超聲波電機的工作原理

　　與傳統的電機不同，超聲波電機無繞組和磁極，無需通過電磁作用產生運動力。一般由振動體（相當于傳統電機中的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成）和移動體（相當于傳統電機中的轉子，由彈性體和摩擦材料及塑料等制成）組成。在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時，利用逆壓電效應或電致伸縮效應使定子在超聲頻段（頻率為20KHZ以上）產生微觀機械振動。并將這種振動通過共振放大和摩擦耦合變換成旋轉或直線型運動。

　　實現超聲波驅動有兩個前提條件：首先，需在定子表面激勵出穩態的質點橢圓運動軌跡；其次，將定子表面質點水平方向的微觀運動轉換成轉子的宏觀運動或平動。第一個前提條件對應著機電能量轉換，利用逆壓電效應由電能轉化成機械振動能：第二個前提條件對應著運動形式轉化，往往通過定轉子間的摩擦力來實現，近年來亦有通過氣體或液體為中間介質接觸為非接觸型超聲波電機，也稱為聲懸浮超聲波電機。從超聲電機的工作原理可見，其正常工作離不開兩個能量轉換作用：機電轉換作用和摩擦轉換作用。機電轉換作用是指壓電陶瓷的逆壓電效應，即對壓電陶瓷振子加高頻振蕩電流，使它以超聲波的頻率振動。摩擦轉換作用是指彈性體（定子與壓電陶瓷的合稱）的振動經過定子與轉子工作面間的摩擦作用轉化成轉子的直線運動或旋轉運動。要保證大力矩輸出、止動性好，必須滿足的條件就是有效足夠的機電轉換作用和有效穩定的摩擦轉換作用。

　　超聲波電機特點

　　給超聲波電機輸入驅動電壓后，壓電材料產生壓電現象，同時發生的縱向延伸和橫向彎曲模式的激勵在陶瓷指尖的狹小的橢圓通道里產生二維聲波，從而產生驅動力進行直線或旋轉運動。但沒有驅動電壓的時候能夠維持一個保持力矩，不產生位移和滯后。

　　可用在從普通環境到超高真空環境的半導體設備、平面平臺設備、光學纖維制動態元件制造、存儲介質制造和測試設備、生物醫藥和制藥、度量衡和超高精度的微型數控等設備中。

　　具有定位精確，分辨率可達1μm，精度10nm，運動速度平穩，低10μm/s，高250mm/s，標準應答時間為50～75μs，整定時間明顯優于一般伺服電動機，以0.1μm的分辨率為例，只需1～2ms，為一般伺服電動機的1/10，定位后沒有一般伺服電動機存在的晃動問題，而且超聲波電機具有重量輕，體積小，行程無限制等特點。

　　超聲波電機應用領域

　　超聲波電機的應用領域可概括如下：

　　1）航空航天領域

　　航空航天器往往處在高真空、極端溫度、強輻射、無法有效潤滑等惡劣條件中，且對系統重量要求嚴苛，超聲馬達是其中驅動器的最佳選擇。

　　2）精密儀器儀表電磁馬達用齒輪箱減速來增大力矩，由于存在齒輪間隙和回程誤差，難以達到很高定位精度，而超聲馬達可直接實現驅動，且響應快、控制特性好，可用于精密儀器儀表。

　　3）機器人的關節驅動

　　用超聲電動機作為機器人的關節驅動器，可將關節的固定部分和運動部分分別與超聲馬達的定、轉子作為一體，使整個機構非常緊湊。日本開發出球型超聲電動機，為多自由度機器人的驅動解決了諸多的難題。

　　4）微型機械技術中的微驅動器

　　微型電機作為微型機械的核心，是微型機械發展水平的重要標志。微電子機械系統（micro electronic mechanical systems，縮寫MEMS）的制造研發中，其電機多是毫米級的。醫療領域是微機械技術運用最具代表性的領域之一，超聲電機在手術機器人和外科手術器械上已得到應用。

　　5）電磁干擾很強或不允許產生電磁干擾的場合

　　在核磁共振環境下和磁懸浮列車運行的條件下，電磁電機不能正常工作，超聲馬達卻能勝任。