周铁英超声电机的发展与展望

1、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

2、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31 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%。如图1所示，日本用于照相机调焦的主要超声电机

3、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. Sta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199

4、1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

5、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(rpm)最大力矩额 (mN-m)A定转数额:(rpm)定力矩(mN-m)南京航空航天大学TRUM-3025010018050南京航空航天大学TRUM-601501200100500东南大学UMT3020010015060东南大学UMT6014080080500浙江大学UMT3014010012060浙江大学UMT6011090075500新生工业USR3030

6、010025050新生工业USR601501000100500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13Nm13。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研究者清华大学清华大学清华大学扬州大学浙江大学南京航空航天大学名称棒状环型纵扭型圆柱型圆柱

7、型杆型类型模态回转型010mm行波型0100mm驻波型032mm双转子020mm弹性鳍型010mm模态回转型015mm主要特征(无负荷转数和最大力矩)400rpm, 300mN-m60rpm, 4000mN-m60rpm, 1600mN-m220rpm, 160mN-m200rpm, 8.2mN-m225rpm, 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只繇关

8、P通壬图2直径1mm弯曲模态超声电机：图3 1.6x1.6x6.金属方柱压电片32kHz,1800rpm, 4Nin, 350V pp; 8x0.8x4mm复合超声电机：90kHz, 2100rpm,切角方柱超声电机：129 kHz, 2460 rpm,60 Nm, 88V pp3.5Nm, 65V 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161转速达万转的棒板超声波电动机

9、171多自由度超声波电动机181 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

10、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 螺胃型）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。螺胃型超声电机性能如下：电压20-40Vpp,X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（网）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

11、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7两种面内行波螺胃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胃型超声电机技术和 博立码杰（深圳）通讯公司开

12、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，证明了螺胃型超声电机的优越性。表4各类调焦模组性能比较性能徊分AF模组AF +变焦模组音圈电机液体镜头压电式直线电机电磁/步进电机压电式旋转电机螺母型超声电机驱动一体化模绢参数 、专有：清华大学与 博立码杰合作模组整体尺寸小 8中 6小 8大5小9最小10模组高度加分中 3中 4低 5高3高3最低5可用于变焦加分否 0否 0否 0可以 5可以5可以5部件数目少 8少 8少 8多5少9最少10可加工性加分力矩/速度定位精度抗振性能加分功耗总评分易 大 差 弱 高较难3小65未知6 10网2 弱 2 弱810印2 尚可4 低 8 最低

13、10 高44425041073547较难中0/m好低因为手机市场巨大，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，因此研发螺胃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Wallaschek24j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

14、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）表6国际刊物发表超声电机类论文的数量和趋势004 3 2口年份儒数0019951996 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 Ultr

15、asonics, UFFC, Vibration and Sound, Smart Materials and Struct和rJASA等杂志上。与国际刊物发表论文比较，说明我们正与国际同 行同步发展。最早介绍超声电机的专著是由日本学者上羽贞行（Ueha）和富川义朗（Tomikawa）撰 写的超声电机的理论和应用，该书于1991年出版，并由吉林大学杨志刚教授译成中文， 推动了国内超声电机的研究。日本东京大学内野研二（Kenji Uchinlo撰写的超声电机导 论等也发挥了较大作用。国内，浙江大学陈永校和郭吉丰教授编辑了超声波电动机（1994 年），东南大学胡敏强等由科学出版社出版了超声波电机原

16、理与设计（2005年），赵淳生 院士由科学出版社出版了超声电机技术与应用（2007年）。这些书籍的出版既反映了我 们的研究水平，也反映了在理论和技术方面的成果。这些都对我国的超声电机研究起着或正 在起着推动作用。4国际国内交流逐年增加10多年来，国内采用走出去、请进来的方式，与超声电机研究最早和最成功的日本交 流最多。日本东京工业大学的上羽贞行教授、佳能的奥村一郎，山形的富川义郎等先后到我 国讲学交流。我国学者也多次出国参加相关会议，这也促使减少与国外的差距。清华大学周铁英教授和董蜀湘博士首次在1992年北京召开的国际声学会议上发表了超 声电机研究论文，之后周铁英教授参加了 1995年在柏林召

17、开的第一届WCU 会议，报告了 直线自校正步进超声电机的原理与实验；1997年，周铁英教授与南京航空航天大学朱美玲 教授一起在日本参加第二届WCU会议，宣读了电流变流体式超声电机的研究论文。之后我 们有些论文发表到国际刊物，受到同行的好评，但是数量还较少。在国家自然科学基金的资助下，200年，赵淳生教授率团7人出席在德国举办的第三届压电材料和其在驱动器中的应用研讨会IWPMA3 （ The 3th International Workshop onPiezoelectric Materials and Applications in） Act报告了超声电机在中国的研发，获得国 际人士的赞赏，并

18、争取到于2007年在中国南京举办了1 WPMA4国际研讨会。这次参会代表有 国外学者49人，国内学者120余人。代表中包括：美国宾州大学换能器与致动器研究中心主 任内野研二（Kenji Uchino，德国Wallaschek教授，清华大学李龙土院士，西安交大姚熹院 士，以及南京大学张淑仪院士。清华大学陈宇教授也作了特邀报告，主要讲述了螺母型超声 电机的研制和在手机中的应用、微超声电机的研制和在窥镜中的应用、大力矩超声电机的研 制和在汽车中的应用。本次会议内容包括压电材料研制和特性、压电驱动器和超声电机、带 有压电传感器和驱动器的智能结构和系统、在相机手机和陀螺仪中的压电应用、以及压电材 料的M

19、EMS设备等。值得注意的是无铅压电材料的研究和压电发电的研究引起与会者的重 视。2005年11月在日本横滨召开了第一届超声电机和驱动器的Workshop IWUMA ，我 国约有10多位代表和20篇论文参会。其中赵淳生教授做了超声电机在南航的研究”的大 会特邀报告，上海大学李朝东教授做了利用厚方板的轮廓和弯曲振动，设计X-Y平面两 自由度超声波电动机”报告。1999年,第一届全国超声电机研讨会在南京航空航天大学举行。之后2002年和2005 年,第二、第三届研讨会分别在南京和杭州举行。从2001年起，超声波电动机出现在每年 一次在上海举行的中国小电机展暨小电机技术”研讨会上。2005年的论文集

20、中有关超声 波电动机的论文数超出全部论文数的1/3在同年的小电机展上，特别设立了超声波电动机的展位，把超声波电动机以及驱动器从实验室拿出来展示在厂商以及研究部门的人们面前。5超声电机的市场前景广阔，需要加速创新与产业化的步伐我国超声电机的研究主要是从高校开始的，多年来，得到国家自然科学基金的支持。 由于我国基础工业薄弱，超声电机产品化迟迟到来。近些年来，一些高校采用研、学、产结 合的方式开展超声电机的产品化，取得不少成果。5.建立研、学、产结合的研发基地南京航空航天大学和浙江大学建立了自己的研、学、产基地，研制系列超声电机，并建 立小批量超声电机生产车间，这在一定程度上加速了产品化过程，也有利

21、于提高样机的工艺 水平，或许还可以提留销售利润，加强基地的生命力；国电南京自动化研究所与东南大学联 合建立产、学、研基地，这是以工厂研究所为主建立的基地，有利于减少教师的管理生产的 负担。他们已经研制出系列行波型超声电机，并有产品进入市场；山东华海科技有限公司与 清华大学物理系协作，研制汽车用大力矩行波型超声电机现在还在继续研制中；清华同方 与清华大学材料系协作研制多种超声电机。博立码杰通讯（深圳）有限公司与清华大学物理 系合作，用物理系发明的螺母型超声电机开发出手机用的AF模组，已经取得初步成效，并 制成世界最小的AF模组。世界经济一体化的趋势，在超声电机领域里也凸现出来。目前中国的超声电机

22、市场极为 薄弱，日本，韩国、以色列、德国、美国的超声电机产品已经前来光顾。13亿人口对各类 电机的需求量日趋增长，这个市场很可观。目前国内对超声电机使用的基础材料，如压电材 料和摩擦材料，进行了广泛的探讨和研制。基本可以满足基础研究和小规模产品的需求，如： 无锡海鹰集团提供的压电材料具有相对稳定性；国电南自和哈工大研制的用于小力矩的摩擦 材料寿命可达2000-3000小时。应该说，这些研究成果既反映了我们的创新，也反映了我们 的超声电机在产品化方面的成就。5.遂声电机发展方向细微型超声电机：随着微机械、微电子的快速发展，特别是纳米技术等国防尖端技术， 生物医学技术，半导体技术对微型电机的需求越

23、来越多。由于超声电机的结构多样、灵活， 在直径小于6mm的电机中性能大大优于电磁电机，因此研发微型超声电机有宽广的发展前 景。清华大学已经将直径1mm、长5mm和0.8mmX0.8mmx4mm微型超声电机用于OCT 窥镜，获得分辨率小于30 m的离体生物活体图像。当然，进行微型超声电机的研究的同时， 还需要解决微型超声电机测量技术。压电多层层叠式结构的低电压、低成本的超声电机和驱动器：清华大学李龙土院士的低 温共烧多层流延技术已经成功地用于压电变压器和集成陶瓷电容和电感，大大提高了电容 和电感量的体积比。如果将此技术用于超声电机和驱动器，则将使超声电机和驱动器在低电 压运行，并大大降低成本。以

24、日本佳能的摇头型超声电机为例，最初近2000日元冶，现在 200日元冶。此外，打破外国公司（如PI）的垄断也势在必行。直线型超声电机与精密微动工作台9:直线型超声电机的位置控制精度可达微米级，甚 至纳米级。日前，世界各国都在发展基于压电型直线电机的定位系统：美国Nanomotion公 司HR系列压电型直线电机的定位系统，分辨率100nm，最大速度200mm/s ；德国PI公司 采用层叠式压电型直线电机驱动，定位精度达50nm，速度130mm/s，行程50mm，可在真 空度25mTorr的状态下工作。值得注意的是，东京工业大学Kurosa教授，自90年代以来长 期从事声表面波超声电机的研究，目前

25、己经达到应用的阶段，工作频率l0-100MHz，体积 4mmx4mmx 3mm，步距可达0. 5nm每一步的响应时间为0. 2ms精确定位控制)和引导治癌药物进入癌细胞，使之仅仅杀死病人的癌细胞而不致伤害患 者的正常细胞一直是癌症治疗专家们和患者梦寐以求的目标。微小精密的超声直线电机的研 制成功给癌症专家们实现这一目标提供了有效工具。特种环境使用的超声电机9:为了发展我国的宇航事业需要研究特种环境使用的超声 电机。近年来，对宇宙的探测表明，夏季在南半球上空的气温为-63淫20C而冬季在南 极上空气温低至T00C平均大气压为5.6mbar (=560Pa)。美国NASA和JPL对超声电机在 高/

26、氐温和真空环境下进行了大量的试验研究；日本Shinse公司 USR-30超声电机在-801和 25mTorr的环境条件下(Cryovac condition经过,67小时运转损坏。在此试验的基础上 NASA/JPL研制出一种SRPD型超声电机，在采取了一些特殊措施后，在Cryovac环境条件 下运行了 336小时，具有很好的Cryovac特性。尽管转速和力矩都有大幅度降低，但它仍然 能够很好地运转。除了改善胶接材料和胶接技术之外，提高压电陶瓷材料的低温性能至关重要。一般压电 陶瓷只能在-40G100t工作。原清华大学董蜀湘博士最近在美国发展了一种用单晶体(pb( M gvs Nbz)s) Os

27、- PbT做的小型直线压电低温超声电机，能在-200Q氐温工作。集成可控的超声电源：由于超声电机的非线性特性，需要研究超声电机的控制方法和策 略13-14特别是电源集成与降低成本。研究驱动界面的物理化学稳定性：已经发现有些超声电机由于加了较大的预压力，存放 一段时间后定转子之间粘着在一起，需要几倍的外力才能使之转动。这需要继续研究驱动界 面的物理化学稳定性，以便解决这个问题尽管我国已经申报150多项超声电机专利，发表了 400多篇有关超声电机及其控制的研 究论文，培养了数十名超声电机领域的博士、博士后。但由于超声电机涉及多学科交叉，我 国超声电机的研发队伍还要继续扩大。由于我国基础工业薄弱，因

28、此超声电机产业化依然处 于起步创业的艰辛阶段。产业化不仅需要理论而且更需要工艺；产业化不仅需要教授而且更 需要工程师和熟练工人。因此，需要着力培训技术开发型的工程师和具有一定技能的工人。 首先需要每个环节的工程师制定出稳定的工艺过程，设计出流水作业、建立自动或半自动生 产机械和测试仪表。因为超声电机的许多优良特性，特别适合国防装备，航空航天。因此建议国家投资，制 定军工厂安排生产。然后，部分转为民用。多做实事，多做贡献！能够争取在2008年北京 举办奥运会的时候，我们的超声电机产业也能赶上世界超声电机产业的步伐，制造出我国高 性能的超声电机，满足国内市场的需要，进一步打入国际市场。致谢本工作是

29、在国家自然科学基金NSFC : 50577035和10676015,和863-2006 AA02Z472 的支持下，并吸纳了李朝东教授的表格1和表格2,以及赵淳生院士的部分资料整理完成的。参考文献S. Ueha and Y. Tomikawa: UltrasoninMoctryrsand Application, Clarendon Press,Oxford, 1993.陈永校，郭吉丰等:超声波电动机，杭州：浙江大学出版社，199年.A. L. W. Williams, W. J. Brown: US Patent No 243年94 月授权.周铁英:我国超声波电动机发展的回顾与展望,第10次

30、中国小型电动机技术研究会论 文集，122-126(2005).周铁英，董蜀湘，刘呈贵:压电超声马达简介,物理，20(5), 298-302(1991).王大春，表面波型电机,压电与声光，(1), 1-11(1986).董蜀湘，周铁英:直线微动马达箝位超声换能器研究，声学学报,18(1), 29 (1993).周铁英，董蜀湘，刘小萍等:超声振子箝位压电微动马达研究，声学学报，18(1), 19(1993).赵淳生：2世纪超声电机技术展望，振动、测试与诊断,20(1), 7-12(2000).赵淳生:对发展我国超声电机技术的若干建议，微电机,39(2), 64-67(2006).朱美玲，金龙，赵淳

31、生：行波超声马达传动机理的研究专动机理及定子中存在弯曲 行波的条件，振动、测试与诊断,17(1), 18-22 (1997).周铁英，刘勇，袁世明，陈宇：声悬浮对超声减摩的影响，声学学报，29(2), 111-114(2004).郭吉丰，吴建国:航天用大力矩高精度超声波电机研究，宇航学报,25(1), 70-76(2004).Y. Chen, K. Lu: Study of a mini-ultrasonic motor with square metal bar and piezoelec plate hybrid, Jpn. J. Appl. 4Phy5B)B 4780 (2006).T.

32、 Y. Zhou, K. Zhang, et al: A cylindrical ultrasonic motor with 1mm diameter an application in an endoscopic OCT, Chin. S60.(8Bul826 (2005).陈宇，刘庆利，周铁英:大力矩行波超声电机的性能，清华大学学报(自然科学版) 46(3), 396-398(2006).马龙:棒板复合型压电微电机理论与实验研究，清华大学硕士论文，200年.黄卫清，展凤江，赵淳生:圆柱-球体三自由度超声波电动机及其控制，微特电机，(05), 34-36(2004).季叶，非接触式超声电机的

33、研究，南京航空航天大学博士论文，200年.D. A. Henderson: Simple Ceramic Motor, Inspiring Smaller Products, The 10th Inter. Conf. New Actuators, Bremen, Germany, 2006.鹿存跃：几种新型超声微电机的研究和应用,清华大学博士后出站报告，200年.周铁英,鹿存跃，陈宇等:螺纹驱动多面体超声电机，中国专利，CN200510114849.2周铁英，鹿存跃，陈宇等：螺纹驱动多面体超声电机，国际专利申请号PCT/CN2006/003088.J. Wallaschek: Contact mechanics of piezoelectric ultrasonic motors, Smart Mater. & Struc 7, 369-381(1998).N. Hagood, W. Andrew, J. Mcfarland: Modeling of a Piezoelectric Rotary Ultrasonic Motor, IEEE Trans. UFFC,42 (2), 210-224(1995).赵向东，刘长青,赵淳生:圆柱体弯曲行波压电