張鐵民（華南農業(yè)大學工程學院，廣東廣州510642）

宏/微雙重驅動的新型直線電機研究*

張鐵民
（華南農業(yè)大學工程學院，廣東廣州510642）

大行程、高精度，同時易于小型化的移動機構是先進制造業(yè)等領域要解決的關鍵問題之一，綜述了現(xiàn)有宏/微雙重驅動機構和直線超聲電機的研究進展和存在問題，提出了一種宏微雙重驅動新型直線壓電電機，使其既能與超聲電機一樣，直接驅動、響應快、不受磁場干擾實現(xiàn)宏驅動；又能與微驅動一樣，精密定位，實現(xiàn)微驅動，并把宏微運動結合起來，在一個電機上同時實現(xiàn)宏微驅動，通過有限元分析軟件，計算復合振子的振動模態(tài)和靜態(tài)變形，分析了宏微驅動原理，給出了宏微驅動新型直線電機驅動電源的設計方案。

宏/微雙重驅動；直線電機；超聲電機；微驅動

隨著IC（Integrated circuit）制造中芯片光刻與封裝、MEMS（Micro-Electromechanical Sys?tem）制造中的器件封裝與組裝、生物醫(yī)學工程中的高速點樣移液、高速精密加工及高速掃描檢測等領域的迅速發(fā)展，對定位系統(tǒng)的行程、速度、加速度和精度提出了更高的要求，高速高精度定位系統(tǒng)的研究應運而生。然而，定位精度與系統(tǒng)運動速度、行程的提高相互矛盾，高精度定位希望機構運動平緩，而高生產率又希望系統(tǒng)高速大行程運動并高速啟停，即高速大行程與高精度相互矛盾。如何較好地解決這些矛盾，實現(xiàn)大行程、高速機械運動系統(tǒng)的精密定位已成為當前芯片封裝界一個亟待解決的問題。

目前，我國芯片封裝設備工業(yè)水平與國外先進水平仍有較大差距，國內芯片封裝設備的85%依賴進口，在西方發(fā)達國家技術封鎖下，高端的芯片封裝設備引進受到制約，芯片封裝水平將阻礙我國成為二十一世紀世界IC制造強國之一。因此，迫切需要開展面向先進芯片封裝等先進制造領域的高精度定位技術的研究。

1　宏微驅動機構研究現(xiàn)狀

由于精密定位技術應用領域的廣泛性、對高科技發(fā)展影響的重要性，因而一直是各個發(fā)達國家的科研機構、高等院校和大型企業(yè)研究的重點。在IC制造產業(yè)中，關鍵部件就是實現(xiàn)高位置分辨率、高可靠性、具有較大行程和高精度定位的直線推進運動。

現(xiàn)有高分辨率直線推進運動普遍借助于旋轉電動機旋轉運動，加上滾珠絲杠而獲得的直線運動，再加上微動臺實現(xiàn)宏微驅動，如圖1所示[1]。

圖1　宏微雙驅動結構示意圖

1.1國內研究現(xiàn)狀

國內研究精密定位技術的科研機構和高等院校非常多，哈爾濱工業(yè)大學、吉林大學、清華大學、西安交大、浙江大學、吉林大學、西安理工大學、中國科學院長春光機所和成都光電所等單位對大行程精密定位進行了比較多的研究工作，近年來臺灣地區(qū)對該領域的研究也非?；钴S[1～5]。

哈爾濱工業(yè)大學王立松研制的宏微兩級驅動雙定位工作臺，該工作臺采用直線電機進行大行程驅動，電致伸縮微位移器完成精定位，單頻激光干涉儀實現(xiàn)閉環(huán)位置反饋，用頻率法建立定位系統(tǒng)的模型，采用PID控制方法，實現(xiàn)了500mm工作行程內小于20 nm的重復定位精度。王波等人在超精密車床上利用滾珠絲杠的微動特性所進行的納米定位研究，利用滾珠絲杠的微動特性，同樣可以實現(xiàn)納米級的定位精度。

浙江大學現(xiàn)代光學國家重點實驗室的米鳳文等人研制的大行程精密定位系統(tǒng)，它采用粗、精兩級定位方式，伺服電機帶動機械傳動系統(tǒng)實現(xiàn)粗定位，壓電陶瓷實現(xiàn)工作臺的精定位。

中科院成都光電所謝傳缽研制的分步重復投影光刻機精密快速定位也采用粗、細結合方式，粗定位采用滾珠絲杠螺母機構和滾動導軌，細定位采用分辨率為10 nm的壓電尺蠖驅動。

清華大學朱煜等人與上海微電子設備有限公司合作研究的步進掃描投影式光刻機超精密工件臺是一種宏微兩級定位系統(tǒng)，它采用氣浮導軌支撐、直線電機驅動、直線光柵尺反饋組成大行程直線運動系統(tǒng)，其上疊加洛侖茲電機驅動的氣浮微動臺，提供對直線電機的精度補償。

西安交通大學的壓印光刻機宏、微兩級超高精度定位系統(tǒng)中，采用彈性力學理論，對精定位臺的靜、動參數(shù)進行了分析和估算，確定了系統(tǒng)的自然頻率，并由此設計出雙伺服環(huán)的控制系統(tǒng)；在控制軟件中采用Chebyshev數(shù)字濾波器去除信號中的噪聲，使整個定位系統(tǒng)在200mm的行程中，定位精度達到了8 nm。

臺灣中正大學研制的大行程納米定位工作臺，在滾珠絲杠上裝兩個螺母，中間夾著PZT，先用滾珠絲杠螺母機構加上抖動信號粗定位以消除機構的爬行現(xiàn)象，然后再利用PZT進行精定位。淡江大學和修平技術學院共同研制的大行程納米定位系統(tǒng)，它采用絞盤機驅動方式、氣浮導軌支撐的單層工作臺，分辨率為5 nm的HP激光干涉儀作為位置反饋測量裝置，模型參考自適應控制，在50 nm、500 nm和10μm三種步距實驗中都獲得了小于±15 nm的(步距)定位精度，并且無過沖，抗干擾能力很強。

1.2國外研究現(xiàn)狀

國外對大行程精密定位技術進行研究的國家非常多，除了美國、日本等傳統(tǒng)的精密機械技術強國外，近年來韓國對該領域的研究也非常深入[6～8]。

North Carolina大學和MIT共同研制的用于掃描探針顯微鏡的六自由度磁懸浮掃描工作臺，工作范圍是25mm×25mm×0.lmm，定位精度達到了10 nm。

東京工業(yè)大學精密及智能實驗室研制的氣體靜壓工作臺納米定位系統(tǒng)，它采用有刷直流電機，軸承、導軌和絲杠螺母采用氣體靜壓方式，PID控制器。這也是單層工作臺的納米定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)位置反饋所用激光干涉儀的分辨率僅為0.3 nm，使得定位精度達到了±2 nm，由于采用了絲杠螺母的驅動形式，定位行程達到了400mm。

韓國首爾大學研制的一種宏微兩級定位納米工作臺，宏動臺采用滾珠絲杠螺母機構，微動臺用PZT加柔性鉸鏈機構。該工作臺采用雙伺服控制的方法，宏動臺的位置反饋用編碼器，微動臺的位置反饋用激光干涉儀，定位行程達到200mm，精度為10 nm。韓國電子技術研究所研制的一種用于微裝配和半導體設備上的尺鑊式驅動器，它采用外差激光干涉儀作為伺服反饋裝置，定位行程達到100mm，速度為10.2mm/s，移動步距為50 nm。韓國高等理工學院SungQ.Lee等人研制了音圈驅動器和空氣支承滑臺，采用連續(xù)增益調整控制方法，實現(xiàn)了100mm行程、50 nm步距的定位運動[9～13]。

法國Compiegne工業(yè)大學的SamirMekid用無刷直流電機摩擦傳動、液體靜壓支承構成了高精度直線滑臺，并采用內?？刂频姆椒▽崿F(xiàn)了較大行程的納米定位，該滑臺有較大的承載能力和工作行程，定位精度高，但10mm/s的運動速度并不算高。

1.3存在的問題

上述傳統(tǒng)電磁電機或者再加上一套變換機構組成宏直線運動，微動臺組成的微直線運動，宏微直線運動疊加構成了大行程高分辨率宏微運動裝置，不可避免的存在傳統(tǒng)電磁電機的諸多缺點，如電磁場干擾，同時宏、微驅動從機械結構到驅動控制系統(tǒng)都是各自獨立，體積龐大、結構復雜、傳動鏈長，需要分別對電磁電機和微動臺進行驅動控制，使機構體積和重量進一步小型化和提高運動精度都十分困難，其產品性能、質量很難進一步提高，難以滿足當今電子信息產業(yè)對直線電機精度、速度及結構等要求[14-15]。

2　超聲電機研究進展

超聲電機是利用壓電元件的逆壓電效應使定子產生高頻（超聲波）振動而驅動轉子（或滑塊）運動的一種新型電機，它與傳統(tǒng)的電磁電機相比有著完全不同的原理和結構，因而具有一些電磁電機所沒有的特點[16-17]，已引起人們的廣泛關注。

2.1國外超聲電機研究進展

上世紀八十年代以來，日本人主要研究旋轉型壓電微電機并走向實用化，廣泛應用于照相機、醫(yī)療、汽車、機器人、航空航天等領域[14-17]。與此同時，日本著名學者指田年生（T.Sashida）、宮崎、黑澤實（M.Kurosawa）、高野剛浩（T. Takano）、上羽貞行（S.Ueha）、富川義朗（Y. Tomikawa）等先后對直線型超聲電機進行了研究。

1998年美國Anorad公司首次在世界半導體工業(yè)博覽會展示了直線超聲電機系列，如圖2所示。該系列電機已經應用在Intel公司的計算機芯片制造工藝中。圖3為東北工業(yè)大學高野剛浩（T.Takan）教授正在調試的直線型電機，無載荷速度達26 cm/s，位置分辯率為1μm。Phsikinstrumente公司研制出的直線超聲電機如圖4所示，PILine系列產品中一款電機輸出推力可達1N，無負載最大速度可達800mm/s。2005年，南韓Hyun-Phill Ko etal研制了一種高速，高精度的用于半導體產業(yè)的直線超聲電機如圖5所示[18]。

圖2　Anorad公司直線型超聲電機系列

圖3　高野剛浩(T.Takan)調試的直線型電機

圖4　Phsikinstrumente公司研制的超聲電機

圖5　南韓Hyun-Phill Koetal研制的超聲電機

2.2國內超聲電機研究進展

國內許多單位，如南京航空航天大學、清華大學、浙江大學、東南大學、華中科技大學、吉林大學、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學、電子部第21研究所等單位先后開展了這一研究工作。1997年清華大學研制出具有自校正功能的直線型超聲電機[14～17]，1998年南京航空航天大學超聲電機研究中心研制的駐波大推力直線超聲電機如圖6所示[14～17]。1998年華中科技大學辜承林等研制了一種雙π型壓電超聲波直線電機，如圖7所示，該雙π型壓電超聲波直線電機克服了單π型超聲波直線電機的預應力的施加系統(tǒng)的結構復雜和加工難度大的問題，提出了雙π型結構集振動體和移動體于一身，并由磁場提供預應力[14～17]。

圖6　南京航空航天大學復合振子型直線超聲電機

圖7　華中科技大學雙π型壓電超聲波直線電機

2005年，哈爾濱工業(yè)大學研制了一種利用超聲換能器縱向振動模態(tài)的雙向驅動直線超聲電機，通過支架固定兩個超聲換能器呈V型，如圖8所示，其中一個換能器工作可驅動動子單方向運行，當單獨激勵另一個振子時，動子反方向運行[19]。

圖8　哈爾濱工業(yè)大學縱向振動模態(tài)直線超聲電機

2007年，南京航空航天大學研制了一種雙驅動足大推力直線超聲電機如圖9所示[14]。

圖9　南京航空航天大學雙驅動足直線超聲電機

2003年-2009年華南農業(yè)大學先后研制出柱型復合振子和面內模態(tài)薄型直線超聲電機和V型雙棱柱振子直線超聲電機如圖10-11所示。

圖10　華南農業(yè)大學柱型復合振子直線超聲電機

圖11　華南農業(yè)大學錐型復合振子直線超聲電機

2.3存在的問題

雖然超聲電機具有前述的諸多優(yōu)點，但目前現(xiàn)有超聲電機工作出現(xiàn)的死區(qū)、不可靠、效率低、位置分辨率穩(wěn)定性差，預壓力模型及電機由于自身宏動和諧振微動對位置分辨率的影響等問題未能很好解決，也很難實現(xiàn)真正的高位置分辨率和高可靠性，尚不足以用做IC產業(yè)和自動化工藝裝備的高精度進給部件[20-25]。

3　新型宏微驅動直線電機

現(xiàn)有宏微驅動機構和直超聲電機各有優(yōu)勢和不足，因此，結合宏微驅動機構和直線超聲電機的優(yōu)點，本文提出并設計了集宏微運動于一體的新型直線電機[26-27]，實現(xiàn)宏微直線運動，將使傳動系統(tǒng)結構簡單、體積變小、分辨率和可靠性提高。

3.1結構設計與原理

實現(xiàn)宏微驅動的新型直線電機結構如圖12～13所示，其中圖12為宏微運動電機裝配圖，圖13為復合振子結構示意圖，復合振子兩側對稱裝有壓電陶瓷片，極性相反配對組裝。

圖12　宏微運動電機裝配圖

圖13　復合振子結構示意圖

宏驅動時，分別對左右側壓電陶瓷通以正、余弦交流電，頻率與復合振子諧振頻率相同，以此同步激發(fā)復合振子的沿軸向的反向的對稱振型和同向的反對稱振型，如圖14～15所示，二者振型合成，則在復合振子的撥齒與動子接觸處產生橢圓運動軌跡，在一定預壓力作用下，依靠撥齒與動子的動摩擦力，推動動子沿軸向直線宏運動。

圖14　宏運動復合振子反向振型

圖15　宏運動復合振子同向振型

微驅動時，分別對左右側壓電陶瓷通以正、負直流電，以此同步驅動復合振子產生靜態(tài)變形，在一定預壓力作用下，依靠撥齒與動子的靜摩擦力，夾持并帶動動子沿軸向直線微運動。這樣，在一個復合振子上，實現(xiàn)了大行程高速宏運動和高分辨率的精密微定位。

圖16　微運動靜態(tài)變形

3.2宏微驅動電源設計

新型直線電機高性能的獲得，還要通過驅動控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計實現(xiàn)，所以設計適用于該類型電機的驅動控制系統(tǒng)顯得非常迫切，采用高壓集成運算放大器和三相逆變電路設計的一套驅動電路，可將宏微驅動控制系統(tǒng)集成在一個驅動控制系統(tǒng)中，采用可控整流和高頻DC-DC二級電路實現(xiàn)0～1 000V直流電壓連續(xù)可調，如圖17所示[28]。

圖17　宏微驅動電源框圖

4　結論

大行程、高精度，同時易于小型化的移動機構是先進制造業(yè)等領域要解決的關鍵問題之一，為此本文對現(xiàn)有宏微雙重驅動機構和直線超聲電機的研究進展和存在問題進行了回顧，提出了一種宏微雙重驅動新型直線壓電電機，使其既能與超聲電機一樣，直接宏驅動，具有響應快、不受磁場干擾等特點；又能與微驅動相同，實現(xiàn)微驅動、精準定位，把宏微二種驅動集成在一個電機結構上，通過有限元模態(tài)計算分析了宏微驅動原理，同時，將宏微驅動控制系統(tǒng)也集成在一個控制器上，并給出了電源設計方案，前期的試驗已證明了宏微二種驅動集成在一個電機上方案合理、可行，也是未來宏微雙重驅動的一個發(fā)展方向。

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(編輯：阮毅)

Study on a New Type of Linear Motor with Macro-Micro Dual Drive

ZHANG Tie-min
(South China AgriculturalUniversity，College of Engineering，Guangzhou510642，China）

Large stroke，high accuracy，easyminiaturization andmovingmechanism isone of the key problems to be solved in advanced manufacturing field，this paper reviews the research progress ofexistingmacro/micro dual drivemechanism and linear ultrasonicmotor and the existing problems，puts forward a kind ofmacromicro dual drive new linear piezoelectricmotor，themacro andmicromovement combine to make it the same as both the ultrasonic motor，direct-drive，fast response，from magnetic interference to achieve macro-driven;butwith the samemicro drive，precision positioning，to achievemicro drive，on amotorwhileachievingmacro andmicro drive，and through the finite element analysis software，calculate the vibration mode and the static deformation of composite vibrator，analyzes themacro and micro driving principle，presents the design ofmacromicro drivemodel of linearmotor driving power，as the macro/micro dualdrive foundation.

macro/micro dualdrive；linearmotor；ultrasonicmotor；micro drive

TP2

A

1009－9492(2015)06－0001－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.001

*國家自然科學基金項目（編號：51177053）；廣東省科技創(chuàng)新重點項目（編號：2012CXZD0016）；高等學校博士學科點專項科研基金項目（編號：20124404110003)資助

2015－04－21

張鐵民，男，1961年生。華南農業(yè)大學工程學院教授。研究領域：微機電系統(tǒng)、機器人技術和智能檢測與控制技術。