上，很少關(guān)注微電機的效率以及可靠性、穩(wěn)定性方面的問題。
迄今為止微特電機的研究開發(fā)呈現(xiàn)出四個主要發(fā)展方向：1)低成本方向、2)大輸出力／力矩方向、3)高精度方向、4)微型化和節(jié)電型方向。前三個方向?qū)膯栴}并不十分看重。例如，于半導(dǎo)體制造的超高精密定位系統(tǒng)，微創(chuàng)傷手術(shù)機器人等一般較少考慮效率問題。高效與節(jié)能的需求集聚在了微型化方向上。研究微電機技術(shù)必須要面對功耗與效率問題。
近年來在微電桃領(lǐng)域，壓電超聲電機、靜電電機等新原理電機的開發(fā)非常活躍。這是因為在特殊環(huán)境和微型化要求下，單純改進傳統(tǒng)電磁電機已不能滿足要求。本文重點介紹針對信息領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的微小型電機(mm～cm級)在提高能量轉(zhuǎn)換效率以及節(jié)能方面的技術(shù)動向。
1國內(nèi)外現(xiàn)狀
圖1表示了電磁電機和壓電電機在不同功率下的效率變化情況。由圖1可見，對于微小型電機(功率在30w以下乃至mw級)，電磁電機的效率顯著下降，而壓電電機的效率幾乎維持不變。因此從效率考慮，對于微電機而言，作為非電磁式的壓電電機比電磁式有明顯優(yōu)勢。
1988年日本東京工業(yè)大學(xué)黑澤實和上羽貞行發(fā)表論文“行波型超聲電機的效率。利用摩擦傳力模型估算出行波型超聲電機的綜合電一機變換效率，旋轉(zhuǎn)型在50～70之間，直線型一般不超過20。盡管這是20年前的研究結(jié)論，但直到現(xiàn)在仍然有指導(dǎo)意義。從公布的產(chǎn)品樣本和樣機研究實驗數(shù)據(jù)看，壓電旋轉(zhuǎn)型超聲電機的效率一一般在40～50，直線型(包括駐波型和表面波型)則更低一些，一般在15以。
壓電直線微電機較為成功的機型是慣性沖擊式驅(qū)動器，目前已進入商業(yè)化。該類型驅(qū)動器主要用于微型數(shù)碼相機的光學(xué)調(diào)焦模塊，電有用于相機防手晃系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用。但它們需要在鋸齒或脈沖方波的信號下工作，不能發(fā)揮共振所特有的高效率特性。另外，由于保持力過小，其使用范圍非常局限。
為改善壓電直線微電機的效率，許多學(xué)者開展了研究。
日本慶應(yīng)大學(xué)的前野隆司等提出了一種能減低傳動面摩擦損失的直線超聲電機高效率驅(qū)動
設(shè)計方法，設(shè)計方柱形振子的振動模態(tài)，使第1階和第3階縱向振動固有頻率比為1：3，并且使第1階縱向振動與第2階彎曲振動固有頻率一致。激發(fā)出振子的這三個模態(tài)后可以在振子驅(qū)動端產(chǎn)生較理想的振動軌跡。如圖2所示，在與滑塊接觸的傳動區(qū)有一段切向速度保持不變的平臺區(qū)域，從而比較好的克服了原來正弦信號縱向振動激勵時接觸區(qū)域切向速度波動大，前滑和后滑
嚴重的缺點。有效降低了摩擦損耗，使電機效率得以提高。
國2前野開發(fā)的目線超聲電機的切向速度和法向位移隨時間變化曲線< |
