周铁英超声电机的发展与展望.docx
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周铁英超声电机的发展与展望
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[3]。
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%。
1.5
0.7
3.6
5.9
照相机
工业机器
医疗器械
汽车
22.6
住宅设备
其他
65.6
图11998年日本超声电机投放市场的分布图
如图1所示，日本用于照相机调焦的主要超声电机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.State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1991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
无负荷转数最大力矩额定转数额定力矩
（rpm）
250
150
200
140
140
110
300
150
（mN-m）
100
（rpm）
180
100
150
80
（mN-m）
50
南京航空航天大学
南京航空航天大学
东南大学
TRUM-30
TRUM-60
UMT30
UMT60
UMT30
UMT60
USR30
1200
100
500
60
东南大学
800
500
60
浙江大学
100
120
75
浙江大学
900
500
50
新生工业
100
250
100
新生工业
USR60
1000
500
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13Nm[13]。
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
名称
棒状
类型
主要特征（无负荷转数和最大力矩）
400rpm,300mN-m
模态回转型Φ10mm
行波型Φ100mm
驻波型Φ32mm
双转子Φ20mm
弹性鳍型Φ10mm
模态回转型Φ15mm
清华大学
环型
60rpm,4000mN-m
清华大学
纵扭型
圆柱型
圆柱型
杆型
60rpm,1600mN-m
扬州大学
220rpm,160mN-m
浙江大学
200rpm,8.2mN-m
南京航空航天大学
225rpm,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
35
30
25
20
15
10
5
系列1
0
年份
图2直径1mm弯曲模态超声电机：
32kHz,1800rpm,4μNm,350Vpp；8×0.8×4mm
切角方柱超声电机：
129kHz,2460rpm,
3.5μNm,65Vpp
图31.6×1.6×6.6mm3金属方柱压电片
复合超声电机：
90kHz,2100rpm,
60μNm,88Vpp
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[16]、转速达万转的棒板超声波电动机[17]、多自由度超声波电动机[18]、
以及直径100mm的行波电机最大力矩达到4Nm，直径30mm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10000rpm；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6SQUIGGLE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
螺母型）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。
螺母型超声电机性能如下：
电压20-40Vpp,工作频率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（μm）＜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7两种面内行波螺母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母型超声电机技术和
博立码杰（深圳）通讯公司开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，证明了螺母型超声电机的优越性。
表4各类调焦模组性能比较
AF模组
液体
AF＋变焦模组
压电式旋转
电机
性能/评分
音圈
电机
压电式
电磁/步进
螺母型超声电
机驱动一体化
模组
镜头
直线电机
电机
专有：
清华大学与
博立码杰合作
参数
模组整体尺寸
模组高度加分
可用于变焦加分
部件数目
小
中
否
少
8
3
0
8
中
中
否
少
6
4
0
8
小
低
否
少
8
5
0
8
大
高
5
3
5
5
小
高
9
3
5
9
最小
最低
可以
最少
10
5
可以
多
可以
少
5
10
可加工性加分
力矩/速度
定位精度
抗振性能加分
功耗
易
大
差
弱
高
5
9
难
小
2
6
较难
小
3
6
中
大
4
10
7
较难
中
3
7
易
大
5
8
5未知6≤10μm
8
10μm
尚可
高
≤1μm
好
10
5
1-2μm
好
9
2
4
弱
低
2
8
弱
2
3
5
最低
10
50
5
低
9
低
9
总评分
44
42
47
60
66
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，因此研发螺母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Wallaschek[24]，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）
80
70
60
50
40
30
20
10
0
年份-篇数
19941995199619971998199920002001200220032004200520062007
年份
表6国际刊物发表超声电机类论文的数量和趋势
600
500
400
300
200
100
年份-篇数
0
1995199619971998199920002001200220032004200520062007
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Ultrasonics,UFFC,VibrationandSound,Smart
MaterialsandStructures和JASA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（KenjiUchino）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,2005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（The3thInternationalWorkshopon
PiezoelectricMaterialsandApplicationsinActuators），报告了超声电机在中国的研发，获得国
际人士的赞赏，并争取到于2007年在中国南京举办了IWPMA4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（KenjiUchino），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MEMS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。
5.1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。
5.2超声电机发展方向
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0.8mm×0.8mm×4mm微型超声电机用于ＯＣＴ
窥镜，获得分辨率小于30μm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。
以日本佳能的摇头型超声电机为例，最初近2000日元/台，现在
200日元/台。
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，目前己经达到应用的阶段，工作频率l0-100MHz，体积
4mm×4mm×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℃至20℃，而冬季在南
极上空气温低至-100℃,平均大气压为5.6mbar（=560Pa）。
美国NASA和JPL对超声电机在
高/低温和真空环境下进行了大量的试验研究；日本Shinsei公司USR-30超声电机在-80℃和
25mTorr的环境条件下（Cryovacconditions）,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-40℃-100℃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
gvsNbz）s）Os-PbTi0s）做的小型直线压电低温超声电机,能在-200℃低温工作。
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
本工作是在国家自然科学基金NSFC：
50577035和10676015，和863-2006AA02Z472
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
[1]S.UehaandY.Tomikawa:
UltrasonicMoto
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