超声波电机发展研究现状概况

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超声波电机的发展历史能够分成3个阶段：理论阶段、产品研究阶段和工商业应用阶段。

1 理论阶段（20世纪40年代到20世纪60年代）

1942年，借助压电振子获得超声波频段的振动能量，并以此作为动力的首次超声波电机的概念由Williams和Brown在他们的专利中提出[4]，模型结构如图1。1所示。不过因为受制于时代的材料学等学科的发展局限性，并没有制造出超声波电机的样机。87404

第一个USM模型的专利

1947年，Robert S发现，如果将直流偏压加在BaTiO3陶瓷上，就会表现出压电效应，这一发现使得压电陶瓷开始走上科学舞台。1954年，新的压电材料锆钛酸铅(PZT)被贾非等人发现了，PZT作为固溶体，BaTiO3的机电耦合系数只有它的一半，拥有优秀的压电性质和介电性质，这一发现为超声波电机的发展奠定了材料学基础。1961年，Bulova Watch（日本）钟表公司[5]推出了一款新型钟表，这种钟表采用音叉的振动来获得动力，如图1。2所示，由于超声波电机的精度相对传统电机高很多，使得这种钟表的误差较小。音叉的驱动结构

1964，V。V。Lavirenko（前苏联）运用等效电路法分析了压电陶瓷的振动，制造出世界上第一台旋转超声波电机。1972年，Siemens（德国）公司和Panasonic（日本）公司先后开发出了利用简谐振动驱动的超声波电机[6]，使得USM具有了实际应用前景，成为第一个有实物机器的专利。1973年，IBM（美国）公司设计出了一款新的超声波电机的模型，它是由压电陶瓷、转子模块和驱动模块构成的，这样的一款新模型，让当时的业内震惊，让其自此能够拥有优秀的超声波电机的基本属性。但是这些电机由于振幅小都无法获得大转矩，无法投入工商业生产。

2 产品研究阶段（20世纪70年代到20世纪80年代）

1978年，Vasiliev（前苏联）顺利制造除了一种新型USM[7]，其结构是将压电元件夹在两块金属之间，通过将振子的振动转化成摩擦力来驱动电机转子旋转，这种USM具有驱动较大载荷的能力，因此超声波电机开始走上产品研究舞台。1980年，在前苏联科学家的成果基础上，指田年生（日本）开发出了新的驻波型USM，如图1。3所示，和前苏联科学家的USM不同，其转子和振动片有一定偏角，这使得振动片形成了椭圆运动，从而驱动转子旋转，这是世界上第一型能够满足需求指标的USM，使得USM真正具有产品化的可行性。1982年，指田年生在升级优化了自己的发明，将振动片和转子的接触从点接触升级为面接触，使得这型USM能够获得更大的动力和减少了接触面的磨损，这为USM走向工商业生产奠定了基础。这时，由指田年生创立的新生公司和日本众多的电子企业以及大量的研究所、大学开始对USM投入大量资金，USM的大规模工商产业化开发进入新的阶段。正因为大量的研发资金的涌入，USM的结构种类开始百花齐放，相应的电机控制系统和驱动系统也在开发出来。指田年生制造的振动片型

3 工商业应用阶段（20世纪80年代后）

1987年，经过新生公司的不懈努力，USM（行波形）获得了很大的突破，能够进行工商产业化生产了，佳能公司根据自己的需求，将这型USM安装进入自己开发的EOS照相机里的自动调教系统中[8]，自此USM正式步入商业化生产应用。日本USM的迅速崛起，将USM的光环带入全世界，全球各界开始注意到这种新型电机的发展前景，中美英法德各国在20世纪80年代开始，紧跟日本在USM上的先进步伐，在USM的产业化研究中投入巨大研发资金。到20世纪90年代，经过世界各国对USM的巨大研发投入，市场上开始涌现各种型号的USM：非接触式USM、微型USM、三自由度USM等等。超声波电机的研究开始进入新的时期，此时因为微型计算机的发展，使得USM的建模分析、驱动系统、控制系统的研究变得相对简便，更加加快了该领域专利的井喷式涌现。