超声电机

超声电机（Ultrasonic Motor或简写为USM）技术是振动学、波动学、摩擦学、动态设计、电力电子、自动控制、新材料和新工艺等学科结合的新技术。超声电机不像传统的电机那样，借助电磁的交叉力来获得其运动和力矩。超声电机则是借助压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。在这种新型电机中，压电陶瓷材料盘代替了许很多多的铜线圈。

超声电机的雏形早由前苏联在60年代初提出。1973年，美国IBM企业的H.V Barth博士、前苏联的V.H.Lavrinenko等人研制出原理性的超声电机。80年代，日本很多科学工作者致力将美国和苏联的原理性样机开发成用的超声电机，并于90年代初投入到商业应用。到今天，日本、美国、俄罗斯、德国竞相研制各类型型和作用与功效的超声电机。

超声电机与传统电机相比，具备结构简单、小型轻量、响应速度快，噪声低、低速大转矩、控制特征好、断电自锁、不受磁场干扰，运动准确等优点，另外还具备耐低温、真空等适应太空环境的特征。第一因为水平轻，低速且大转矩从而无需附加齿轮等变速结构，防止了用齿轮变速而产生的震动、冲击与噪声、低效率、难控制等一系列问题；第二它突破了传统电机的定义，没电磁绕组和磁路，不需要电磁相互用途来转换能力，而是借助压电陶瓷的逆压电效应、超声振动和摩擦耦合来转换能量。从而达成了安静、污染小；定位精度高；不受电磁干扰等优点。可以说超声电机技术处于世界上新高科技之一。

超声电机作为一种新型的微电机，在轿车电器、办公智能化设施、精密仪器仪表、计算机、工业控制系统航空航天、智能机器人等范围都有着广泛的应用前景。依据超声波电机的研究成就，现在海外已经成功应用于照相机的自动焦距装置、传送装置、自动升降装置、精密绘图仪、微机械驱动器等范围。
（1）光学机器
超声波电机在照相机、摄像机、显微镜等光学仪器的聚焦系统中作为驱动原件，能获得非常认可的成效。接触式USM具备低速大转矩的特征，在很多应用场所中可免去减速装置直接驱动。典型的应用于照相机的自动焦距镜头中，与使用传统电机镜头相比，具备安静、无电磁噪声；定位精度高；调焦时间短；无齿轮减速、机构简单等优点。
光学显微镜，自动焦距，显微定位，微纳米计算尺，LCD等显示平板的生产测试检查，晶片检查定位，消除振动系统，天文观测仪器，自适应光学系统，微型扫描仪，基因处置，微型手术，光学镜面调整等都应用了超声波电机。
（2）汽车
超声波电机用于汽车车窗的驱动装置中，可使它体积扁小、低速时具备大转矩的优点发挥得。它还可用于磁悬浮列车上，为使列车悬浮于轨道上，使通过轨道上线圈的超导电流产生强磁场，需要大力矩和控制性能好的驱动器，这对于USM来讲是合适的。
（3）航天中的运用
电机在低温和真空条件下的运行特质对航空航天的进步是极为要紧的。超声波电机具备的结构简单、重量轻、不受磁场干扰、真空下不需要润滑油的优点，是电磁电机在航空航天范围所不具备的。1995年末，美国航空航天局喷气推进实验室将直线超声波电机用于多功能爬行系统，该系统用于航天飞船外舱壁的检查，其承载重量与自重比达10：1。借助其低速大力矩和高精度等特征，NASA将它用于火星探测器的轻量机械臂上，使用超声波电机取代有刷直流电机后，Mars ArmⅡ结构虽与Mars ArmⅠ相似，但重量减轻了40%，其重要原因是用超声波电机能直接驱动，另外还可大大缩小工作空间，如NASA的Calileo航天器上的滤波齿轮（Filter wheel）在用超声波电机前后的尺寸缩小了4倍。借助其驱动方法灵活的特征，日本宇宙研究所研制了两种直线超声波电机用于空间伸展结构的伸展和缩短。借助超声波电机的响应快等特征，美国和法国用于导弹的测控系统；借助结构简单可微型化的特征，日本研制微型超声波电机用于微卫星等范围。除此之外，日本和美国等国家正在进行超声波电机的各种研究，用于航天等军事范围。这样来看，超声波电机以其高转矩重量比、迅速响应、高精度和断电自锁等特征、将在航天航空等军工范围中遭到愈来愈大的看重。
（4）工业机床中的应用
因为超声波电机结构刚度大、定位精度高，它可用于工具驱动与控制装置与工件的定点传输。如机床的精密进给机构、刀具的磨损调度装置、微细电火花机的加工装置、工件准确定位与装夹、缩紧装置及夹具的迅速调整。
（5）医疗与生物学范围中的应用
生物材料微型操作器、计量设施、微型喷嘴、冲击发生器、肾结石破碎*、气管超声扫描器。很多科学仪器，医疗器械会产生强磁场或者对电磁场干扰具备严格的需要，而超声波电机能防止这类问题，所以可以用于核磁共振环境下设施的驱动。
（6）民用商品的应用
第一因为超声电机的安静、体积小等优点，可用于压缩机的用法上，在家用电器范围具备广泛的作用；传统的电机驱动因为在中间环节，不可防止的存在累计误差，而超声波电机控制性能好，体积小，可用于精密控制，如电子手表；同时借助其控制精度高的特征，可用于IC、LSI等数控机器，印刷线路板加工、测试，晶片遇到排列、焊接、封装，半导体片等精密冲载。环状压电机可用于楼宇窗帘的自动开闭。

应用范围
举例说明
光学仪器
照相机、摄像机、显微镜
汽车
座椅调节电机、头靠调节电机、自动天线电机、自动门锁电机、自动窗电机、顶板调节电机、计价器电机、电子反光镜等
航空航天
飞机飞艇等
工业控制
镗床、磨床、机器人等
医疗器械等
生物材料微型操作器、计量设施、微型喷嘴、冲击发生器、肾结石破碎*、器官超声扫描器
民用商品
压缩机、电子手表、IC、LSI等数控机器、印刷线路加工、测试器、晶片元件、半导体片、窗帘自动器

专家预言：21世纪将是超声电机大放光芒的年代，超声波电动机可广泛应用于OA、FA、照相机、摄像机、工业机器人、汽车、家电等需要直接驱动的机构中，它或有可能部分取代微型电机。自1960年前苏联一位科学家提出超声波电动机的设想以来，前西德西门子公司、AEG公司、日本松下电器工业公司、日立万胜公司、新生工业公司都在进行开发工作，并达到了产品化开发程度。
可以预计：在21世纪，为了进步国内人造卫星、导弹、火箭、飞机、机器人、微型机械、汽车、磁浮列车与其他精密仪器，将需要大量的、高性能的超声电机。超声电机技术的进步，势必对国内国防和其他国民经济各部门起着重大用途，比如：
● 21世纪，航空航天是国内重点进步的范围之一。从海外的应用的状况看，它势必应用超声电机。如纳米卫星、微型飞机、宇宙飞船和空间探测器等，应用超声电机，可以降低其重量，增强其可控性；
● 机器人和微型机械，也是国内21世纪重点进步的范围之一。超声电机可以使机器人和微型机械简化结构，减轻重量，增强其可控性。伴随超声电机的微型化，微型机械可进入人体，如作为人造心脏的驱动器，它将会大大推进人造器官的产业化进程；
● 21世纪，国内将要大力进步磁浮列车。磁浮列车上的强磁场干扰，使得在磁浮列车上的传统的电磁电机工作失效，超声电机将大有可为；
● 将来豪华轿车上的电机之多可达80个，使汽车体积增加，电磁干扰增强。应用超声电机，因为不需齿轮箱从而大大减少其体积；因为超声电机不产生磁场而使汽车的电磁兼容性得到大大改变。汽车上的中央门锁、门窗玻璃的升降，前视镜和雨刮器等，均可用超声电机来代替传统的电磁电机；
● 伴随掌上计算机，可视电话电视、手提式仪器等的进步，微型超声电机将可得到广泛应用。超声电机将使这类微型仪器减少重量和体积，降低其能量损耗；
● 超声电机的地方定位精度非常高，直线分辨率可达纳米级，旋转分辨率可达角秒级。超声电机将会在一些精密仪器、医疗设施与半导体制造技术中得到广泛应用。
● 超声电机的响应速度快，达到ms级。往复响应频率可以达到1KHz / ° 以上。再结合角秒级的角分辨率，可以在航空航天等高科技范围，用来达成迅速扫描、凝视和多目的定位、动态开度控制等等。