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誰對驅動系統的要求提高了，誰就可以考慮在生產實踐中用壓電超聲電動機來代替傳統的直流步進電動機。例如，在新一代的地理測繪的全站儀中使用的壓電超聲電動機，就能夠在高清晰度和低能耗的情況下實現迄今為止從未有過的運動速度和加速度。

在地球地理測繪中，全站儀是最經常使用的角度和經緯度檢測儀器設備。Leica Geosystems公司是一家總部設在Ostschweiz市的高精度檢測儀器生產廠商，在德國的慕尼黑、柏林、Karlsruhe和Düsseldorf等地都設有自己的銷售代理商。這是一家擁有200多年地理測繪儀器生產經驗的企業，時至今日還通過不斷地推出創新性的新產品而名揚四海。例如，自高精度的WILD T3型精密經緯儀投放市場75年之后，其精度和可靠性仍然非常令人信服。這家瑞士公司以其最新的全站儀Leica TS30（圖1）向世人證明：他們的產品在地理測繪的精確性和可靠性方面又提升到了一個新的水平。

圖1  新型的地理測繪全站儀Leica TS30：代表更精確、高可靠性角度和距離檢測的最新水平。
在確立這一最新水平的過程中，其使用的驅動技術發揮了關鍵性的作用

新一代地理測繪全站儀

新型Leica TS30型全站儀使用Leica精密棱鏡（GPH1P）時的角度檢測精度為0.5"（按ISO 17123-3標準），距離檢測精度為0.6mm＋1ppm（按ISO 17123-4標準），對任意自然地形地貌的檢測精度為2mm＋2ppm。除了檢測精度之外，新型全站儀精確的定位精度和極短的檢測時間也是用戶選擇這種地理測繪儀的一個重要指標。新型Leica TS30以其很高的回轉運動加速度和速度，以及儀器和鏡頭精確的運動方式而征服了用戶；而且也實現了準確的角度和距離檢測與最佳的自動化相結合。全世界的地理測繪工程師們都對此贊嘆不已，而傳統的驅動技術裝備是無法實現這一技術進步的。

全站儀中能夠安裝驅動電動機的空間非常有限（圖2），但是全站儀的回轉速度至少要達到180/s，這一回轉速度是傳統全站儀回轉速度的4倍。只有采用新的驅動技術，才能保障很高的回轉加速度和極短的定位時間。這里需要的是能夠滿足定位精度和可靠性要求、滿足野外環境氣候高要求，以及代表未來技術水平的替代解決方案。

圖2  從全站儀的剖視圖中可以清楚地看到：全站儀旋轉機構的安裝空間非常有限

在上面所述的使用環境和要求中，減速傳動所用的典型的傳統直流電機回轉步進電機將會成為全站儀中的薄弱環節，因為所使用的機械零部件必然要有磨損。還有，在某些使用環境中，機械部件運動時所產生的噪聲是人們所不希望的，例如在長達幾周的24h監控檢測時，或者市內工作時。在經緯儀市場上，除了傳統的步進電機這一解決方案之外，還有電磁力直接驅動的解決分案。但精密檢測時電磁直接驅動技術不能采用機械止動方式來實現精確的定位，只能用電力止動的方式來解決；而在經緯儀、全站儀這類移動應用的情況下，使用電力止動會帶來很高的能源損失和熱能損失。

壓電超聲電動機產生的旋轉運動

全站儀光學儀器的水平旋轉和垂直旋轉運動，采用的都是壓電超聲驅動原理的驅動技術。這一技術使得人們實現了前所未有的高旋轉速度（超過了180/s）和高加速度（可達360/s2）。這種驅動是具有制動能力的驅動，也就是說，在沒有電流的情況下會產生很大的制動力。另外，在旋轉時它幾乎是沒有聲音的，其工作環境的溫度在-20～50℃，并且免維護。在全站儀中使用的這種壓電超聲電動機（牌號為Kastentext）是由Karlsruhe市的Physik Instrumente公司研發并生產的。這家企業在微米級和納米級定位技術領域中已經有30多年的從業經驗了，也是當今世界上技術領先的企業之一。圖3為使用壓電超聲電極的生物分選裝置和微電子顯微鏡，由于其非常小的安裝空間，使它們能夠方便地集成到現有的儀器設備之中。

圖3  使用壓電超聲電極的生物分選裝置和微電子顯微鏡，由于其非常小的安裝空間，
使它們能夠方便地集成到現有的儀器設備之中

全站儀中驅動經緯儀鏡頭水平和垂直旋轉的壓電超聲電動機的工作原理非常容易理解。旋轉運動由兩個切向配置的壓電超聲電動機產生（圖4），與壓電超聲電動機接觸的旋轉環可以繞水平或者垂直軸線旋轉。在彈簧預緊力的作用下，沒有通電的常態下驅動裝置是鎖死不動的；而且，在這種情況下也不會像電磁驅動系統那樣“位置漂移”。通電后，對稱布置的壓電晶體利用超聲波使運動部件產生懸浮。由于在運動傳遞的過程中沒有機械零部件，例如變速器之類的機械零部件，因此它工作時幾乎沒有磨損，非常可靠。此外，這一解決方案還有著很好的集成性，并能夠簡單方便地構成線性驅動系統，利用切向驅動的原理推動直線型的導軌運動（圖5）。

圖4  全站儀的旋轉運動由兩個與支撐環呈切向配置的超聲電動機驅動

圖5  高效且簡單，壓電超聲電動機也能夠實現線性驅動，
其切向驅動原理也能夠推動直線導軌運動

廣泛的用途

壓電超聲電動機技術有著非常廣泛的應用，尤其是在那些要求體積小、速度快、可靠性高的場合中。例如在生物技術領域或者電子顯微技術領域中的應用。典型的工業應用實例如半導體產品的生產制造、光學儀器的生產制造以及檢測和醫藥產品生產技術領域中的應用。壓電超聲電動機的應用領域日益擴大，因此人們有必要繼續關注這一驅動技術的發展，嘗試在新技術研發中使這一驅動技術發揮出其應有的效力。

有效利用壓電效應

在壓電超聲電動機中，高頻振動的壓電晶體把振動傳遞到運動導軌和旋轉環上，其產生的行波推動著運動導軌和旋轉環運動。這一驅動系統結構非常簡單：一塊壓電晶體、一個彈簧和一個與壓電晶體相互接觸的摩擦塊，摩擦塊一般都固定在運動部件上，例如固定在運動導軌和旋轉環上。其結果是：重量輕、免維修、運動速度可達0.5m/s，有著很高的加速性能。由于它有著非常扁平的結構形式，因此具有非常廣泛的應用領域，經常在生產實踐中成為電動機-主軸組合方案的最佳首選。具有很大制動力的超聲電動機無需中間的輔助機構，就能夠把動力直接傳遞到機床主軸或者變速器上，并且反向時沒有任何間隙。