超聲波電機專題知識講座1超聲波電動機的基本原理3超聲波電動機的優點及其應用2超聲波電動機的發展6超聲波電機存在的問題及研究重點4超聲波電動機的常見結構與分類5行波型超聲波電動機的驅動控制教學基本要求超聲波電動機及其發展概況分析與思考練習題返回主頁2超聲波電機專題知識講座超聲波電動機(UltrasonicMotor，簡稱USM)是近年來發展起來的一種全新概念的驅動裝置，它利用壓電材料的逆壓電效應(即電致伸縮效應)，把電能轉換為彈性體的超聲振動，并通過摩擦傳動的方式轉換成運動體的回轉或直線運動。這種新型電機一般工作于20kHz以上的頻率，故稱為超聲波電動機。1超聲波電動機的基本原理上一頁下一頁返回上一節下一節超聲波電動機的不同命名：如振動電動機(VibrationMotor)、壓電電動機(PiezoelectricMotor)、表面波電動機(SurfaceWaveMotor)、壓電超聲波電動機(PiezoelectricUltrasonicMotor)、超聲波壓電驅動器/執行器(Ultrasonicpiezoelectricactuator)等等。

3超聲波電機專題知識講座1.1超聲波電動機的結構上一頁下一頁返回上一節下一節4超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節超聲波電動機由定子(振動體)和轉子(移動體)兩部分組成但電機中既沒有線圈也沒有永磁體，其定子由彈性體(Elasticbody)和壓電陶瓷(Piezoelectricceramic)構成轉子為一個金屬板。定子和轉子在壓力作用下緊密接觸，為了減少定、轉子之間相對運動產生的磨損，通常在二者之間(在轉子上)加一層摩擦材料。5超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節工作原理：對極化后的壓電陶瓷元件施加—定的高頻交變電壓，壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子彈性體內激發出超聲波振動，這種振動傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅動轉子旋轉。6超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節當對粘接在金屬彈性體上的兩片壓電陶瓷施加相位差為90

電角度的高頻電壓時，在彈性體內產生兩組駐波(StandingWave)，這兩組駐波合成一個沿定子彈性體圓周方向行進的行波(ProgressiveWave/TravellingWave)，使得定子表面的質點形成一定運動軌跡(通常為橢圓軌跡)的超聲波微觀振動，其振幅一般為數微米，這種微觀振動通過定子(振動體)和轉子(移動體)之間的摩擦作用使轉子(移動體)沿某一方向(逆行波傳播方向)做連續宏觀運動。

7超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節A.行波的形成將極化方向相反的壓電陶瓷依次粘貼于彈性體上，當在壓電陶瓷上施加交變電壓時，壓電陶瓷會產生交替伸縮變形，在一定的頻率和電壓條件下，彈性體上會產生圖示的駐波，用方程表示為

1)高頻電壓

駐波1.2USM的工作原理8超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節A.行波的形成2)兩駐波行波設A、B兩個駐波的振幅同為

0，二者在時間和空間上分別相差90，方程分別為

在彈性體中，這兩個駐波的合成為一行波9超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節極化規律：將一片壓電陶瓷環極化為A、B兩相區，兩相區之間有/4的區域未極化，用作控制電源反饋信號的傳感器，另有3/4波長的區域作為兩相區的公共區。極化時，每隔1/2波長反向極化，極化方向為厚度方向。圖中“+”“”代表壓電片的極化方向相反，兩組壓電片空間相差

/4，相當于90，分別通以同頻、等幅、相位相差為90的超聲頻域的交流信號，這樣兩相區的兩組壓電體就在時間與空間上獲得90相位差的激振。

A.行波的形成3)在USM中形成行波USM的定子由環形彈性體和環形壓電陶瓷構成，壓電陶瓷按圖示的規律極化，即可產生兩個在時間和空間上都相差90

的駐波。10超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節B.彈性體表面的橢圓運動設彈性體厚度為h。若彈性體表面任一點P在彈性體未撓曲時的位置為P0，則從P0到P在y方向的位移為由于行波的振幅比行波的波長小得多，彈性體彎曲的角度

很小，故y方向的位移近似為11超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節B.彈性體表面的橢圓運動從P0到P在x方向的位移為又所以12超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節彈性體表面上任意一點P按照橢圓軌跡運動，這種運動使彈性體表面質點對移動體產生一種驅動力，且移動體的運動方向與行波方向相反。B.彈性體表面的橢圓運動13超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節彈性體表面質點的橫向運動速度為橫向速度在行波的波峰和波谷處最大。若假設在彈性體與移動體接觸處的滑動為零，則移動體的運動速度與波峰處質點橫向速度相同。其最大速度為V——行波在定子中的傳播速度f——電機的激振頻率調節激振頻率可以調節電機的轉速，但是有非線性。在保持兩相駐波等幅的前提下，若忽略壓電陶瓷的應變隨激勵電壓的非線性，改變駐波的振幅

0，即調節壓電陶瓷的激振電壓，可以做到線性調速，這是調壓調速的一大優點。C.USM的調速方法14超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節2超聲波電動機的發展超聲波電動機的發展大體可分為以下三個階段：探索階段(1948年——20世紀70年代末)USM原型出現實用化階段(20世紀70年代末——80年代末)商用USM產品出現深層次研究(20世紀90年代——)機理、材料、結構、驅動控制、應用多樣化15超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節1.探索階段(1948年——20世紀70年代末)1）超聲波電動機的概念出現于1948年，英國的Williams和Brown申請了“壓電電動機(PiezoelectricMotor)”的專利，提出了將振動能作為驅動力的設想，然而由于當時理論與技術的局限，有效的驅動裝置未能得以實現。2）1961年，BulovaWatchLtd．公司首次利用彈性體振動來驅動鐘表齒輪，工作頻率為360Hz，這種鐘表走時準確，每月的誤差只有一分鐘，打破了那個時代的紀錄，引起了轟動。3）前蘇聯學者V.V.Lavrinenko于1964年設計了第一臺壓電旋轉電機，此后前蘇聯在超聲波電機研究領域一度處于世界領先水平，如設計了用于微型機器人的有2或3個自由度的超聲波電機、

人工超聲肌肉及超聲步進電機等。不過，由于語言等方面的原因,前蘇聯的一些重要研究成果并未被西方科學界所充分了解。4）1969年，英國Salfod大學的兩名教授介紹了一種伺服壓電電機，這種電機采用二片式壓電體結構，其速度、運動形式和方向都可以任意變化，響應速度也是傳統結構電機所不能及的。5）美國IBM公司的Barth也在1973年提出了一種超聲波電動機的模型，從而使這種新型電機可以實現真正意義上的工作。

16超聲波電機專題知識講座2.實用化階段(20世紀70年代末——80年代末)1978年，前蘇聯的Vasiliev成功地構造了一種能夠驅動較大負載的壓電超聲波電動機，這種電機使用由位于兩個金屬塊之間的壓電元件所組成的超聲換能器，將該換能器激起與轉子接觸的振動片縱向振動，通過振動片與轉子間的摩擦來驅動轉子轉動。這種結構的優點在于不僅能降低共振頻率，而且能放大振幅，遺憾的是，這種電機在運轉時由于溫度的升高、摩擦及磨損等原因，很難保持振動片的恒幅振動。日本的T.Sashida在Vasiliev的研究基礎上，于1980年提出并成功地制造了一種駐波型超聲波電動機。該電機使用Langevin激振器，驅動頻率為27.8kHz，電輸入功率為90W，機械輸出功率為50W，輸出扭矩為0.25N

m，首次達到了能夠滿足實際應用的要求，但由于振動片與轉子的接觸是固定在一個位置上，仍存在著接觸表面上摩擦和磨損等問題。上一頁下一頁返回上一節下一節17超聲波電機專題知識講座1982年，Sashida又提出并制造了另一臺超聲波電動機——行波型超聲波電動機，從原來的由駐波定點、定期推動轉子變換成由行波連續不斷地推動轉子，大大地降低了定子與轉子接觸面上的摩擦和磨損。這種電機能夠運轉的實質就是定子表面的質點形成了橢圓運動。之后，在日本掀起了利用各種振動模態的研究熱潮，如利用縱向、彎曲、扭轉等振動來獲得橢圓運動。這種電機的研究成功，為超聲波電動機走向實用階段奠定了基礎。1987年，行波超聲波電動機終于達到了商業應用水平。此后許多超聲波電動機新產品不斷地研制出來并推向市場。到20世紀80年代中期日本已形成三個系列的超聲波電動機：即日立馬克賽爾公司的駐波扭轉耦合器系列、松下電器公司的行波系列和新生公司的彎曲波模態系列。除日本外，ElectroMechanicalSystems公司也推出了英國第一個商用超聲波電動機系列產品——USR30。上一頁下一頁返回上一節下一節18超聲波電機專題知識講座3.深層次研究(20世紀90年代——)在20世紀80年代，國外的研究工作主要集中在研究新的驅動機理、構造新的結構形式、開發新型電機等方面，著重于動力傳輸的實現，尚未能顧及到性能的改善。由于對超聲波電動機的基礎理論研究得不夠透徹，沒有形成完整的設計理論，使超聲波電動機的研究帶有一定程度的盲目性。直到90年代后，超聲波電動機的建模、性能預測等理論問題才開始引起關注，但至今尚無系統的論述。目前，世界各國對超聲波電動機的研究極為活躍，超聲波電動機的研究趨向多元化。例如，美國利用其先進的材料和IC工藝研制出的微型超聲波電動機，其尺寸僅有數百微米(250

m

500

m

2

m)，驅動電壓的典型值是5V，最低為1.5V，轉速為150r/min。而大型超聲波電動機的扭矩達400N

m。上一頁下一頁返回上一節下一節19超聲波電機專題知識講座3超聲波電動機的優點及其應用超聲波電動機將電致伸縮、超聲振動、波動原理這些毫不相干的概念與電機聯系在一起，創造出一種完全新型的電動機。(1)低速大轉矩:在超聲波電機中，超聲振動的振幅一般不超過幾微米，振動速度只有幾厘米每秒到幾米每秒。無滑動時轉子的速度由振動速度決定，因此電機的轉速一般很低，每分鐘只有十幾轉到幾百轉。由于定子和轉子間靠摩擦力傳動，若兩者之間的壓力足夠大，轉矩就很大。(2)體積小、重量輕:超聲波電機不用線圈，也沒有磁鐵，結構相對簡單，與普通電機相比，在輸出轉矩相同的情況下，可以做得更小、更輕、更薄。(3)反應速度快，控制特性好:超聲波電動機靠摩擦力驅動，移動體的質量較輕，慣性小，響應速度快，起動和停止時間為毫秒量級。因此它可以實現高精度的速度控制和位置控制。20超聲波電機專題知識講座4)無電磁干擾:超聲波電動機沒有磁極，因此不受電磁感應影響。同時，它對外界也不產生電磁干擾，特別適合強磁場下的工作環境。在對EMI(電磁干擾)要求嚴格的環境下，采用超聲波電機也很合適。(5)停止時具有保持力矩:超聲波電動機的轉子和定子總是緊密接觸，切斷電源后，由于靜摩擦力的作用，不采用剎車裝置仍有很大保持力矩，尤其適合宇航工業中失重環境下的運行。(6)形式靈活，設計自由度大:超聲波電動機驅動力發生部分的結構可以根據需要靈活設計。3超聲波電動機的優點及其應用21超聲波電機專題知識講座由于超聲波電動機具有電磁電機所不具備的許多特點，盡管它的發明與發展僅有20多年的歷史，但在宇航、機器人、汽車、精密定位、醫療器械、微型機械等領域已得到成功的應用。日本Canon公司將超聲波電機用于其EOS620/650自動聚焦單鏡頭反射式照相機中；歐洲將超聲波電機用于實驗平臺及微動設備，如1986年獲Nobel物理學獎的掃描隧道顯微鏡(STM)；美國在宇宙飛船、火星探測器、導彈、核彈頭等航空航天工程中也都陸續應用了超聲波電動機。3超聲波電動機的優點及其應用22超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節Tiny,Ultrasonic,PiezoelectricMotorsPennStateUniversity，USAChinaDevelopsWorld'sThinnestUltrasonicMotor(People'sDailyOnline,December06,2001)Thewhitecylindricalmotor,developedbyChina'sprestigiousQinghuaUniversity,is5-millimeterlongandweighs36mg.Itsdiameterisonlyonemillimeter.Theminimotorcanbeusedinmedicalapplications,bioscienceandnationaldefense.清華大學研制的微型超聲電機（2001）23超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節日本Canon公司將USM用于照相機的聚焦系統24超聲波電機專題知識講座NASA將超聲電機用于空間機器人技術CoddarSpaceFlightCenter將超聲電機應用于空間機器人技術。其中微型機器手MicroArmI使用了具有力矩0.05Nm的超聲電機。火星機器手MarsArmII使用了3個具有力矩為0.68Nm和一個具有0.11Nm的超聲電機25超聲波電機專題知識講座美國Vanderbilt大學將超聲電機應用于微型飛行器上一頁下一頁返回上一節下一節美國加州大學研制的智能藥片26超聲波電機專題知識講座4超聲波電動機的常見結構與分類(1)環狀或盤式行波型超聲波電動機由底部粘接著壓電陶瓷元件的環狀定子和環狀轉子構成。對極化后的壓電陶瓷元件施加—定的高頻交變電壓，在定子彈性體中形成沿圓周方向的彎曲行波。對定、轉子施加一定的預壓力，轉子受到與行波傳播方向相反的摩擦力作用而連續轉動，定子上的齒槽用于改善電機的工作性能。

27超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節(3)駐波型超聲波電動機Sashida研制的楔形駐波型超聲波電動機:由Langevin振子、振子前端的楔形振動片和轉子三部分組成。振子的端面沿長度方向振動，楔形結構振動片的前端面與轉子表面稍微傾斜接觸(夾角為

)，誘發振動片前端產生向上運動的分量，產生橫向共振，縱橫振動合成的結果，使振動片前端質點的運動軌跡近似為橢圓。振動片向上運動時，振動片與轉子接觸處的摩擦力驅動轉子運動；向下運動時，脫離接觸，沒有運動的傳遞，轉子依靠其慣性保持方向向上的運動狀態。這種電機設計簡單，但存在兩個缺點：在振動片與轉子接觸處磨損嚴重；轉子轉速較難控制，僅能單方向旋轉。

29超聲波電機專題知識講座日立Maxell公司的改進型駐波超聲波電動機，采用機械扭轉連接器取代了楔形振動片，借助扭轉連接器將壓電振子產生的縱向振動誘發出扭轉振動，兩種振動在扭轉連接器前端合成質點橢圓運動軌跡，驅動轉子旋轉。這種電機轉速達到120r/min，輸出轉矩1.3N

m，能量轉換效率為80％，超過傳統電磁型電機。(3)駐波型超聲波電動機采用扭轉連接器的駐波型超聲波電動機

30超聲波電機專題知識講座駐波超聲波電動機是利用在彈性體內激發的駐波來驅動移動體移動。但是，單一的駐波并不能傳遞能量，因為彈性體表面質點作同相振動。因此，駐波型超聲波電動機通過激發并合成相互垂直的兩個駐波，使得彈性體表面質點作橢圓振動，直接或間接地驅動移動體運動而輸出能量。根據激勵兩個駐波振動的方式不同,駐波超聲波電動機分為縱扭振動復合型:采用兩個獨立的壓電振子分別激發互相垂直的兩個駐波振動，合成彈性體表面質點的橢圓振動軌跡。模態轉換型：模態轉換型僅有一個壓電振子激發某一方向的振動，再通過一個機械轉換振子同時誘發與其垂直的振動，二者合成彈性體表面質點的橢圓振動軌跡，驅動移動體運動。（如前兩例）31超聲波電機專題知識講座縱扭復合型超聲波電動機結構——定子由兩個獨立的振子所組成：縱向振子控制定子與轉子之間的摩擦力(正壓力)；扭轉振子控制輸出轉矩。由于兩種復合運動可獨立控制，所以其輸出轉矩大，工作穩定，可雙向運動，并且為設計者提供了較大的設計空間。

32超聲波電機專題知識講座（4）非接觸式超聲波電動機

定子與轉子之間不直接接觸，而是在它們之間填充一種介質：液體或氣體。當定子振動時，也就引起了介質的振動，在介質與轉子的接觸面就形成了摩擦力，從而驅動轉子運轉。非接觸式超聲波電動機是以犧牲轉矩為代價的，其驅動力都很小。東京工業大學TohgoYamazaki等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動機。其定子由硬鋁制成，定子圓筒長為16.5mm、內徑56mm、外徑61.8mm，并由兩個Langevin振子激勵，形成行波。筒型轉子放置在定子筒內。當定子產生行波時，轉子懸浮起來并沿著行波前進方向旋轉。驅動電源的頻率為26kHz，電機的最高轉速可達3000r/min。由于采用了Langevin振子，電機結構變得復雜，占有的空間較大，而且形狀不規則，因而限制了它的應用場合。

33超聲波電機專題知識講座(5)多自由度超聲波電動機三自由度超聲波電機兩自由度超聲波電動機電機由球形轉子、兩對徑向定子等組成。定子是一個短圓柱體，用等截面梁穿過定子來施加軸向力，使得定子與轉子緊密接觸。利用粘貼在定子上的壓電陶瓷同時在定子上激發出兩個在空間互相垂直的振動模態，兩個模態合成使得定子側表面產生行波，從而通過摩擦接觸驅動球形轉子轉動。兩對徑向定子置于一個平面內不同的位置，這樣電機就可得到兩個自由度的運動。

34超聲波電機專題知識講座超聲波電動機的分類35超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節5行波型超聲波電動機的驅動控制行波USM的常用控制方式:控制電壓幅值,但調速范圍受到限制。電壓過低,壓電元件不會起振;電壓過高,又會接近壓電元件的工作極限。變頻控制,通過調節諧振點附近的頻率控制速度和力矩,因為電機動作點在諧振點附近,且調頻具有響應快的特點。變頻調速對超聲電機較為合適。(3)相位差控制,改變兩相電壓的相位差,從而改變定子表面質點的橢圓運動軌跡。但低速啟動困難,驅動電源設計較為復雜。36超聲波電機專題知識講座USM頻率控制的的驅動與控制電路框圖上一頁下一頁返回上一節下一節37超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節USM的幾種控制策略38超聲波電機專題知識講座6超聲波電機存在的問題及研究重點USM與傳統電磁式電機相比有無可替代的優點，但是它也存在一些問題：(1)控制困難:從理論上來說，目前超聲波電機仍然沒有一個準確的數學模型來對其振動過程和運動過程進行系統的描述。由于壓電材料的特殊性、摩擦發熱和環境變化等問題，驅動轉子的摩擦力將產生嚴重的非線性變化。這種變化使控制電機勻速轉動的難度大大增加。此外，由于壓電材料的特殊性，使得每一臺超聲波電動機所需要的驅動電源都不相同，這樣，電機和電源必須一一配套，不利于大規模生產。(2)壽命較短:超聲波電機的壽命大約2000小時，與傳統電機相比，長時間工作的耐久性不盡人意。(3)運行效率較低:由于超聲波電機的理論和計算方法及其結構設計方法還不成熟，電機運行效率較低，只有10%~40%，而傳統的電磁電機可達80%以上。39超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節目前還需要就超聲波電動機的理論、實驗和材料展開深入研究，做好以下重要課題：(1)超聲波電動機是一個機電耦合的動力學系統，超聲波電動機理論研究的核心就是建立這個系統的機電耦合動力學模型。它涉及超聲波電動機的定子/轉子動力特性、驅動電源的輸出動態特性、控制系統動態特性以及三者結合在一起，構成相互影響、相互耦合的統一的動力學模型。(2)定子/轉子界面接觸模型和定子/轉子摩擦學的研究。(3)超聲波電動機是通過壓電陶瓷元件將電能轉換為定子(彈性體)的高頻微振動，并通過定子/轉子間接觸(摩擦)把高頻微振動轉換成轉子(移動體)的宏觀運動。能量轉換和傳遞涉及到三種重要材料：壓電陶瓷材料、摩擦材料和膠粘劑。必須加強對這三種材料的研制。40超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節(4)從壓電材料變形的角度而言，超聲波電動機定位精度高，可達nm級。但實際上由于材料、加工、裝配、環境和負載特性的影響，超聲波電動機是一個非線形、時變系統，定位精度受到影響。所以，必須采用智能控制策略對系統進行閉環控制，以提高超聲波電動機伺服系統的精度。(5)在超聲波電動機的理論研究和材料發展的基礎上，還要做大量的實驗研究。其中包括超聲波電動機性能試驗、超聲波電動機的壽命試驗、可靠性試驗和環境(高、低溫、濕度和真空)試驗以及有關試驗設備的研制。(6)進行超聲波電動機低成本、長壽命、可靠性設計和先進制造技術的研究。(7)發展新型超聲波電動機技術。其中包括新型超聲波電動機運動機理及其機電耦合動力學模型，新的模態變換方法，研制大功率超聲波電動機、微型超聲波電動機和非接觸式超聲波電動機等等。41超聲波電機專題知識講座超聲波電機專題知識講座1超聲波電動機的基本原理3超聲波電動機的優點及其應用2超聲波電動機的發展6超聲波電機存在的問題及研究重點4超聲波電動機的常見結構與分類5行波型超聲波電動機的驅動控制教學基本要求超聲波電動機及其發展概況分析與思考練習題返回主頁43超聲波電機專題知識講座超聲波電動機(UltrasonicMotor，簡稱USM)是近年來發展起來的一種全新概念的驅動裝置，它利用壓電材料的逆壓電效應(即電致伸縮效應)，把電能轉換為彈性體的超聲振動，并通過摩擦傳動的方式轉換成運動體的回轉或直線運動。這種新型電機一般工作于20kHz以上的頻率，故稱為超聲波電動機。1超聲波電動機的基本原理上一頁下一頁返回上一節下一節超聲波電動機的不同命名：如振動電動機(VibrationMotor)、壓電電動機(PiezoelectricMotor)、表面波電動機(SurfaceWaveMotor)、壓電超聲波電動機(PiezoelectricUltrasonicMotor)、超聲波壓電驅動器/執行器(Ultrasonicpiezoelectricactuator)等等。

44超聲波電機專題知識講座1.1超聲波電動機的結構上一頁下一頁返回上一節下一節45超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節超聲波電動機由定子(振動體)和轉子(移動體)兩部分組成但電機中既沒有線圈也沒有永磁體，其定子由彈性體(Elasticbody)和壓電陶瓷(Piezoelectricceramic)構成轉子為一個金屬板。定子和轉子在壓力作用下緊密接觸，為了減少定、轉子之間相對運動產生的磨損，通常在二者之間(在轉子上)加一層摩擦材料。46超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節工作原理：對極化后的壓電陶瓷元件施加—定的高頻交變電壓，壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子彈性體內激發出超聲波振動，這種振動傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅動轉子旋轉。47超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節當對粘接在金屬彈性體上的兩片壓電陶瓷施加相位差為90

電角度的高頻電壓時，在彈性體內產生兩組駐波(StandingWave)，這兩組駐波合成一個沿定子彈性體圓周方向行進的行波(ProgressiveWave/TravellingWave)，使得定子表面的質點形成一定運動軌跡(通常為橢圓軌跡)的超聲波微觀振動，其振幅一般為數微米，這種微觀振動通過定子(振動體)和轉子(移動體)之間的摩擦作用使轉子(移動體)沿某一方向(逆行波傳播方向)做連續宏觀運動。

48超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節A.行波的形成將極化方向相反的壓電陶瓷依次粘貼于彈性體上，當在壓電陶瓷上施加交變電壓時，壓電陶瓷會產生交替伸縮變形，在一定的頻率和電壓條件下，彈性體上會產生圖示的駐波，用方程表示為

1)高頻電壓

駐波1.2USM的工作原理49超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節A.行波的形成2)兩駐波行波設A、B兩個駐波的振幅同為

0，二者在時間和空間上分別相差90，方程分別為

在彈性體中，這兩個駐波的合成為一行波50超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節極化規律：將一片壓電陶瓷環極化為A、B兩相區，兩相區之間有/4的區域未極化，用作控制電源反饋信號的傳感器，另有3/4波長的區域作為兩相區的公共區。極化時，每隔1/2波長反向極化，極化方向為厚度方向。圖中“+”“”代表壓電片的極化方向相反，兩組壓電片空間相差

/4，相當于90，分別通以同頻、等幅、相位相差為90的超聲頻域的交流信號，這樣兩相區的兩組壓電體就在時間與空間上獲得90相位差的激振。

A.行波的形成3)在USM中形成行波USM的定子由環形彈性體和環形壓電陶瓷構成，壓電陶瓷按圖示的規律極化，即可產生兩個在時間和空間上都相差90

的駐波。51超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節B.彈性體表面的橢圓運動設彈性體厚度為h。若彈性體表面任一點P在彈性體未撓曲時的位置為P0，則從P0到P在y方向的位移為由于行波的振幅比行波的波長小得多，彈性體彎曲的角度

很小，故y方向的位移近似為52超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節B.彈性體表面的橢圓運動從P0到P在x方向的位移為又所以53超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節彈性體表面上任意一點P按照橢圓軌跡運動，這種運動使彈性體表面質點對移動體產生一種驅動力，且移動體的運動方向與行波方向相反。B.彈性體表面的橢圓運動54超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節彈性體表面質點的橫向運動速度為橫向速度在行波的波峰和波谷處最大。若假設在彈性體與移動體接觸處的滑動為零，則移動體的運動速度與波峰處質點橫向速度相同。其最大速度為V——行波在定子中的傳播速度f——電機的激振頻率調節激振頻率可以調節電機的轉速，但是有非線性。在保持兩相駐波等幅的前提下，若忽略壓電陶瓷的應變隨激勵電壓的非線性，改變駐波的振幅

0，即調節壓電陶瓷的激振電壓，可以做到線性調速，這是調壓調速的一大優點。C.USM的調速方法55超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節2超聲波電動機的發展超聲波電動機的發展大體可分為以下三個階段：探索階段(1948年——20世紀70年代末)USM原型出現實用化階段(20世紀70年代末——80年代末)商用USM產品出現深層次研究(20世紀90年代——)機理、材料、結構、驅動控制、應用多樣化56超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節1.探索階段(1948年——20世紀70年代末)1）超聲波電動機的概念出現于1948年，英國的Williams和Brown申請了“壓電電動機(PiezoelectricMotor)”的專利，提出了將振動能作為驅動力的設想，然而由于當時理論與技術的局限，有效的驅動裝置未能得以實現。2）1961年，BulovaWatchLtd．公司首次利用彈性體振動來驅動鐘表齒輪，工作頻率為360Hz，這種鐘表走時準確，每月的誤差只有一分鐘，打破了那個時代的紀錄，引起了轟動。3）前蘇聯學者V.V.Lavrinenko于1964年設計了第一臺壓電旋轉電機，此后前蘇聯在超聲波電機研究領域一度處于世界領先水平，如設計了用于微型機器人的有2或3個自由度的超聲波電機、

人工超聲肌肉及超聲步進電機等。不過，由于語言等方面的原因,前蘇聯的一些重要研究成果并未被西方科學界所充分了解。4）1969年，英國Salfod大學的兩名教授介紹了一種伺服壓電電機，這種電機采用二片式壓電體結構，其速度、運動形式和方向都可以任意變化，響應速度也是傳統結構電機所不能及的。5）美國IBM公司的Barth也在1973年提出了一種超聲波電動機的模型，從而使這種新型電機可以實現真正意義上的工作。

57超聲波電機專題知識講座2.實用化階段(20世紀70年代末——80年代末)1978年，前蘇聯的Vasiliev成功地構造了一種能夠驅動較大負載的壓電超聲波電動機，這種電機使用由位于兩個金屬塊之間的壓電元件所組成的超聲換能器，將該換能器激起與轉子接觸的振動片縱向振動，通過振動片與轉子間的摩擦來驅動轉子轉動。這種結構的優點在于不僅能降低共振頻率，而且能放大振幅，遺憾的是，這種電機在運轉時由于溫度的升高、摩擦及磨損等原因，很難保持振動片的恒幅振動。日本的T.Sashida在Vasiliev的研究基礎上，于1980年提出并成功地制造了一種駐波型超聲波電動機。該電機使用Langevin激振器，驅動頻率為27.8kHz，電輸入功率為90W，機械輸出功率為50W，輸出扭矩為0.25N

m，首次達到了能夠滿足實際應用的要求，但由于振動片與轉子的接觸是固定在一個位置上，仍存在著接觸表面上摩擦和磨損等問題。上一頁下一頁返回上一節下一節58超聲波電機專題知識講座1982年，Sashida又提出并制造了另一臺超聲波電動機——行波型超聲波電動機，從原來的由駐波定點、定期推動轉子變換成由行波連續不斷地推動轉子，大大地降低了定子與轉子接觸面上的摩擦和磨損。這種電機能夠運轉的實質就是定子表面的質點形成了橢圓運動。之后，在日本掀起了利用各種振動模態的研究熱潮，如利用縱向、彎曲、扭轉等振動來獲得橢圓運動。這種電機的研究成功，為超聲波電動機走向實用階段奠定了基礎。1987年，行波超聲波電動機終于達到了商業應用水平。此后許多超聲波電動機新產品不斷地研制出來并推向市場。到20世紀80年代中期日本已形成三個系列的超聲波電動機：即日立馬克賽爾公司的駐波扭轉耦合器系列、松下電器公司的行波系列和新生公司的彎曲波模態系列。除日本外，ElectroMechanicalSystems公司也推出了英國第一個商用超聲波電動機系列產品——USR30。上一頁下一頁返回上一節下一節59超聲波電機專題知識講座3.深層次研究(20世紀90年代——)在20世紀80年代，國外的研究工作主要集中在研究新的驅動機理、構造新的結構形式、開發新型電機等方面，著重于動力傳輸的實現，尚未能顧及到性能的改善。由于對超聲波電動機的基礎理論研究得不夠透徹，沒有形成完整的設計理論，使超聲波電動機的研究帶有一定程度的盲目性。直到90年代后，超聲波電動機的建模、性能預測等理論問題才開始引起關注，但至今尚無系統的論述。目前，世界各國對超聲波電動機的研究極為活躍，超聲波電動機的研究趨向多元化。例如，美國利用其先進的材料和IC工藝研制出的微型超聲波電動機，其尺寸僅有數百微米(250

m

500

m

2

m)，驅動電壓的典型值是5V，最低為1.5V，轉速為150r/min。而大型超聲波電動機的扭矩達400N

m。上一頁下一頁返回上一節下一節60超聲波電機專題知識講座3超聲波電動機的優點及其應用超聲波電動機將電致伸縮、超聲振動、波動原理這些毫不相干的概念與電機聯系在一起，創造出一種完全新型的電動機。(1)低速大轉矩:在超聲波電機中，超聲振動的振幅一般不超過幾微米，振動速度只有幾厘米每秒到幾米每秒。無滑動時轉子的速度由振動速度決定，因此電機的轉速一般很低，每分鐘只有十幾轉到幾百轉。由于定子和轉子間靠摩擦力傳動，若兩者之間的壓力足夠大，轉矩就很大。(2)體積小、重量輕:超聲波電機不用線圈，也沒有磁鐵，結構相對簡單，與普通電機相比，在輸出轉矩相同的情況下，可以做得更小、更輕、更薄。(3)反應速度快，控制特性好:超聲波電動機靠摩擦力驅動，移動體的質量較輕，慣性小，響應速度快，起動和停止時間為毫秒量級。因此它可以實現高精度的速度控制和位置控制。61超聲波電機專題知識講座4)無電磁干擾:超聲波電動機沒有磁極，因此不受電磁感應影響。同時，它對外界也不產生電磁干擾，特別適合強磁場下的工作環境。在對EMI(電磁干擾)要求嚴格的環境下，采用超聲波電機也很合適。(5)停止時具有保持力矩:超聲波電動機的轉子和定子總是緊密接觸，切斷電源后，由于靜摩擦力的作用，不采用剎車裝置仍有很大保持力矩，尤其適合宇航工業中失重環境下的運行。(6)形式靈活，設計自由度大:超聲波電動機驅動力發生部分的結構可以根據需要靈活設計。3超聲波電動機的優點及其應用62超聲波電機專題知識講座由于超聲波電動機具有電磁電機所不具備的許多特點，盡管它的發明與發展僅有20多年的歷史，但在宇航、機器人、汽車、精密定位、醫療器械、微型機械等領域已得到成功的應用。日本Canon公司將超聲波電機用于其EOS620/650自動聚焦單鏡頭反射式照相機中；歐洲將超聲波電機用于實驗平臺及微動設備，如1986年獲Nobel物理學獎的掃描隧道顯微鏡(STM)；美國在宇宙飛船、火星探測器、導彈、核彈頭等航空航天工程中也都陸續應用了超聲波電動機。3超聲波電動機的優點及其應用63超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節Tiny,Ultrasonic,PiezoelectricMotorsPennStateUniversity，USAChinaDevelopsWorld'sThinnestUltrasonicMotor(People'sDailyOnline,December06,2001)Thewhitecylindricalmotor,developedbyChina'sprestigiousQinghuaUniversity,is5-millimeterlongandweighs36mg.Itsdiameterisonlyonemillimeter.Theminimotorcanbeusedinmedicalapplications,bioscienceandnationaldefense.清華大學研制的微型超聲電機（2001）64超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節日本Canon公司將USM用于照相機的聚焦系統65超聲波電機專題知識講座NASA將超聲電機用于空間機器人技術CoddarSpaceFlightCenter將超聲電機應用于空間機器人技術。其中微型機器手MicroArmI使用了具有力矩0.05Nm的超聲電機。火星機器手MarsArmII使用了3個具有力矩為0.68Nm和一個具有0.11Nm的超聲電機66超聲波電機專題知識講座美國Vanderbilt大學將超聲電機應用于微型飛行器上一頁下一頁返回上一節下一節美國加州大學研制的智能藥片67超聲波電機專題知識講座4超聲波電動機的常見結構與分類(1)環狀或盤式行波型超聲波電動機由底部粘接著壓電陶瓷元件的環狀定子和環狀轉子構成。對極化后的壓電陶瓷元件施加—定的高頻交變電壓，在定子彈性體中形成沿圓周方向的彎曲行波。對定、轉子施加一定的預壓力，轉子受到與行波傳播方向相反的摩擦力作用而連續轉動，定子上的齒槽用于改善電機的工作性能。

68超聲波電機專題知識講座上一頁下一頁返回上一節下一節(3)駐波型超聲波電動機Sashida研制的楔形駐波型超聲波電動機:由Langevin振子、振子前端的楔形振動片和轉子三部分組成。振子的端面沿長度方向振動，楔形結構振動片的前端面與轉子表面稍微傾斜接觸(夾角為

)，誘發振動片前端產生向上運動的分量，產生橫向共振，縱橫振動合成的結果，使振動片前端質點的運動軌跡近似為橢圓。振動片向上運動時，振動片與轉子接觸處的摩擦力驅動轉子運動；向下運動時，脫離接觸，沒有運動的傳遞，轉子依靠其慣性保持方向向上的運動狀態。這種電機設計簡單，但存在兩個缺點：在振動片與轉子接觸處磨損嚴重；轉子轉速較難控制，僅能單方向旋轉。

70超聲波電機專題知識講座日立Maxell公司的改進型駐波超聲波電動機，采用機械扭轉連接器取代了楔形振動片，借助扭轉連接器將壓電振子產生的縱向振動誘發出扭轉振動，兩種振動在扭轉連接器前端合成質點橢圓運動軌跡，驅動轉子旋轉。這種電機轉速達到120r/min，輸出轉矩1.3N

m，能量轉換效率為80％，超過傳統電磁型電機。(3)駐波型超聲波電動機采用扭轉連接器的駐波型超聲波電動機

71超聲波電機專題知識講座駐波超聲波電動機是利用在彈性體內激發的駐波來驅動移動體移動。但是，單一的駐波并不能傳遞能量，因為彈性體表面質點作同相振動。因此，駐波型超聲波電動機通過激發并合成相互垂直的兩個駐波，使得彈性體表面質點作橢圓振動，直接或間接地驅動移動體運動而輸出能量。根據激勵兩個駐波振動的方式不同,駐波超聲波電動機分為縱扭振動復合型:采用兩個獨立的壓電振子分別激發互相垂直的兩個駐波振動，合成彈性體表面質點的橢圓振動軌跡。模態轉換型：模態轉換型僅有一個壓電振子激發某一方向的振動，再通過一個機械轉換振子同時誘發與其垂直的振動，二者合成彈性體表面質點的橢圓振動軌跡，驅動移動體運動。（如前兩例）72超聲波電機專題知識講座縱扭復合型超聲波電動機結構——定子由兩個獨立的振子所組成：縱向振子控制定子與轉子之間的摩擦力(正壓力)；扭轉振子控制輸出轉矩。由于兩種復合運動可獨立控制，所以其輸出轉矩大，工作穩定，可雙向運動，并且為設計者提供了較大的設計空間。

73超聲波電機專題知識講座（4）非接觸式超聲波電動機

定子與轉子之間不直接接觸，而是在它們之間填充一種介質：液體或氣體。當定子振動時，也就引起了介質的振動，在介質與轉子的接觸面就形成了摩擦力，從而驅動轉子運轉。非接觸式超聲波電動機是以犧牲轉矩為代價的，其驅動力都很小。東京工業大學TohgoYamazaki等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動機。其定子由硬鋁制成，定子圓筒長為16.5mm、內徑56mm、外徑61.8mm，并由兩個Langevin