| 信息技術(shù)領(lǐng)域高效與節(jié)能微電機(jī)技術(shù)動(dòng)向
O引言
隨著信息技術(shù)的發(fā)達(dá)，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(gè)信息無所不包、無所不在的嶄新社會(huì)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(dòng)部件，節(jié)電問題尚不明顯。但今后數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)會(huì)進(jìn)一步普及而且會(huì)大幅度微型化，能提供隨身服務(wù)的機(jī)器人也會(huì)逐步走進(jìn)人們的生活，另外，車載以及助殘的機(jī)電產(chǎn)品也會(huì)目趨豐富。這些產(chǎn)品中主要是機(jī)械動(dòng)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(shí)間的使用微型化機(jī)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(jī)(特別是能做直接直線驅(qū)動(dòng)的微電機(jī)，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(jī)的研究則相對滯后。在微電機(jī)研究方面，以往國內(nèi)外的注意力主要集中于提高電機(jī)功率及改善控制性能上，很少關(guān)注微電機(jī)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(jī)的研究開發(fā)呈現(xiàn)出四個(gè)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(gè)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(jī)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(jī)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(jī)、靜電電機(jī)等新原理電機(jī)的開發(fā)非�；钴S。這是因?yàn)樵谔厥猸h(huán)境和微型化要求下，單純改進(jìn)傳統(tǒng)電磁電機(jī)已不能滿足要求。本文重點(diǎn)介紹針對信息領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的微小型電機(jī)(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(dòng)向。
1國內(nèi)外現(xiàn)狀
圖1表示了電磁電機(jī)和壓電電機(jī)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(jī)(功率在30w以下乃至mw級)，電磁電機(jī)的效率顯著下降，而壓電電機(jī)的效率幾乎維持不變。因此從效率考慮，對于微電機(jī)而言，作為非電磁式的壓電電機(jī)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(shí)和上羽貞行發(fā)表論文“行波型超聲電機(jī)的效率。利用摩擦傳力模型估算出行波型超聲電機(jī)的綜合電一機(jī)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(jī)研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，壓電旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)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(jī)較為成功的機(jī)型是慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)器，目前已進(jìn)入商業(yè)化。該類型驅(qū)動(dòng)器主要用于微型數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)調(diào)焦模塊，電有用于相機(jī)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(jī)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(dòng)面摩擦損失的直線超聲電機(jī)高效率驅(qū)動(dòng)
設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)方柱形振子的振動(dòng)模態(tài)，使第1階和第3階縱向振動(dòng)固有頻率比為1：3，并且使第1階縱向振動(dòng)與第2階彎曲振動(dòng)固有頻率一致。激發(fā)出振子的這三個(gè)模態(tài)后可以在振子驅(qū)動(dòng)端產(chǎn)生較理想的振動(dòng)軌跡。如圖2所示，在與滑塊接觸的傳動(dòng)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(dòng)激勵(lì)時(shí)接觸區(qū)域切向速度波動(dòng)大，前滑和后滑
嚴(yán)重的缺點(diǎn)。有效降低了摩擦損耗，使電機(jī)效率得以提高。
國2前野開發(fā)的目線超聲電機(jī)的切向速度和法向位移隨時(shí)間變化曲線
日本室蘭工業(yè)大學(xué)的青柳學(xué)等，使超聲電機(jī)振子的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)模式單純化，利用LiNbO，單晶矩形板狀振子的各向異性，單相驅(qū)動(dòng)。既非常有利于微小型化，又避開了利用雙模態(tài)復(fù)合的駐波型超聲電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換上的種種缺點(diǎn)，提高電機(jī)的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。
此外，我國清華大學(xué)的周鐵英等把壓電陶瓷切變換能模式用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，通過利用壓電陶瓷機(jī)電耦合較好的d]5模式，提高電機(jī)性能，改善換能效率”。德國Paderbom大學(xué)的wallaschek等把直線型超聲電機(jī)的振子兩端都做成驅(qū)動(dòng)端，唰時(shí)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌，使振子兩端的振動(dòng)能量都得到利用，為提高電機(jī)效率提供了利，新方法。上海大學(xué)的李朝東等開發(fā)了無需振子夾持機(jī)構(gòu)的活塞式和推桿式壓電直線微電機(jī)，從而避免了振子的機(jī)械振動(dòng)波在固定結(jié)構(gòu)處的反射，對于改善效率是有益的探索。
但無論如何努力，壓電超聲電機(jī)在效率上的提高是十分有限的。鑒于壓電電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換效率上的缺憾，新型換能原理的微電機(jī)不斷涌現(xiàn)。
利用流體動(dòng)力作驅(qū)動(dòng)源的功能流體驅(qū)動(dòng)器近年來發(fā)展很快。所謂功能流體就是在施加電場或磁場時(shí)產(chǎn)生射流或發(fā)生明顯粘度變化的液體。可以很方便的構(gòu)成微小化的簡單電機(jī)結(jié)構(gòu)，功率密度大。應(yīng)用電共役流體(Electro—conjugateF1uid：EcFl的DP—RE型微電機(jī)是其中較新的一種(圖3)，它具有高可靠性和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室里已實(shí)現(xiàn)了20的高效率，經(jīng)過努力還有望達(dá)到40的效
室|9] 高分子驅(qū)動(dòng)器是能夠很好滿足微型化和低功耗要求的全新概念的驅(qū)動(dòng)器。由于它很好的迎合了當(dāng)今微小型電子機(jī)械系統(tǒng)，特別是航天器、機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)裝置的迫切需求““而備受期待。最近該驅(qū)動(dòng)器發(fā)展勢頭迅猛，性能進(jìn)步很快，正接近于產(chǎn)品化。人們期待高分子驅(qū)動(dòng)器能夠代替電磁電機(jī)和超聲電機(jī)在人造衛(wèi)星中執(zhí)行天線開合、太陽電池開合機(jī)械手操作等信息控制工作。
電活性紙(Electro—active Paper：EAPap)是美國諾福克州立大學(xué)最近研制出的仿生型撓性驅(qū)動(dòng)器。它具有成本低、低電壓驅(qū)動(dòng)、輸出變形量大、輕、功耗小的特點(diǎn)，發(fā)展前景看好。2影響效率的主要因素及今后的努力方向
壓電微電機(jī)是率先進(jìn)入實(shí)用化的微電機(jī)，其他類型如高分子(人工肌肉)、功能流體等尚處于開發(fā)階段。因此這里討論的影響效率的主要因素皆以壓電型微電機(jī)為對象。作者認(rèn)為以下四方面因素是制約微電機(jī)效率提升的主要因素：1)粘接劑和摩擦材料影響，2)壓電換能元件的漏電流和遲滯特性，3)振子的約束狀態(tài)和傳力界面上的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，4)振子機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀和尺寸
與壓電元件的匹配及封裝。
今后，微電機(jī)研究的核心內(nèi)容主要是四個(gè)方面：能量轉(zhuǎn)換機(jī)理與電機(jī)設(shè)計(jì)、能量變換所使用的功能材料、加工制作與工藝技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)。其中隨著今后工藝技術(shù)的進(jìn)步，壓電薄膜
將在微電機(jī)中發(fā)揮重要作用。另外，照顧到環(huán)境保護(hù)問題，無鉛化壓電元件將會(huì)取代目前普遍使用的PZT等材料，其特性需要深入把握并不斷改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)
|
