1  超声波电机发展历程超声波电机从1942年被提出后，至今发展不过70多年，但却取得了巨大的成就，从超声波电机的发展历程看，其发展大致可分为三个阶段:第一阶段是1942-1970年的概念阶段，第二阶段是从20世纪70年代开始到80年代中期，第三阶段是 1987年下半年以后的产业化生产及应用阶段[5]。84129

20世纪40年代初，美国学者Brown和Williams首先提出超声波电机的驱动原理，并申请了首个超声波电机模型的专利。然而由于技术方面的原因，该模型并没有成功实现。1961年，日本Bulova钟表公司通过音叉来回振动产生的位移驱动钟表，该钟表年误差仅为10分钟，领先于当时的技术。以此为契机，对于超声波电机的研究正式进入正轨。随后，著名学者M。E。Archangelskij于1963年设计了一台振动片型的USM,这是一台利用轴向、弯曲耦合振动的电机。次年，第一台旋转USM诞生，由V。V。Lavirenko制作，采用了压电陶瓷片，其振动模式通过等效电路得到了很好的解释。70年代初，Siemens和Matsushita公司研制出具有实际应用前景的USM，但因为力矩小而未能成功推广。1973年，IBM公司的H。V。Barth发明了一种拥有大力矩和高转速的驻波型USM。1978年，前苏联的Vasiliev成功设计出一种拥有强劲驱动力的USM，其拥有较大的共振频率，但是由于工作条件下发热过高等原因，振动片振幅波动较大，因而无法投入使用。到了80年代，日本逐渐成为超声波电机研究领域的主角。论文网

日本指田年生对Vasilive的研究成果进行分析、总结、创新之后，于1980年发明了一种压电电机，该电机是振动片型的。其结构采用Langevin振子和薄振动片组成其定子，是第一个满足实际使用需要的USM。1982年，指田年生将原先提出的定点推动转子的工作方式进行优化，设计出一种行波型USM。该超声波电机利用行波不断推动转子进行运动，大大减少了定、转子之间的摩擦和能量损耗。该成果成为超声波电机实用化的一块里程碑。此后，USM进入了大规模实验研究和实用化开发阶段，各种不同结构的USM不断出现，驱动控制电路和应用产品专利层出不穷[6]。

1985年，日本松下公司将一种梳齿结构的定子用于行波型USM中，大大提高了电机效率，该方法得到了很大的应用和推广。两年后，指田年生创办新生工业公司，并正式开始出售行波型USM。同年，该公司研制的超声波电机被日本佳能公司应用于相机调焦系统中，USM开始市场化。之后不久，西方发达国家也逐渐对超声波电机研究引起了重视，美、德、英、法等国相继于80年代末期加入到USM的研究队伍中。

90年代以来，各具特色的超声波电机层出不穷，其中不乏高性能的机型[7]。USM的建模、分析、驱动控制等成为研究的主要内容[8]。

2  超声波电机现状

早在20世纪40年代初，BaTiO3 陶瓷的铁电性就已经被发现并引起广泛关注。1947年，S。 Robert发现了BaTiO3陶瓷在外加直流偏压的情况下，将呈现出强的压电效应，且不受外力场的影响。这一发现为压电材料的兴起奠定了基础。1954年，B。 Jaffe等学者发现一种在多形相界周围存在良好压电性能和介电性的固溶体，取名钙钛酸铅（PZT）。它的机电耦合系数接近钛酸钡（BaTiO3）陶瓷，这一发现为USM提供了一种新型压电材料[9]。

1980年，日本T。Sashida教授成功制造出驻波型超声波电机，成为超声波电机产业化的奠基人。该电机作为第一台满足实际需要的USM，采用了Langevin激振器，在频率为27。8kHz的条件下工作，其输入功率为90W。目前，超声波电机产业已成为日本国民经济中不可或缺的一部分，在越来越多的领域发挥着重要作用。同时日本作为目前超声波电机研究领域的领头羊，掌握着大部分发明专利。日本除了在新型电机及其驱动机理研究等方面取得了良好成绩之外，对如何提高摩擦效率，如何改进驱动方法等各方面也有着深层次探讨[10]。