压电超声直线电机微纳运动系统的特点、分类及应用

1.压电超声直线电机微纳运动系统的特点

压电超声直线电机作为微纳运动系统的驱动源，和压电旋转超声电机一样，也是利用压电陶瓷的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子、动子间的摩擦作用，将弹性体的微幅振动转化成动子的宏观直线运动。压电超声直线电机微纳运动系统具有以下优点。

（1）不需要转换装置，直接输出直线运动和推力。

（2）位移分辨率高，最高可达到纳米级的定位精度。

（3）结构简单、紧凑，设计灵活，易实现装置的小型化、轻量化。对于空间十分狭小或要求小型化、微型化的场合尤为适合。

（4）散热条件好。间歇性接触驱动方式及非封闭的接触界面环境，使得电机因摩擦产生的热量得到很好的散发。

（5）成本低。结构简单，加工和维护成本相对较低。

2.压电超声直线电机微纳运动系统的分类

这里主要是指压电超声直线电机的分类。压电超声直线电机的工作原理和结构形式丰富多样，其分类方法也有多种，归纳如图5-5所示。

图5-5　压电超声直线电机的分类

按照波动形式的不同，压电超声直线电机分为行波型、驻波型和声表面波型。其中，行波型压电超声直线电机按照定子外形不同又分为直梁式和环梁式；驻波型压电超声直线电机按定子上驱动足数量可分为单足式和多足式。

按照压电振子运动形式，压电超声直线电机可分为自行式（压电振子作为动子）和非自行式（压电振子作为定子）。

按照接触表面质点椭圆运动的生成方式，压电超声直线电机可以划分为单模态型和模态耦合型。

按照所利用的振动位移方向是垂直于定子平面还是在定子平面内，压电超声直线电机可分为面外振动和面内振动两种类型。(www.xing528.com)

按照定子和动子的接触情况，压电超声直线电机可分为接触型和非接触型。

目前压电超声直线电机分类方法很多，各个分类方法之间并非互相孤立，而是相互补充以形成更细的分类方法。

3.压电超声直线电机微纳运动系统的应用

压电超声直线电机的最大优势之一就是可以直接输出直线运动而不需要转换装置，且能够做到断电自锁。因此，目前压电超声直线电机主要用作精密定位平台，实现大行程、高精度、高分辨率的微纳运动和精准定位，在近代尖端工业生产和科学研究领域中占有极为重要的地位。

图5-6至图5-9所示为国际上研制的各种精密定位平台，用于不同场合。图5-6所示为美国北卡罗来纳大学研制的直线运动平台，它的驱动主要由两部分来完成，首先由直线伺服电机实现粗定位，然后由压电超声直线电机进行精确定位，定位误差可达50 nm以内。

图5-7所示为日本Kyocera公司生产的驻波型压电超声直线电机驱动的二维精密运动平台。该精密运动平台在化学分析、厚度测量和大规模集成电路制造方面得到了很好的应用。该产品有两个类型：超低速型和高速型。超低速型的最低速度可以达到10 nm/s，定位精度为10 nm，位置分辨率为1 nm或更高；高速型的运动速度为200 mm/s或更高，定位精度在±100 nm。超低速型可用于微纳机械加工、化学分析、厚度测量、高密度存储设备等，而高速型可用于电子束发射器、电子扫描显微镜、探伤设备等。

图5-6　直线伺服电机与压电超声直线电机组合的直线运动平台

图5-7　压电超声直线电机驱动的二维精密运动平台

图5-8　用于IC芯片制造的PCLM系列压电超声直线电机微纳驱动平台

图5-9　LS系列压电超声直线电机多自由度运动平台

同样，如图5-8所示，美国英特尔公司将美国ANORAD公司生产的PCLM系列压电超声直线电机微纳驱动平台应用于IC芯片的生产中。图5-9所示为以色列NANOMOTION公司研制的LS系列压电超声直线电机多自由度运动平台。