周铁英超声电机的发展与展望

超声电机的发展与展望周铁英陈宇(清华大学物理系, 北京 100084)1 引言和回顾超声电机是利用压电材料的逆压电效应制成的新型驱动器。

它由定子、转子以及施加预压力的机构等部件构成。

把超声频交变电压加在压电陶瓷上可以在定子表面产生超声振动，通过定子与转子之间的摩擦力驱动转子运动[1-2]。

超声电机是多学科交叉的学科，它集超声学、振动学、材料学、摩擦学、电子学和控制科学为一体，需要众多领域合作研究。

与电磁电机相比，超声电机的主要特点包括：1、大力矩低转速，不需减速机构；2、能量密度大，可达电磁电机的3－10倍；3、响应速度快，仅ms量级；4、定位精度高；5、无电磁干扰；6、因靠摩擦驱动，具有自锁功能。

国际上第一个超声电机的发明专利是1942 年美国人Williams 和Brown 申请的，该专利1948年授权[3]。

1982年日本成功地开发出行波型超声波电动机, 仅在5至7年之后，佳能、新生等几家日本公司就把超声波电动机推向市场，其中相机和打印机最为成熟。

近期FUKOKU、ASUMO、精工仪器、佳能精机、京瓷、奥林巴斯光学工业、MITSUBA，SIGMAPHOTO（适马镜头）等单位都引入了超声电机的研发。

图1是1998年日本超声电机投放市场的分布图[4]，其中照相机和工业机械的市场占有率为88.2%，医疗器械 5.9%，汽车电器3.6%。

1.5 0.73.65.9照相机工业机器22.6医疗器械汽车住宅设备65.6其他图1 1998年日本超声电机投放市场的分布图如图1所示，日本用于照相机调焦的主要超声电机是佳能使用的行波型和摇头型，有数百个专利，基本形成市场的垄断。

现在, 除了日本之外, 美国、德国、法国、瑞士、韩国、土耳其、新加坡等都有超声电机产品进入市场。

美国的一些著名大学, 如Stanford、Wisconsin、Berkeley、Penn. State等都投入很多力量研究超声电机。

美国国防部门也投入很多人力物力从事超声电机的研究。

美国某些公司生产的超声电机产品已经在航空航天、半导体工业、MEMS、和BioMEMS等领域先后得到应用。

中国的产业化进程相对缓慢。

我国超声波电动机的研究是从80 年代末、90 年代初开始的，大致经历了跟踪学习、自主开发、实际应用推广3个发展时期。

1985年到1991年间，国内学者开始撰写文章介绍超声波电动机[5，6]，1989 年清华大学和上海大学分别研究开发出了压电蠕动型超声波致动器，哈尔滨船舶工程学院研制了环形超声电机[7,8]，1993年浙江大学试制了行波型旋转超声波电动机，1994 年南京航空航天大学成立超声电机研究小组，并于1995年研制成功输出力矩和速度较稳定的环型行波型超声波电动机。

1997年南京航空航天大学成立了超声电机研究中心，仅比美国宾州大学的换能器和驱动器研究中心晚 5 年[9,10]。

我国的超声电机事业在国家自然科学基金的支持下，进行了应用基础研究和关键技术研究[11,12]，迄今得到长足的发展。

2我国超声电机从模仿进入独创的阶段经过10年的努力，中国制造的行波型旋转超声波电动机的主要性能指标，除效率以及耐久性之外，已经非常接近日本新生工业公司的产品样本值了。

表格1显示了南京航空航天大学、东南大学、浙江大学和新生工业的超声波电动机的性能比较。

表格 1开发者名称无负荷转数最大力矩额定转数额定力矩(rpm) 250 150 200 140 140 110 300 150 (mN-m)100(rpm)18010015080(mN-m)50南京航空航天大学南京航空航天大学东南大学TRUM-30TRUM-60UMT30UMT60UMT30UMT60USR30120010050060东南大学800 50060浙江大学100 12075浙江大学900 50050新生工业100 250100新生工业USR60 1000 500除了行波型之外，纵扭复合振子型、弯曲模态回转型、模态变换型、复合模态型、双转子型、非接触型以及自校正步进型等各种各样的旋转超声波电动机也正在研究开发。

表格 2 介绍了现在正在开发的旋转超声波电动机，其中浙江大学的大力矩型性能突出：直径80毫米的纵扭型电动机的最大力矩可以达到13Nm[13]。

在原理和结构的创新方面，清华大学始终走在国内各单位前列，迄今共申请并获得批准的发明专利约20 项，实用新型专利约10 项，申请并公开的发明专利约20项。

表格 2研究者清华大学名称棒状类型主要特征（无负荷转数和最大力矩）400rpm, 300mN-m模态回转型Φ10mm行波型Φ100mm驻波型Φ32mm双转子Φ20mm弹性鳍型Φ10mm模态回转型Φ15mm清华大学环型60rpm, 4000mN-m清华大学纵扭型圆柱型圆柱型杆型60rpm, 1600mN-m扬州大学220rpm, 160mN-m浙江大学200rpm, 8.2mN-m南京航空航天大学225rpm, 420mN-m我国从1988到2007年（部分）申请专利逐年增加，其中大多数是具有独立知识产权的发明专利[4]，批准和公开的总专利数达到一百五十多个（见表3），说明我们的研究工作已经有创新思路，从开始模仿国外的初期阶段到知识独立创新的新阶段。

表3、我国申报超声电机专利数量逐年增加3530252015105系列1年份图2 直径1mm 弯曲模态超声电机：32kHz,1800rpm, 4Nm, 350V pp；8×0.8×4mm切角方柱超声电机：129 kHz, 2460 rpm,3.5Nm, 65V pp图3 1.6×1.6×6.6mm3金属方柱压电片复合超声电机：90kHz, 2100rpm,60Nm, 88V pp图 4 转速超过1万转/分钟的压电电机图5 外径30mm转速5300/分非接触电机从南京航空航天大学与清华大学完成的国家自然科学重点基金项目（2006 年通过专家鉴定）来看，创新成果包括（如图2-5）：系列微型超声波电动机的研发和应用[14，15]、大力矩行波超声电机[16]、转速达万转的棒板超声波电动机[17]、多自由度超声波电动机[18]、以及直径100mm的行波电机最大力矩达到4Nm，直径30 mm行波电机性能达到国际同类产品的水平。

另外，还研制出性能突出的超声电机，如：南京航空航天大学研制的直径 30mm 非接触式行波超声电机[19]，无载转速达到5300rpm；清华大学材料系研制的直径12mm棒板超声波电动机转速大于10000 rpm；清华大学物理系研制的直径1mm 圆柱形和边长0.8mm的方柱形超声电机。

2005 年，美国发明了一种SQUIGGLE 电机[20]，见图6。

它是利用矩形压电片粘到金属方管上制成摇头定子，用定子的两个端部直接驱动与其配合的螺纹堵头，然后通过螺纹堵头（具有内外螺纹的加压机构）与具有外螺纹的转子接触。

转子做螺旋直线运动。

该电机用于手机相机镜头调焦和自动注射器。

但是该电机用于镜头调焦时还需要其他机构的转换和支撑。

图6 SQUIGGLE 电机和模组值得一提的是, 清华大学2005年开发了能用于手机和数码相机的多面体螺纹驱动（简称螺母型）超声波电动机，并初步研制了样机[21]，2005年申请了发明专利[22]，目前正在申请国际专利。

螺母型超声电机性能如下：电压20-40Vpp,工作频率16kHz, 消耗功率0.1-0.2W,运动速度0.5-1mm/s, 驱动力20gf, 响应时间< 1ms, 分辨率(μm) ＜2。

图7给出了两种多面体管状面内行波型USM驱动系统的样机图。

图7（a）是压电陶瓷环电机定子，图7（b）是压电陶瓷片12面体定子。

它们都可以直接安装到定子的厚底座上。

在底座的中心可以放置感光成像元件（CCD或者CMOS元件）。

定子为空心的金属12面体，其外表面粘贴12个压电陶瓷片。

定子内部带有内螺纹，转子上带有外螺纹，定子通过螺纹驱动转子旋转。

定子和转子上均可以安装光学透镜组以便实现变焦。

该设计把镜头作为转子，可实现一体化调焦或变焦结构。

图7（c）是当今世界上制作的最小的AF手机模组。

（a）（b）（c）图7 两种面内行波螺母型超声电机和最小的AF手机模组表4给出各类调焦模组性能比较。

表中最后一列是利用清华大学螺母型超声电机技术和博立码杰（深圳）通讯公司开发的一体化模组的性能，该模组的各项指标已经达到国际先进水平，证明了螺母型超声电机的优越性。

表4各类调焦模组性能比较AF模组液体AF＋变焦模组压电式旋转电机性能/评分音圈电机压电式电磁/步进螺母型超声电机驱动一体化模组镜头直线电机电机专有：清华大学与博立码杰合作参数模组整体尺寸模组高度加分可用于变焦加分部件数目小中否少838中中否少648小低否少858大高5355小高9359最小最低可以最少105可以多可以少510可加工性加分力矩/速度定位精度抗振性能加分功耗易大差弱高59难小26较难小36中大4107较难中37易大585 未知6 ≤10μm 8 10μm尚可高≤1μm好1051-2μm好9 24弱低28弱 2 3 5最低10505 低9 低9总评分44 42 47 60 66 因为手机市场巨大，据相关报道，2007年将超过5亿只。

实际上，2007年我国已经拥有8亿只。

按照20%的镜头将带有光学调焦功能来算，其市场占有率是可观的。

到2008年，手机将成为人们主要的拍照工具，因此研发螺母型超声电机用于手机调焦更具有紧迫性。

3 应用基础研究水平迅速提高日本的超声电机的论文数虽然很多，但是理论研究不够深入。

欧美的几位学者在超声电机的理论建模、接触驱动机理、运动轨迹分析、控制策略分析等基础研究方面作了系统深入的工作，如德国Wallaschek[24]，美国Hagood等[25]。

我国超声电机的理论建模、接触驱动机理、运动轨迹分析、控制策略分析等基础研究得到国家自然科学基金的大力支持[26-36]，发表的与超声电机相关的论文数量逐年增加。

从1994年到2007年共发表论文总数405篇，质量逐年明显提高，表5给出有关超声电机研究论文发表状况。

表5国内刊物发表超声电机研究论文状况（2007年只是一部分）8070605040302010年份-篇数1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007年份表6 国际刊物发表超声电机类论文的数量和趋势600500400300200100年份-篇数19951996 1997 19981999 2000 20012002 20032004 2005 20062007年份表6 是国际刊物发表的与超声电机和致动器相关的论文，其数量逐年增加（2007 年只是一部分）：总论文数2024篇，集中发表在Ultrasonics, UFFC, Vibration and Sound, Smart Materials and Structures和JASA等杂志上。