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超聲電機(jī)，超聲波電機(jī)的介紹

來源：整理 時間：2024-11-07 00:05:17 編輯：智能門戶 手機(jī)版

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1，超聲波電機(jī)的介紹

超聲波電動機(jī)(Ultrasonic Motor縮寫USM)是以超聲頻域的機(jī)械振動為驅(qū)動源的驅(qū)動器。

超聲波電機(jī)的介紹

2，超聲波電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

超聲波電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域可概括如下：1)航空航天領(lǐng)域航空航天器往往處在高真空、極端溫度、強(qiáng)輻射、無法有效潤滑等惡劣條件中，且對系統(tǒng)重量要求嚴(yán)苛，超聲馬達(dá)是其中驅(qū)動器的最佳選擇。2)精密儀器儀表電磁馬達(dá)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(dá)到很高定位精度，而超聲馬達(dá)可直接實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，且響應(yīng)快、控制特性好，可用于精密儀器儀表。3)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動用超聲電動機(jī)作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動器，可將關(guān)節(jié)的固定部分和運(yùn)動部分分別與超聲馬達(dá)的定、轉(zhuǎn)子作為一體，使整個機(jī)構(gòu)非常緊湊。日本開發(fā)出球型超聲電動機(jī)，為多自由度機(jī)器人的驅(qū)動解決了諸多的難題。4)微型機(jī)械技術(shù)中的微驅(qū)動器微型電機(jī)作為微型機(jī)械的核心，是微型機(jī)械發(fā)展水平的重要標(biāo)志。微電子機(jī)械系統(tǒng)(micro electronic mechanical systems，縮寫MEMS)的制造研發(fā)中，其電機(jī)多是毫米級的。醫(yī)療領(lǐng)域是微機(jī)械技術(shù)運(yùn)用最具代表性的領(lǐng)域之一，超聲電機(jī)在手術(shù)機(jī)器人和外科手術(shù)器械上已得到應(yīng)用。5)電磁干擾很強(qiáng)或不允許產(chǎn)生電磁干擾的場合在核磁共振環(huán)境下和磁懸浮列車運(yùn)行的條件下，電磁電機(jī)不能正常工作，超聲馬達(dá)卻能勝任。

超聲波電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

3，超聲波電機(jī)的超聲波電機(jī)原理

超聲波又稱為環(huán)形USM 它的結(jié)構(gòu)和原理 傳統(tǒng)的馬達(dá)都是基于電磁原理工作的，將電磁能量變換成轉(zhuǎn)動能量。而USM則是基于利用超聲波振動能量變換成轉(zhuǎn)動能量的全新原理來工作的。 根據(jù)將超聲波振動能量變換的方法來分，有三類USM： 1、駐波型(Standing Wave Type)； 2、行波型(Traveling Wave Type)； 3、振簧型(Vibrating Reed Type). Canon EF鏡頭中使用的USM，全部屬于行波型。 環(huán)形USM的結(jié)構(gòu)很簡單：由具有彈性的定子和轉(zhuǎn)子組成。 定子是一金屬環(huán)，底部有壓電陶瓷元件，上部均勻排列著梯形凸出物。 定子是用特殊材料制造的，它的熱膨脹系數(shù)同壓電陶瓷元件的一樣，這樣可以避免溫度變化的影響。 轉(zhuǎn)子是一個鋁質(zhì)環(huán)，通過凸緣狀彈簧與定子結(jié)合在一起。由于鋁材比較軟，所以結(jié)合部位是經(jīng)過特殊處理，增加其耐磨性能。 USM的基本特點(diǎn)： 1、具有低轉(zhuǎn)速大扭矩的輸出特性； 2、制動力矩大； 3、結(jié)構(gòu)簡單； 4、馬達(dá)啟動和制動的可控性非常好； 5、轉(zhuǎn)動聲音非常小，幾乎無聲。 Canon環(huán)形USM除具備上述基本特點(diǎn)外，自身的特點(diǎn)： 6、高效率，低功耗； 7、環(huán)形的馬達(dá)可以與鏡身完美地結(jié)合； 8、低轉(zhuǎn)速，特別適合鏡頭的AF驅(qū)動； 9、轉(zhuǎn)動速度可以在0.2rpm ~ 80rpm范圍內(nèi)任意控制； 10、可以實(shí)現(xiàn)靈敏度可調(diào)的電子MF； 11、工作環(huán)境溫度是：-30℃ ~ +60℃。 現(xiàn)在基本使用的是USM-M1和USM-L1，USM-L2已經(jīng)不再使用。

超聲波電機(jī)的超聲波電機(jī)原理

4，超聲電機(jī)的應(yīng)用前景

專家預(yù)言：21世紀(jì)將是超聲電機(jī)大放光芒的時代，超聲波電動機(jī)可廣泛應(yīng)用于OA、FA、照相機(jī)、攝像機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、汽車、家用電器等需要直接驅(qū)動的機(jī)構(gòu)中，它將有可能部分取代微型電機(jī)。自1960年前蘇聯(lián)一位科學(xué)家提出超聲波電動機(jī)的設(shè)想以來，前西德西門子公司、AEG公司、日本松下電器工業(yè)公司、日立萬勝公司、新生工業(yè)公司都在進(jìn)行開發(fā)工作，并達(dá)到了商品化開發(fā)程度?？梢灶A(yù)計：在21世紀(jì)，為了發(fā)展我國人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)、機(jī)器人、微型機(jī)械、汽車、磁浮列車以及其他精密儀器，將需要大量的、高性能的超聲電機(jī)。超聲電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，必將對我國國防和其他國民經(jīng)濟(jì)各部門起著重大作用，例如：● 21世紀(jì)，航空航天是我國重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一。從國外的應(yīng)用的情況看，它必將應(yīng)用超聲電機(jī)。如納米衛(wèi)星、微型飛機(jī)、宇宙飛船和空間探測器等，應(yīng)用超聲電機(jī)，可以減少其重量，增強(qiáng)其可控性；● 機(jī)器人和微型機(jī)械，也是我國21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一。超聲電機(jī)可以使機(jī)器人和微型機(jī)械簡化結(jié)構(gòu)，減輕重量，增強(qiáng)其可控性。隨著超聲電機(jī)的微型化，微型機(jī)械可進(jìn)入人體，如作為人造心臟的驅(qū)動器，它將會大大推動人造器官的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；● 21世紀(jì)，我國將要大力發(fā)展磁浮列車。磁浮列車上的強(qiáng)磁場干擾，使得在磁浮列車上的傳統(tǒng)的電磁電機(jī)工作失效，超聲電機(jī)將大有可為；● 未來豪華轎車上的電機(jī)之多可達(dá)80個，使汽車體積增加，電磁干擾增強(qiáng)。應(yīng)用超聲電機(jī)，由于不需齒輪箱從而大大降低其體積；由于超聲電機(jī)不產(chǎn)生磁場而使汽車的電磁兼容性得到大大改善。汽車上的中央門鎖、門窗玻璃的升降，前視鏡和雨刮器等，均可用超聲電機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁電機(jī)；● 隨著掌上計算機(jī)，可視電話電視、手提式儀器等的發(fā)展，微型超聲電機(jī)將可得到廣泛應(yīng)用。超聲電機(jī)將使這些微型儀器降低重量和體積，減少其能量損耗；● 超聲電機(jī)的位置定位精度很高，直線分辨率可達(dá)納米級，旋轉(zhuǎn)分辨率可達(dá)角秒級。超聲電機(jī)將會在一些精密儀器、醫(yī)療設(shè)備以及半導(dǎo)體制造技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用?！?超聲電機(jī)的響應(yīng)速度快，達(dá)到ms級。往復(fù)響應(yīng)頻率能夠達(dá)到1KHz / ° 以上。再結(jié)合角秒級的角分辨率，能夠在航空航天等高科技領(lǐng)域，用來實(shí)現(xiàn)快速掃描、凝視和多目標(biāo)定位、動態(tài)開度控制等等。

5，超聲電機(jī)的應(yīng)用

超聲電機(jī)作為一種新型的微電機(jī)，在轎車電器、辦公自動化設(shè)備、精密儀器儀表、計算機(jī)、工業(yè)控制系統(tǒng)航空航天、智能機(jī)器人等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)超聲波電機(jī)的研究成果，目前國外已經(jīng)成功應(yīng)用于照相機(jī)的自動焦距裝置、傳送裝置、自動升降裝置、精密繪圖儀、微機(jī)械驅(qū)動器等領(lǐng)域。（1）光學(xué)機(jī)器超聲波電機(jī)在照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡等光學(xué)儀器的聚焦系統(tǒng)中作為驅(qū)動原件，能獲得很滿意的效果。接觸式USM具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，在許多應(yīng)用場合中可免去減速裝置直接驅(qū)動。最典型的應(yīng)用于照相機(jī)的自動焦距鏡頭中，與采用傳統(tǒng)電機(jī)鏡頭相比，具有安靜、無電磁噪聲；定位精度高；調(diào)焦時間短；無齒輪減速、機(jī)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)顯微鏡，自動焦距，顯微定位，微納米計算尺，LCD等顯示平板的生產(chǎn)測試檢查，晶片檢查定位，消除振動系統(tǒng)，天文觀測儀器，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，微型掃描儀，基因處理，微型手術(shù)，光學(xué)鏡面調(diào)整等都應(yīng)用了超聲波電機(jī)。（2）汽車超聲波電機(jī)用于汽車車窗的驅(qū)動裝置中，可使它體積扁小、低速時具有大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮得淋漓盡致。它還可用于磁懸浮列車上，為使列車懸浮于軌道上，使通過軌道上線圈的超導(dǎo)電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場，需要大力矩和控制性能良好的驅(qū)動器，這對于USM來說是最適合的。(3)航天中的運(yùn)用電機(jī)在低溫和真空條件下的運(yùn)行特性對航空航天的發(fā)展是極為重要的。超聲波電機(jī)具有的結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、不受磁場干擾、真空下無需潤滑油的優(yōu)點(diǎn)，是電磁電機(jī)在航空航天領(lǐng)域所不具有的。1995年末，美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室首次將直線超聲波電機(jī)用于多功能爬行系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于航天飛船外艙壁的檢查，其承載重量與自重比達(dá)10：1。利用其低速大力矩和高精度等特點(diǎn)，NASA將其用于火星探測器的輕量機(jī)械臂上，采用超聲波電機(jī)取代有刷直流電機(jī)后，Mars ArmⅡ結(jié)構(gòu)雖與Mars ArmⅠ相似，但重量減輕了40%，其主要原因是用超聲波電機(jī)能直接驅(qū)動，另外還可大大縮小工作空間，如NASA的Calileo航天器上的濾波齒輪(Filter wheel)在使用超聲波電機(jī)前后的尺寸縮小了4倍。利用其驅(qū)動方式靈活的特點(diǎn)，日本宇宙研究所研制了兩種直線超聲波電機(jī)用于空間伸展結(jié)構(gòu)的伸展和收縮。利用超聲波電機(jī)的響應(yīng)快等特點(diǎn)，美國和法國用于導(dǎo)彈的測控系統(tǒng)；利用結(jié)構(gòu)簡單可微型化的特點(diǎn)，日本研制微型超聲波電機(jī)用于微衛(wèi)星等領(lǐng)域。此外，日本和美國等國家正在進(jìn)行超聲波電機(jī)的各種研究，用于航天等軍事領(lǐng)域。由此可見，超聲波電機(jī)以其高轉(zhuǎn)矩重量比、快速響應(yīng)、高精度和斷電自鎖等特點(diǎn)、將在航天航空等軍工領(lǐng)域中受到愈來愈大的重視。(4)工業(yè)機(jī)床中的應(yīng)用由于超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)剛度大、定位精度高，它可用于工具驅(qū)動與控制裝置以及工件的定點(diǎn)傳輸。如機(jī)床的精密進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀具的磨損調(diào)度裝置、微細(xì)電火花機(jī)的加工裝置、工件準(zhǔn)確定位與裝夾、縮緊裝置及夾具的快速調(diào)整。(5)醫(yī)療與生物學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用生物材料微型操作器、計量設(shè)備、微型噴嘴、沖擊發(fā)生器、腎結(jié)石破碎治療機(jī)、氣管超聲掃描器。許多科學(xué)儀器，醫(yī)療器械會產(chǎn)生強(qiáng)磁場或者對電磁場干擾具有嚴(yán)格的要求，而超聲波電機(jī)能避免這些問題，所以可以用于核磁共振環(huán)境下設(shè)備的驅(qū)動。(6)民用產(chǎn)品的應(yīng)用首先由于超聲電機(jī)的安靜、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可用于壓縮機(jī)的使用上，在家電領(lǐng)域具有廣泛的用途；傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動由于在中間環(huán)節(jié)，不可避免的存在累計誤差，而超聲波電機(jī)控制性能好，體積小，可用于精密控制，如電子手表；同時利用其控制精度高的特點(diǎn)，可用于IC、LSI等數(shù)控機(jī)器，印刷線路板加工、檢測，晶片遇見排列、焊接、封裝，半導(dǎo)體片等精密沖載。環(huán)狀壓電機(jī)可用于樓宇窗簾的自動開閉。 應(yīng)用領(lǐng)域 舉例說明 光學(xué)儀器 照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡 汽車 座椅調(diào)節(jié)電機(jī)、頭靠調(diào)節(jié)電機(jī)、自動天線電機(jī)、自動門鎖電機(jī)、自動窗電機(jī)、頂板調(diào)節(jié)電機(jī)、計價器電機(jī)、電子反光鏡等 航空航天 飛機(jī)飛艇等 工業(yè)控制 鏜床、磨床、機(jī)器人等 醫(yī)療器械等 生物材料微型操作器、計量設(shè)備、微型噴嘴、沖擊發(fā)生器、腎結(jié)石破碎治療機(jī)、器官超聲掃描器 民用產(chǎn)品 壓縮機(jī)、電子手表、IC、LSI等數(shù)控機(jī)器、印刷線路加工、檢測器、晶片元件、半導(dǎo)體片、窗簾自動器

6，為什么超聲電機(jī)的成本高

本來制造成本都是差不多的，因?yàn)椴牧舷牟畈欢?，畢竟壓電陶瓷和銅線的成本不相上下，但是超聲電機(jī)行業(yè)面窄，用量少，銷量小，因此成本就高。
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超聲電機(jī)作為一種新型的微電機(jī)，在轎車電器、辦公自動化設(shè)備、精密儀器儀表、計算機(jī)、工業(yè)控制系統(tǒng)航空航天、智能機(jī)器人等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)超聲波電機(jī)的研究成果，目前國外已經(jīng)成功應(yīng)用于照相機(jī)的自動焦距裝置、傳送裝置、自動升降裝置、精密繪圖儀、微機(jī)械驅(qū)動器等領(lǐng)域。（1）光學(xué)機(jī)器超聲波電機(jī)在照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡等光學(xué)儀器的聚焦系統(tǒng)中作為驅(qū)動原件，能獲得很滿意的效果。接觸式usm具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，在許多應(yīng)用場合中可免去減速裝置直接驅(qū)動。最典型的應(yīng)用于照相機(jī)的自動焦距鏡頭中，與采用傳統(tǒng)電機(jī)鏡頭相比，具有安靜、無電磁噪聲；定位精度高；調(diào)焦時間短；無齒輪減速、機(jī)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)顯微鏡，自動焦距，顯微定位，微納米計算尺，lcd等顯示平板的生產(chǎn)測試檢查，晶片檢查定位，消除振動系統(tǒng)，天文觀測儀器，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，微型掃描儀，基因處理，微型手術(shù)，光學(xué)鏡面調(diào)整等都應(yīng)用了超聲波電機(jī)。（2）汽車超聲波電機(jī)用于汽車車窗的驅(qū)動裝置中，可使它體積扁小、低速時具有大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮得淋漓盡致。它還可用于磁懸浮列車上，為使列車懸浮于軌道上，使通過軌道上線圈的超導(dǎo)電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場，需要大力矩和控制性能良好的驅(qū)動器，這對于usm來說是最適合的。(3)航天中的運(yùn)用電機(jī)在低溫和真空條件下的運(yùn)行特性對航空航天的發(fā)展是極為重要的。超聲波電機(jī)具有的結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、不受磁場干擾、真空下無需潤滑油的優(yōu)點(diǎn)，是電磁電機(jī)在航空航天領(lǐng)域所不具有的。1995年末，美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室首次將直線超聲波電機(jī)用于多功能爬行系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于航天飛船外艙壁的檢查，其承載重量與自重比達(dá)10：1。利用其低速大力矩和高精度等特點(diǎn)，nasa將其用于火星探測器的輕量機(jī)械臂上，采用超聲波電機(jī)取代有刷直流電機(jī)后，mars armⅱ結(jié)構(gòu)雖與mars armⅰ相似，但重量減輕了40%，其主要原因是用超聲波電機(jī)能直接驅(qū)動，另外還可大大縮小工作空間，如nasa的calileo航天器上的濾波齒輪(filter wheel)在使用超聲波電機(jī)前后的尺寸縮小了4倍。利用其驅(qū)動方式靈活的特點(diǎn)，日本宇宙研究所研制了兩種直線超聲波電機(jī)用于空間伸展結(jié)構(gòu)的伸展和收縮。利用超聲波電機(jī)的響應(yīng)快等特點(diǎn)，美國和法國用于導(dǎo)彈的測控系統(tǒng)；利用結(jié)構(gòu)簡單可微型化的特點(diǎn)，日本研制微型超聲波電機(jī)用于微衛(wèi)星等領(lǐng)域。此外，日本和美國等國家正在進(jìn)行超聲波電機(jī)的各種研究，用于航天等軍事領(lǐng)域。由此可見，超聲波電機(jī)以其高轉(zhuǎn)矩重量比、快速響應(yīng)、高精度和斷電自鎖等特點(diǎn)、將在航天航空等軍工領(lǐng)域中受到愈來愈大的重視。(4)工業(yè)機(jī)床中的應(yīng)用由于超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)剛度大、定位精度高，它可用于工具驅(qū)動與控制裝置以及工件的定點(diǎn)傳輸。如機(jī)床的精密進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀具的磨損調(diào)度裝置、微細(xì)電火花機(jī)的加工裝置、工件準(zhǔn)確定位與裝夾、縮緊裝置及夾具的快速調(diào)整。(5)醫(yī)療與生物學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用生物材料微型操作器、計量設(shè)備、微型噴嘴、沖擊發(fā)生器、腎結(jié)石破碎治療機(jī)、氣管超聲掃描器。許多科學(xué)儀器，醫(yī)療器械會產(chǎn)生強(qiáng)磁場或者對電磁場干擾具有嚴(yán)格的要求，而超聲波電機(jī)能避免這些問題，所以可以用于核磁共振環(huán)境下設(shè)備的驅(qū)動。(6)民用產(chǎn)品的應(yīng)用首先由于超聲電機(jī)的安靜、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可用于壓縮機(jī)的使用上，在家電領(lǐng)域具有廣泛的用途；傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動由于在中間環(huán)節(jié)，不可避免的存在累計誤差，而超聲波電機(jī)控制性能好，體積小，可用于精密控制，如電子手表；同時利用其控制精度高的特點(diǎn)，可用于ic、lsi等數(shù)控機(jī)器，印刷線路板加工、檢測，晶片遇見排列、焊接、封裝，半導(dǎo)體片等精密沖載。環(huán)狀壓電機(jī)可用于樓宇窗簾的自動開閉。 應(yīng)用領(lǐng)域 舉例說明 光學(xué)儀器 照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡 汽車 座椅調(diào)節(jié)電機(jī)、頭靠調(diào)節(jié)電機(jī)、自動天線電機(jī)、自動門鎖電機(jī)、自動窗電機(jī)、頂板調(diào)節(jié)電機(jī)、計價器電機(jī)、電子反光鏡等 航空航天 飛機(jī)飛艇等 工業(yè)控制 鏜床、磨床、機(jī)器人等 醫(yī)療器械等 生物材料微型操作器、計量設(shè)備、微型噴嘴、沖擊發(fā)生器、腎結(jié)石破碎治療機(jī)、器官超聲掃描器 民用產(chǎn)品 壓縮機(jī)、電子手表、ic、lsi等數(shù)控機(jī)器、印刷線路加工、檢測器、晶片元件、半導(dǎo)體片、窗簾自動器
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