日本超声电机的产业化,应用和发展

1、| 维普资讯 h ttp:/第19卷第I1999年0月Journal of VibrationMeasuremcni & DiagnosisV专家论坛*日本超声电机的产业化、应用和发展赵淳生.査朝东南京伉空航天大学超声电机研究中心 南,210016)MM 叙述了 口車翩声电机的产业忧现狀、皿用研究和新型超声电机的雄厲悄况.大最实例充分 迹明；日本超声电机茜术处于世界的前列.在逮牛技术顿找国与日本澗有很丸的差距.文中分 析了产生送个羞距的原® 并握出了迅連it端小这个差距前有效爲控.堆后总结出我風退'須蜒力 跟上世界趨声电机技术的发展歩伐，井且娶在短拥内达到与日半趨声电

2、机技术相同的水平的结 论._g声电国更缆电卑兰业化日車 中图分类号 TM356TM359, 6引書19&8年10月笔者出席了日本他舍市百开的L998IEEE國际超声学会仪，发表了题为记使 用棒形振子纵向和弯曲模态的大推力直线型超声电机的研究"的学术论文*为宴地了解日本超 声电机的研究和应用的韻新动态，在会议期间和会玫之后，笔者做了为期两周的参观考察，同 日本趙声电机学术界和产业界进行了广眨的接融，走访了东京大学(Th亡University of Tokyo)、东京工业大学(丁ohyo In&tflute of TecLnclogy) * 111形大学(Yamagata

3、 University 、愛 知工业大学Aichi lns>titu University).北大学(ToLok University)>东北工业大学(Ta boku Institute of Technology)等 6 腑高校和佳能(Canon Inc. 新生:工业公司(Shinsci Eo* )、精 匸公词 <S4?iko Instruments Inc.)、本參电子公司("Honda Electronics Co.)等 4 家企 业，这些商校和企业代表了当前日本超声电机的研究、产业和应用的实际水平。访问期间，同 上羽、富川、指田“内野、高野、铃木加藤、黑泽、

4、中村等一批从事超声电机研究的著名学者、教 授、专家进行了深人的文谈.对日本超声电机技术的产业化、应用和发展有了一个比较全面的 了解"1日本超声电机产业化的现状最近十年在H本超声电机已进人实用化的商业应用阶段，环形行波型和捧形行潑型电 0E自总科学基金资刚项目(编号搐盯750我匚牧笹巳期J卿庆0B酩*l齐动、测试与逡断第19卷机已大批量生产，最近再一种驻波型电机也投入批量生产。塊声电机实用化的范围.目前局限 于短时工作的、柄度高的以及应用于某种特定功能的机器或领域中n口本绘早开始超声电机产业化的是新生工业公司的指田年生(T.Sashida)先生。他从 1974年起就开展超声作动器的研究

5、“ 1981年在“日本第三届小型马达会円上，他宣布行波型超 丙电机在日車首次研制成功。此后他不断进行实用性开发于1胎6年实现了产品化“又经过 多年的提高性能和可靠性研究，已成功地开发出成本较低耳便于推广普及的产品。目前，新生 工业公司超声电机生产规模为20万台/年a新生工业公司已开发和应用的超声电机产品系列有：0列标准型、030标准型、町装入机 器的通用型、轿车头靠专用型、槻式屏幕自功开朋专埔型、超小型机器人专用型、超小型转台专 用型、单镇头相机自动聚焦专用型*核磁共JgtMRI-CT)专用型、帯编码器的高精度定位或速 度控制专用型、核电站细管修复专用型、不使用磁性材料的非磁型。据新生工业公司

6、1997年的统计齋料，超声电机在日本实际应用数量见表X为协调各企业超声电机的发展，日 本现已成立了妞声电机联堵会“联络会 锻员单隹有：佳能公司、新生工业公司* 精工公司、尼康公司.Fukoku公司、本 多电子公司、松下曜器产业公司等。日本超声电机生产技术水平垠高 的企业是隹能公司。该公司把超声电机 用于照相机的聚焦机构中已有10年的 业绩"现在已有37种埜号的照相机安应用领域应用救童/万台光学机器【黒相机尊)500轿车(座椅等20荊密机器(不表等30航空设备(05權处理等)1产业机器(XY定位仪、机芻人曙20住宅设冬(百叶窗、窗帘等2« I新生工业公祠19S7年的城计藪摇装

7、了超声电机.该公可投入近10亿日元建了一条趙声电机自动化生产线*每月能生产超声电 机20-40万台=超声电机以其髙精度和快速胸磁使得照相机快速聚憔成为可能.该公司便用的超声电机有两种：内径50 mm的圆环形行波电，如图1佃、所示；直径10 mtn的短柱形行波电机如图1(b)所示。前者能将镇 头等光学系统蚩于其中，实现快 速聚焦和低噪音工作后者采用 Langevin振子型结构大大改善 了工艺性*提高了可靠性'同时也 降低了成本。除隹能公司以夕卜尼康公冈 杓相机也釆用了超声电机。酉格 玛公可庄大口径望远镌上采用了 超声电机。精工公司开始进行超声电机(a)(b)图I佳能公司生产的用于照相机的

8、超声电机加开发是在19粛年，1991年安装了 01Q mni行波超声电机作为振动报时的指针式石英表在 世界各地出售*同时，该公司用两个超声电机直接駅动的机器人在精密工程学会竞赛中连续3 年取胜。为了降低成本、简化昭动电路昭年起精工公司开始发展驻波型单相驱动徽型超声| 维普资讯 h ttp:/1期赵厚生聲：日本超声电机的产业化、应用和枝展电机亠其中规格为08 mmX4,5 mm的超声电机用于手表振动报警，如图2")所示曲于超声 电机不带磁性它不会于扰手表指针的转动*从而不影有手表的准确性.以后瓦开发出直径仅 4.5 mm的超声电机用于手表口历盘的礎动如图朗时所示*该墜手表于1998年正

9、式投人批aCb)©2 精工公司生产的用于手衷的超芦电机量生产+月产如万个*除用于手表报警和自动日丹外* 该公可生产的微型翅声电机还可用 于手表时针和分针駆动、小型便携式 信息机器、检测仪器、医疗仪陆、电子 娱乐装置和繼型机器人等.本多电子公司生产的超声电机 用于粉料输送机匸5粗料输送机是利 用超声电机的椭岡运动原理，实现高 精度地定流量，定两种控制模式运送粉料该装置的夷岀优点是：定流u)超声电机安韭熬位(b座椅头靠调节裝置图3丰田仝司将超声电机用丁战车上的座椅吐幕量和定址容易精度奇、可远距离桂 制、自动运行和无噪音等.此外.丰田公司已在出口到美国 的汽车反光镜、方向盘和座椅头靠应 用

10、了超声电机匚图3为用于座椅头靠 妁超声电机及其装置"而且在该公司策划下T又新成立一家公司专门生产邦提拱丰田汽车所需的超声电机。现 在该公詞正在开始生产力矩为2 Nm的超声电机*将用于小轿车上窗门玻 璃的升降装置*2日本超声电机的应用研究由于超声电机具有许农独特的性能冷艮高的功率密度、低速大力矩、响应快控制性能好s 能断电自锁、与磁场无缘、噪声小等等。在日本除上述单位针对自己的应用领域將超声电机进 行产业化外*更审的单位正在进行超声电机的应用研穽.扩大超芮电机的应用领域，例如”爱知 工业大学加藤厚生(A.Kato)教授应用新生工业公司生产的URS-殆型趙声电机对人遗手进 行控制，如图4

11、所示"山形大学爲川文朗Y. Tomlkawa)教授将超声电机应用于微型机器人. 如图5所示.歩观访问时筆者看到-只要用手电简照射该机器人r通过光电转换就可以开动藏 在机器人内部的徹型超声电机，使机器人朝着电简照射的方向走来.东京工业大学精密与智能 实验室(Precision and Tnteliigenc亡Lab.；正把超声电机放在真空罩内做环境试验如图6盯所 示*其真空度有二种规格Fa.r10-EPa.此外.该实验室还对旋转型弼直线型趙声电 机做耐久性试验”据介绍一台纵扭复倉型超声电机的累积工作吋阖已枚达5 000 h_图积b|维普贽讯 nnp:4振动、测试与诊断笫19卷图4翅声电

12、机用于人造手的控制图$超声电机用于獄型扒器人(a>(b)图6东克工业大学对超声韭机做真空环境试蕴和耐久性试验为直线型超声电机带载荷耐久性试 验。从图上看出试验往复籾数已达 74 89Q Ut.特别值得提出的是，笔者看到一 份关于1991 1993年日本超声电机 应用专利统计表，共98项，涉及凤 朗、自动门、机器人、微动台、控制阀、 光偏向器、图像输人装置、指示装置、 X-Y定位仪、磯盘驱动装燮、家电产品等°选取1993年的一部分专利列董2期93年日本有关翅声电机应用专利统卄专利号超声电机的应用开盖应用公同4139机床的被加工物设置装置三菱庖丸公司33877切换阀岛津制作所381

13、71减速机构内置的超声电机东洋电机制造公司73145用超声电机的小型移动装置SEIKO电子工业公司126518懺动装置及其信息存储、读出装童Canon公司147821记录最输送輕置岛津制作所1841S5XYX作台装置奥林巴斯光学工业公司25S453桌面穽动装置Canon电子1公可278870媒体输送装置冲也气工业公司272038国编织机用圧电式选针装畫Work r>aia Service 公司275876怜却装置田14电机制件所2944SI图俾记录装負及其驱动系统SE1KL）埜司296227球牧毎的角度变換装置川埼直工业公司325475卡片型煤幷记录胖TDK公司340141移动机器人富士

14、通金司344763超高直空用超声电机驱动装量日本电子工程公冈i第1期赵淳生等：日本超声电机的产业化、旋用和发展53新型超声电机在日本的发展除了产业化和应用研究之外日本的另一于特点是*继续发展新型超声电机"（1）大力矩超声电机针对机器人的要求，日本正在研究大力矩趙声电机。在东京工业大学精密与智能实验室 （Precision and Intelligence Lab. >开发f 40 Nm的纵扭复合型超声电机叫 该实验室还在研 究力矩可达100 Nm的超声电机口据介绍研制大力矩超声电机的关谨在于找到较好的摩擦材 料和适合的预压韓簧。（2）（微）小型超声电机针对微型机械，日本正在开发

15、（微）小型超声电机。东京大学黑泽宴CM. Kurosawa）教授已 研制出旋转型微型超声电机其定子外径为L4 mm,内径1. 2 长5 mm. 6 厚的 PZT那膜用于滋发柱体的弯曲振动，转速为6&0 r/min,堵转力矩为乩7 Nm,疆动电压为20 弋十薄膜化的压电材料是邃电机的关键"（3）直线型超声电机针对计算机软盘、光盘和硬盘掘动装置，日本一醱大学里正在研究一种微型的、能精确控 制的（精度达微米或纳米级）直线型超声电机。图7为东北工业大学奇野刚浩（T. Takano）教授 正在调试的小型直线超声电机。该电机动子长约50 mm,宽15 mtn*厚6 mma无载荷速度达 2

16、6 cm/si位胃分辨力达1 pm,（4）声表面逋趨声电机声表面波（如Raykigh波）是在介质表层传播的一种离频波.其频率可达100 MHz以上。 由于压电装這的能量密度基本上是与其工作频率成正比，所以利用在髙频工柞的表面波来懺 直线型超声电机可以期望莪得优越的性能、如大的输朗力、高的速度、厘米级的畏行程、高的能 量密度、容易自锁和高的位移分辨率图8为东京大学黑泽实教授研制的直线型声表面披超声 电机。其动子尺寸为4 mm X4 mm < 0. 3 mm*工作频率为9. 6 MHz,振幅仅1020 nm*最大 速度6 7 nV最大推力0. 45 N,涉进运动分辨率为5 nmoU1 7 东

17、北工业大学正在研制的立线型电机K 8车崩大学正住研制的声表而波型直线电机<5）非接轴式趙声电机目前流行的超声电机都是依靠定子和转子之间的摩擦来获得力矩的"显然摩擦会使定子 和转子磨损*从而使超声电机的寿命受到限制°最近几年东京工业大学上羽贞行（S* Ueha）教 授和山形大学铃木胜义CKSuxukDifc授都在研究非'接触式超声电机。这种电机定子和转子不| 维普资讯 h ttp:/6垣动、剧试与谬斬第H卷直接接触它们之闾隔着层空气或是液体介质，目前这种电机已经能够旋转、力矩极小.运动 机拯衙待研究"圈9为山形尢学研制中的非接触式超声电机群。f站三自由

18、度超声电机通常的超声电机是一个自由度（旋转或平移儿针对机器人关节作爹自由度运动的需要*日 本已育些单位在研究多自由度或三自由度超声电机。图10为东泉工业大学精密与智能实验室 正在试验中的三自由度超声电机。® 9 山形大学止在研制中的图丨0 罪京工业大学1E在试螫屮的非桂融式趨声电机群三自由度谨转摩超声电机当然+随着这些新盘趙声电机的发展，电机的运动机理、数学模型、压电材斜和摩擦材料以 及控制技术的硏究*也都在平断深人之屮，这里就不掘述了.4加速发展我国的超声电机技术通过参观访问，笔者巳渭楚地看到匸无论是超声电机的产遊化十或是超声电机的应用研究、 还是赣型超声电机的发展.日本都处于世黑

19、领先地位H尽管我国从豹年代开怡就有一些单位 从事超声电机的研究.但至今我国和日本的差距仍然很犬.球近几年，我国从事超声电机研究 的单位越来越多个别单憧已有成功的产品甚至也开始在某些领域拭用，但仍未形成产业化. 未进入商业化应用问题究竟在專里?笔者认为：（1）超声电机的发展商未受到政时有关部门的重视，投资太少因而研究超声电机的力 量（包括人力、物力）单障7“）国内压电陶蹩酣摩擦林料性館尚不能达郅超声电机的要求.而且目前还没有专门研 究单位配合研究这些材料IU）各研究单位之间缺乏交流和沟通.分散箱为啟疽劳动.进展很慢：C41没有人开发直币市场°日本有关专家预言，汨世纪将足超芦电机广泛应用

20、的时代.口本正在实现一个雄心埶勃 的超声电机研究秫应用计划亠美国*德国、法国、英国等都不甘落后，他们已经或正在投人大批的人如物力幵发超声电 机*努为追赶日本超声电机技术.以美国为例仅Pennsylvania州立大学在1994-1998年投资 1*5亿美元从事超声电机研兖.早在1曲4年美国有关研究报吿就预计在不远的将来.超声| 维普资讯 h ttp:/第1期赵淳生筹，日本超声电机的产业化、应用和霍展电机將可能飆代全部的小型传统电机。美国年产翅声电机将达10亿台"事实上，这几年美国 的一些公司已开始批量生产趙声电机如Allid Signal公词批量生产旋转型超声电机供给美 国军方使用,A

21、nora3公司批董生产直线型斜声电机供给信息产业领载便用面对日本及全球蓬勃发展的超甫电机形势，我们不应消极等待着若干年后应用别国的产 品而应把握现在积极发展拥有自主知识产权的超声电机亠因为“世界上有些最先进的技术星 买不来的J我们应诔而且有能力、有基础赶上世界超声电机的发展步伐，跟踪这一世界先进科 技前沿大力发展我国的超声电机技术，迅速绸小与日本超声电机技术的差距犀快地开拓国 内超声电机应用市场，缎而打人国际市场.国家白然科学基金委员会十分敏锐地看到超声电机技术的发展和应用前景近几年来工 程和材料科整部、信息科学部都贸助了一些单位从事这 领域的研究“最近，国家自然科学基 金委员会工程和材料科学

22、部委托南京航空航天大学趙声电机研究中心发出通知；辂在今年5 月34日在南京航空朋天大学石开首次會国趙声电机技术研讨会占展示全国各单悅的研究 成果，交流工作经验，对我国发虚趙再电机"发表怠见和建血并为国家自然科学墓金委员会在 该领域资助策略的制定提供依据口届时来自全国该领域的专家、学者、教授和研究工作者将聚 集一堂广眨玄流，探入探讨，找出一条迅速发展我国超声电机技术的有敢途径-乘着会议的东 风我国趙声电机研究、发展和产业化必将出现新的起色呈现一个赫新的局面1參 雋 宜 就1 Tais ana- TTonsilsawa Y. Characteristics of a power srap

23、plyi ng device ussi 叫j flexural progressive waves in a Jo&sy uHrasan ic transmissnioTi floe lo 二 Pnxieeclingsj of World Co Tigress on U£trasoiiic3R Japan T J 997, 39 402 SaLlonobu JTTorii NNakajnura K et Const ruction ef megatarque hybrid transducer type ultrasonic eo- tor. Jpfir J< AppL Phys«1996ilSS ：5038 50413 Mot it a T> Kurosawa M Higuchi T- A micro ulfraonic motor fabricated by hydrothermAl method. 1998 IE EE loternE&tioaal Ultrasonics Sympoaiuni, Japao-r 19984 KarowA M »Chiba M ? Hiouchi T. EvAluafioEi ©f si surface acotistic w.iive motor with mu I ti