超聲電機

超聲電機（Ultrasonic Motor或簡寫為USM）技術是振動學、波動學、摩擦學、動態設計、電力電子、自動控制、新材料和新工藝等學科結合的新技術。超聲電機不像傳統的電機那樣，利用電磁的交叉力來獲得其運動和力矩。超聲電機則是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動來獲得其運動和力矩的，將材料的微觀變形通過機械共振放大和摩擦耦合轉換成轉子的巨觀運動。在這種新型電機中，壓電陶瓷材料盤代替了許許多多的銅線圈。

基本介紹

• 中文名：超聲電機
• 外文名：Ultrasonic Motor 
• 簡稱：USM
• 性質：新工藝等學科結合的新技術

歷史現狀

超聲電機的雛形最早由前蘇聯在60年代初提出。1973年，美國IBM公司的H.V Barth博士、前蘇聯的V.H.Lavrinenko等人研製出原理性的超聲電機。80年代，日本許多科學工作者致力將美國和蘇聯的原理性樣機開發成使用的超聲電機，並於90年代初投入到商業套用。至今，日本、美國、俄羅斯、德國競相研製各種類型和用途的超聲電機。

傳統比較

超聲電機與傳統電機相比，具有結構簡單、小型輕量、回響速度快，噪聲低、低速大轉矩、控制特點好、斷電自鎖、不受磁場干擾，運動準確等優點，另外還具有耐低溫、真空等適應太空環境的特點。首先由於質量輕，低速且大轉矩從而不需要附加齒輪等變速結構，避免了使用齒輪變速而產生的震動、衝擊與噪聲、低效率、難控制等一系列問題；其次它突破了傳統電機的概念，沒有電磁繞組和磁路，不用電磁相互作用來轉換能力，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應、超聲振動和摩擦耦合來轉換能量。從而實現了安靜、污染小；定位精度高；不受電磁干擾等優點。可以說超聲電機技術處於世界上最新高科技之一。

套用

超聲電機作為一種新型的微電機，在轎車電器、辦公自動化設備、精密儀器儀表、計算機、工業控制系統航空航天、智慧型機器人等領域都有著廣泛的套用前景。根據超音波電機的研究成果，目前國外已經成功套用於照相機的自動焦距裝置、傳送裝置、自動升降裝置、精密繪圖儀、微機械驅動器等領域。

（1）光學機器

超音波電機在照相機、攝像機、顯微鏡等光學儀器的聚焦系統中作為驅動原件，能獲得很滿意的效果。接觸式USM具有低速大轉矩的特點，在許多套用場合中可免去減速裝置直接驅動。最典型的套用於照相機的自動焦距鏡頭中，與採用傳統電機鏡頭相比，具有安靜、無電磁噪聲；定位精度高；調焦時間短；無齒輪減速、機構簡單等優點。

光學顯微鏡，自動焦距，顯微定位，微納米計算尺，LCD等顯示平板的生產測試檢查，晶片檢查定位，消除振動系統，天文觀測儀器，自適應光學系統，微型掃瞄器，基因處理，微型手術，光學鏡面調整等都套用了超音波電機。

（2）汽車

超音波電機用於汽車車窗的驅動裝置中，可使它體積扁小、低速時具有大轉矩的優點發揮得淋漓盡致。它還可用於磁懸浮列車上，為使列車懸浮於軌道上，使通過軌道上線圈的超導電流產生強磁場，需要大力矩和控制性能良好的驅動器，這對於USM來說是最適合的。

(3)航天中的運用

電機在低溫和真空條件下的運行特性對航空航天的發展是極為重要的。超音波電機具有的結構簡單、重量輕、不受磁場干擾、真空下無需潤滑油的優點，是電磁電機在航空航天領域所不具有的。1995年末，美國航空航天局噴氣推進實驗室首次將直線超音波電機用於多功能爬行系統，該系統用於航天飛船外艙壁的檢查，其承載重量與自重比達10：1。利用其低速大力矩和高精度等特點，NASA將其用於火星探測器的輕量機械臂上，採用超音波電機取代有刷直流電機後，Mars ArmⅡ結構雖與Mars ArmⅠ相似，但重量減輕了40%，其主要原因是用超音波電機能直接驅動，另外還可大大縮小工作空間，如NASA的Calileo太空飛行器上的濾波齒輪(Filter wheel)在使用超音波電機前後的尺寸縮小了4倍。利用其驅動方式靈活的特點，日本宇宙研究所研製了兩種直線超音波電機用於空間伸展結構的伸展和收縮。利用超音波電機的回響快等特點，美國和法國用於飛彈的測控系統；利用結構簡單可微型化的特點，日本研製微型超音波電機用於微衛星等領域。此外，日本和美國等國家正在進行超音波電機的各種研究，用於航天等軍事領域。由此可見，超音波電機以其高轉矩重量比、快速回響、高精度和斷電自鎖等特點、將在航天航空等軍工領域中受到愈來愈大的重視。

(4)工業工具機中的套用

由於超音波電機結構剛度大、定位精度高，它可用於工具驅動與控制裝置以及工件的定點傳輸。如工具機的精密進給機構、刀具的磨損調度裝置、微細電火花機的加工裝置、工件準確定位與裝夾、縮緊裝置及夾具的快速調整。

(5)醫療與生物學領域中的套用

生物材料微型操作器、計量設備、微型噴嘴、衝擊發生器、腎結石破碎治療機、氣管超聲掃描器。許多科學儀器，醫療器械會產生強磁場或者對電磁場干擾具有嚴格的要求，而超音波電機能避免這些問題，所以可以用於核磁共振環境下設備的驅動。

(6)民用產品的套用

首先由於超聲電機的安靜、體積小等優點，可用於壓縮機的使用上，在家電領域具有廣泛的用途；傳統的電機驅動由於在中間環節，不可避免的存在累計誤差，而超音波電機控制性能好，體積小，可用於精密控制，如電子手錶；同時利用其控制精度高的特點，可用於IC、LSI等數控機器，印刷線路板加工、檢測，晶片遇見排列、焊接、封裝，半導體片等精密沖載。環狀壓電機可用於樓宇窗簾的自動開閉。

套用領域	舉例說明
光學儀器	照相機、攝像機、顯微鏡
汽車	座椅調節電機、頭靠調節電機、自動天線電機、自動門鎖電機、自動窗電機、頂板調節電機、計價器電機、電子反光鏡等
航空航天	飛機飛艇等
工業控制	鏜床、磨床、機器人等
醫療器械等	生物材料微型操作器、計量設備、微型噴嘴、衝擊發生器、腎結石破碎治療機、器官超聲掃描器
民用產品	壓縮機、電子手錶、IC、LSI等數控機器、印刷線路加工、檢測器、晶片元件、半導體片、窗簾自動器

套用前景

專家預言：21世紀將是超聲電機大放光芒的時代，超音波電動機可廣泛套用於OA、FA、照相機、攝像機、工業機器人、汽車、家用電器等需要直接驅動的機構中，它將有可能部分取代微型電機。自1960年前蘇聯一位科學家提出超音波電動機的構想以來，前西德西門子公司、AEG公司、日本松下電器工業公司、日立萬勝公司、新生工業公司都在進行開發工作，並達到了商品化開發程度。

可以預計：在21世紀，為了發展我國人造衛星、飛彈、火箭、飛機、機器人、微型機械、汽車、磁浮列車以及其他精密儀器，將需要大量的、高性能的超聲電機。超聲電機技術的發展，必將對我國國防和其他國民經濟各部門起著重大作用，例如：

● 21世紀，航空航天是我國重點發展的領域之一。從國外的套用的情況看，它必將套用超聲電機。如納米衛星、微型飛機、宇宙飛船和空間探測器等，套用超聲電機，可以減少其重量，增強其可控性；

● 機器人和微型機械，也是我國21世紀重點發展的領域之一。超聲電機可以使機器人和微型機械簡化結構，減輕重量，增強其可控性。隨著超聲電機的微型化，微型機械可進入人體，如作為人造心臟的驅動器，它將會大大推動人造器官的產業化進程；

● 21世紀，我國將要大力發展磁浮列車。磁浮列車上的強磁場干擾，使得在磁浮列車上的傳統的電磁電機工作失效，超聲電機將大有可為；

● 未來豪華轎車上的電機之多可達80個，使汽車體積增加，電磁干擾增強。套用超聲電機，由於不需齒輪箱從而大大降低其體積；由於超聲電機不產生磁場而使汽車的電磁兼容性得到大大改善。汽車上的中央門鎖、門窗玻璃的升降，前視鏡和雨刮器等，均可用超聲電機來代替傳統的電磁電機；

● 隨著掌上計算機，可視電話電視、手提式儀器等的發展，微型超聲電機將可得到廣泛套用。超聲電機將使這些微型儀器降低重量和體積，減少其能量損耗；

● 超聲電機的位置定位精度很高，直線解析度可達納米級，旋轉解析度可達角秒級。超聲電機將會在一些精密儀器、醫療設備以及半導體製造技術中得到廣泛套用。

● 超聲電機的回響速度快，達到ms級。往復回響頻率能夠達到1KHz / ° 以上。再結合角秒級的角解析度，能夠在航空航天等高科技領域，用來實現快速掃描、凝視和多目標定位、動態開度控制等等。