随着新材料、新工艺和新型结构的出现，超声波电机的结构与性能逐步完善，其技术应用范围也在持续扩大，尤其在高端装备领域表现显著。本文针对超声波电机的应用现状与前沿研究进展进行综述，系统归纳并分类整理了当前应用状况及前沿研究动态，包括超声波电机在航空航天、精密仪器、生物医学及光学工程等领域的应用实践， 富联娱乐。以及先进加工制备技术、结构功能一体化技术、低压驱动与开环控制系统等突破对超声波电机设计产生的影响。此外，本文对比分析了采用超声波电机技术开发的产品性能与代表性装置，并对当前先进超声波电机设计方案展开探讨与总结。最后，对未来的研究方向与发展前景进行了展望。

　　超声波电机利用压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制机械形变产生旋转或线性运动。近年来，此类装置的研究与应用发展迅速，已在飞机舵机作动、探测器驱动、基于纳米操纵的细胞注射、光学扫描及精密平台驱动等领域实现应用。该技术具有结构紧凑、定位精度高、响应速度快、行程范围大等特点，其快速响应、无磁性、低速大转矩、高分辨率、断电自锁和宽工作行程等优势，使这种新型超声波电机展现出显著特性。

　　因此，诸如更为成熟的新型微型特种电机等衍生装置，已在众多工程领域获得广泛应用。随着多层压电陶瓷制备技术、微机电系统微加工技术及3D打印增材制造等新技术、新材料和新结构的出现，超声波电机技术有望实现新的突破与发展。

　　目前这些优势使超声波电机在需要小体积、高定位精度与高转矩协同作用的高端市场领域，成功与传统电磁解决方案展开竞争。由于无需减速机构，超声波电机整体重量更轻、功能密度更高、结构更紧凑，因此在微型飞行器应用中逐步取代传统电磁电机。此外，在对复杂严苛环境稳定性与可靠性要求极高的航空航天领域，超声波电机的应用日益广泛。特别是在精密驱动平台、生物医学工程及光学工程领域，这些应用均要求高位移分辨率、精确定位与快速响应，具备上述特性的超声波电机已在这些领域获得广泛开发与成功应用。

　　此外，超声波电机具备无电磁干扰的特性，在医疗设备、光学相干断层扫描成像、磁共振成像、高端定位平台等先进设备领域受到青睐。

　　随着微加工技术、3D打印技术的发展和新型材料的广泛应用，超声波电机的制备加工技术获得了新的发展动力，一些长期存在的技术难题得到解决。例如，采用3D打印技术加工不规则压电聚合物复合结构以提高振动效率；利用新材料可开发绝缘轻量化非金属基板超声波电机。同时，超声波电机的快速发展也推动了压电驱动技术的进步。通过构建结构驱动功能一体化系统，可显著减小系统结构尺寸，充分发挥压电驱动器的优势。这种技术在全开放空间作动器及机器人关节等领域具有多样化需求。

　　随着多层压电陶瓷制备技术的提升，超声波电机低压驱动技术逐渐成为研究热点。近期在超声波电机开环控制技术方面取得突破，这对细胞切片作动器、耳科手术设备及磁兼容触觉接口等难以实现闭环控制的应用场景具有重要意义。

　　本文系统综述了超声波电机在航空航天、光学工程、生物医学及精密工程领域的应用，探讨了新材料新技术带来的技术突破及相应问题，最后对未来潜在研究方向进行展望。

　　与电磁电机相比，超声波电机更能适应昼夜温差、太阳地磁风暴效应及高辐射环境，在相同尺寸和功率密度条件下表现出显著优势。此外，超声波电机结构紧凑、灵活可靠、易于小型化，可有效减小探测器体积，这些特性使其成为飞行器的理想选择。

　　在国防高级研究计划局/空军研究实验室/国家航空航天管理局智能机翼计划的第二阶段测试中，研发了一种由柔性中心与弹性外层构成的装置，该装置采用大功率行波旋转超声波电机驱动。其紧凑结构使其能更简便地集成到30%风洞模型的有限空间内。在此期间，Tekceleo公司针对不同扭矩/转速需求开发了多种超声波电机，具体参数见表1。

　　国防高级研究计划局于1992年首次提出微型飞行器的概念。基于仿生学原理的扑翼式微型飞行器能够实现高效率与灵活性的最优结合。研究人员开发出由四台微型驻波超声波电机驱动的扑翼式微型飞行器，其重量仅0.13克。该超声波电机采用一阶纵向振动与三阶弯曲振动复合，在驱动端形成椭圆运动轨迹。尽管其功率容量尚未满足独立悬停要求，仍被成功用作微型飞行器的作动器，具体结构见图1与图2。

　　图1 微型飞行器用超声波电机：(a)微型飞行器外观；(b)微型飞行器内部结构

　　图2 研究人员提出的扑翼微型飞行器：(a)换能器配置；(b)拉伸振动模式；(c)弯曲振动模式；(d)控制原理电压施加示意图。

　　超声波电机已在美国航天器中得到实际应用。例如火星微型着陆器采用的超声波电机由喷气推进实验室与麻省理工学院联合研制。美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心专门开发了三种环型行波超声波电机，直径分别为1.1英寸、2.5英寸和2.8英寸，用于空间机器人微操作器，展现出卓越的稳定性与可靠性。

　　东莞市富临塑胶原料有限公司是Tekceleo中国独家代理商，为中国客户提供Micronice雾化器、Wavelling压电电机。

　　中国航天科技集团设计的嫦娥三号探测器与嫦娥四号月球探测器分别于2013年12月和2019年1月成功登月。行波旋转超声波电机被成功应用于这两个月球探测器，用于控制光谱仪开关。该电机转速达40转/分钟，电流响应时间1-30毫秒，关机响应时间0.1-1毫秒，重量仅为传统电机的十分之一。月球探测器用超声波电机实物见图3。

　　超声波电机在精密工程领域发挥着重要作用，包括基于纳米操纵的细胞注射、基于纳米运动的微扫描与卫星姿态调整、基于微纳加工的光栅与微电子机械系统制造等。这些应用要求装置具有结构紧凑、定位精确、响应速度快及行程范围大等特性。相较于其他形式的压电作动器，超声波电机是实现稳定长行程精密运动的理想控制器之一。

　　研究人员设计出采用5毫米直径压电陶瓷管的三自由度作动器（图4a），其XY输出驱动扭矩为3.6微牛·米，运动速度达21.8转/秒。另有学者提出单自由度压电微定位旋转台（图4b），该旋转台顺时针与逆时针方向平均分辨率分别为0.25微弧度和0.26微弧度。还有研究人员开发出可在谐振模式（交流信号驱动）与非谐振模式（直流信号驱动）下工作的压电作动器（图4c）。其中交流谐振工作模式采用两种谐振弯曲振动混合产生高速大行程线性运动，而直流非谐振工作模式则利用静态水平弯曲运动实现微米级行程、纳米级分辨率的线 精密运动平台用超声波电机：(a)原型电机结构；(b)微定位旋转平台结构；(c)所提出的作动器结构。

　　德国PI公司为精密运动平台设计的PILine®超声波电机（图5a），采用复合振动模式在耦合元件中产生椭圆运动，可实现线性或旋转驱动。New Scale公司研制出全球最小商用直线电机SQUIGGLE（图5b），该电机利用两个正交弯曲振动在截面耦合形成椭圆运动，驱动中间螺杆旋转，通过螺纹将旋转运动转化为线毫米/秒线速度输出，可直接驱动精密微平台（图5c）。

　　图5 精密运动平台用商用超声波电机：(a)PILine®超声波电机结构；(b)SQUIGGLE电机结构；(c)M3-LS-3.4直线平台结构）。

　　某公司采用弯曲振动与纵向振动耦合的超声波电机驱动直线a）。这些平台提供多种宽度与行程长度选择，可组合成X/Y、X/Y/Z或其他多轴配置。精密平台的重复定位精度可达50纳米，其中FB050直线b。部分商用平台具体参数见表2。

　　图6 Nanomotion公司精密平台用商用超声波电机：(a)精密平台超声波电机；(b)FB050直线 部分商用平台具体参数

　　超声波电机具有低速大转矩、高功率密度、快速响应、无电磁干扰及良好磁场适应性等优势，使其特别适用于生物医学领域。磁共振兼容设备需在静磁场环境中工作，要求设备不产生电磁干扰，因此传统电磁电机无法适用。目前各类磁共振成像兼容设备均采用超声波电机驱动，因其完全不会干扰成像过程。

　　研究人员将超声波电机应用于磁共振设备，显著降低了几何畸变（图7）。另有学者采用超声波电机驱动缆线传输系统，开发出满足磁共振兼容性要求的尼龙材质机器人样机。

　　许多手术设备对精度与响应速度要求极高。超声波电机因其高精度与快速响应特性，已逐步应用于手术设备（图8）。例如高精度超声波电机平台被用于耳科手术设备，其最小增量位移达0.3微米，最高速度与行程范围分别为250毫米/秒和19毫米。研究人员采用螺纹杆式直线超声波电机研制出高精度流量控制器（图8b），该电机在4.7特斯拉磁场强度的核磁共振成像环境实验中展现出显著优势。

　　图8 超声波电机在手术设备中的应用：(a)研究人员提出的中耳炎治疗装置；(b)研究人员提出的基于超声波电机的输液系统。

　　超声波电机在光电领域展现出巨大应用潜力（图9）。例如激光-光纤与光纤-光纤对准是光学封装中的核心问题，通常需要采用高精度结构与定位系统来解决。超声波电机因其快速响应、高精度、高功率重量比、无磁干扰及更小封装尺寸等优势，特别适用于解决此类问题。光学相干层析技术在生物医学领域具有广泛应用前景，但微电机制造难度使得探头小型化成为重大挑战。超声波电机凭借其小型化优势，适用于内窥镜微探头（图10a）。

　　图9 (a)研究人员提出的原型对准封装结构；(b)研究人员提出的陀螺稳定平台。

　　图10 (a)研究人员提出的超声波电机定子结构；(b)研究人员提出的OCT用Squiggle超声波电机；(c)研究人员提出的OCT用微型空心超声波电机。

　　研究人员开发出由四块压电板与螺纹金属管组成的Squiggle超声波电机（图10b），测试中转速设置为2转/秒，驱动电压约25V。另有学者提出配备微型空心超声波电机的内窥镜OCT探头，该电机可旋转物镜并提供光纤通道，实现360度无障碍环周扫描（图10c）。该探头外径仅1.5毫米，对于远端扫描内窥镜OCT的电动探头而言极为微小。在7V均方根驱动电压和3mA电流下，电机扭矩为4微牛·米时转速达2000转/分钟；在1.6V均方根电压下可实现2帧/秒的低扫描速度。

　　超声波电机在摄像系统中也发挥着关键作用。研究人员将球形超声波电机应用于管道检测机器人的摄像作动器（图11a），确保检测机器人可插入内径50毫米的管道。另有团队将螺母型超声波电机用于手机自动对焦模块（图11b），其中定子为内表面带螺纹的螺母形金属管，外表面贴附八块陶瓷板。电机轴向运动速度0.5-1毫米/秒，驱动力约50毫牛，响应时间小于10毫秒。

　　图11 (a)研究人员提出的搭载摄像头的管道检测机器人；(b)研究人员提出的螺母型直线超声波电机。

　　为满足多样化应用需求，超声波电机正朝着轻量化、微型化、精密化与高效化方向发展。新型结构与材料的超声波电机不断涌现，精密加工、微加工等先进制造技术为其发展提供了有力支撑。2018年，研究人员提出采用块状锆钛酸铅材料制备的毫米级行波超声旋转电机（图12），该电机可实现双向旋转运动与可控调速。基于横向叉指电极均质PZT片的微粉爆破技术，电机定子采用简易制造工艺实现弯曲模态驱动，其突出特点是通过施加法向载荷增强定转子间摩擦耦合，同时避免转子与其他静止部件产生过度阻力。

　　另有团队采用薄膜锆钛酸铅与MEMS加工技术，提出具有双向控制功能的毫米级行波超声波电机（图13a），通过切换相位偏移可实现旋转方向切换。在10V驱动电压（2000转/分钟）下测得方向切换时间不超过30毫秒。利用PZT薄膜的印刻特性增强电机性能，使启动电压降至4V以下。同时研制出直径2毫米、转速达1730转/分钟的微型电机（图13b）。微加工技术在制备微型超声波电机方面潜力巨大，但仍存在工艺相对复杂、可用材料有限及加工尺寸受限等不足，限制了其在大功率电机中的应用。

　　图13 (a)研究人员提出的毫米级行波超声波电机旋转结构；(b)研究人员提出的高性能毫米级行波超声波电机旋转结构。

　　轻量化大功率作动器对机械系统具有重要价值。金属材料虽可使超声波电机具备高功率与推力，但会带来较大重量。采用低密度与优异机械性能的材料是应对该挑战的有效途径。具有优异加工性与耐磨特性的功能聚合物作为振动体材料，可实现超声波电机轻量化。研究人员首次开展聚合物超声波电机可行性研究，开发出PPS/氧化铝/PZT三层结构振动器作为超声波电机核心部件（图14a）。该三层结构电机最大输出扭矩15.2毫牛·米，最大功率39.3毫瓦，分别是纯聚合物电机的5倍和13倍，这得益于增强的力系数与机电耦合系数。研究表明聚合物基行波超声波电机可实现轻量化，并能在金属腐蚀环境中工作。此外，学者们设计了PPS基双模态超声波电机，在350V峰峰值电压下可实现207转/分钟最大空载转速与2毫牛·米最大扭矩。虽然聚合物基电机的振动速度与金属基相当，但由于聚合物振动体机电耦合系数较低，其输出功率值仍偏小。另有研究提出金属/聚合物基材料复合定子的行波超声波电机（图14b），在齿厚4毫米、预压100牛、扭矩0.3牛·米条件下，最高效率可达5.5%。

　　图14 (a)研究人员提出的PPS/氧化铝/PZT三层定子行波超声波电机；(b)研究人员提出的金属/聚合物基材料复合定子行波超声波电机。

　　除优异的物理特性外，聚合物材料易于加工的特性也使其在超声波电机领域具有应用价值。通过注塑成型工艺可直接制造聚合物振动体，替代传统机械加工，有效提升超声波电机的生产效率。此外，得益于较低的熔点，聚合物电机可采用3D打印技术制造，这不仅能提升复杂结构电机的加工效率，还能突破传统形状限制，通过结构优化进一步提升输出特性。

　　作为压电驱动领域的重要分支，超声波电机技术的快速发展为压电驱动提供了新的可能性。超声波电机具有结构简单、直接驱动、无制动装置及无轴承机构等优势，这些特点有助于实现结构微型化，其中结构功能一体化是压电驱动技术的重要发展方向。

　　研究人员提出一种新型直线），应用于智能引信安全系统中。该作动器的滑块与定子均设有通孔，共同构成引信安全系统的点火通道。当滑块与定子通孔初始位置错开时，系统处于安全状态；当两者通孔对齐时，则进入解除保险状态。

　　另有学者利用连接环梁的纵向振动激发三阶平面行波，通过与作动器结合驱动轨道运动。两个作动器可构成履带式车辆结构（图16a）。还有研究采用夹心式换能器，通过梁的纵向与弯曲振动在环两端激发同向四阶面内行波（图16b）。

　　图16 (a)研究人员提出的履带式车辆结构；(b)研究人员提出的夹心式行波压电履带移动系统。

　　基于压电作动器的环（关节）-梁（臂）单元被提出（图17a），该结构具有二自由度三臂原型关节机构。另一种单模态压电作动器由三个压电作动器通过两个关节连接构成（图17b），其手指尺寸约为人类中指的1.5倍，重量仅0.11千克。

　　图17 (a)研究人员提出的环(关节)-梁(臂)单元；(b)研究人员提出的双关节压电驱动机械手指。

　　低压驱动超声波电机技术主要依靠多层压电陶瓷或MEMS加工技术实现。美国公司采用1973年提出的Barth结构，结合多层压电陶瓷技术，成功实现Elliptec电机（图18）的工业化规模生产。该电机通过改变激励频率和采用不同谐振模式实现正反转，具有稳定可靠的性能，已广泛应用于光学精密旋转定位平台。整个电机仅需5V驱动电压，可集成于小型电路板。

　　图18 Thorlab公司生产的Elliptec压电电机基于Barth结构，研究人员提出多种旋转与直线超声波电机设计方案（图19）。其中采用EBM技术设计的钛合金变幅杆结构（图19a），可通过控制不同位置变幅杆实现直线与旋转运动：激活右侧变幅杆对驱动滑块左移，激活左侧则使滑块右移（图19b）；驱动顶板变幅杆谐振可使转子顺时针旋转，驱动底板变幅杆则实现逆时针旋转（图19c）。此外还可通过直流电压驱动非工作板的多层压电陶瓷来减小摩擦。图19d展示了一种三正交轴旋转电机，这种设计既适用于电子相机或小型飞行仪器等微型系统，也可用于驱动巡视器车轮或仪器展开装置关节等大型结构。

　　图19 研究人员提出的多种超声波电机类型：(a)柔性变幅杆结构；(b)直线型超声波电机；(c)旋转型超声波电机；(d)三轴旋转超声波电机。

　　除Barth结构外，研究者还提出由12个多层压电陶瓷和柔性超声变幅杆驱动的行波旋转超声波电机（图20a），其振动模式从单层压电陶瓷的圆极化转变为点激励，显著降低了驱动电压。另有八层压电陶瓷驱动的四变幅杆旋转超声波电机（图20b）。此外还开发出采用多层压电陶瓷和倒角驱动头的扁平型超声驻波微电机（图21），在20V峰峰值电压下转速可达2000转/分钟，其进给方向最大位移与预压方向比值约为4:1，表明该电机具有高速特性但负载能力较弱。

　　图20 (a)行波旋转超声波电机；(b)研究人员提出的四变幅杆旋转超声波电机。

　　尽管超声波电机闭环控制研究已较为深入，但开环设计仍存在诸多待解决的问题。在安装空间受限或精密传感器成本过高时，开环步进运动分析显得尤为重要，例如细胞切片作动器、耳科手术设备和磁兼容触觉接口等应用。针对开环步进运动单元，需要详细分析不同脉冲数下的启停过程。研究人员通过有限元软件发现，随着脉冲数增加，Y、Z方向振动位移相应扩展，步进距离测量结果验证了这一规律，并对比了不同驱动频率下的正反向位移。然而相互作用力分析表明其内在机理尚未明确。

　　另有研究证实步进位移与脉冲数呈正相关关系。学者们通过观测发现关机阶段的模态差异与关机时刻的振幅和速度相关，通过建立仿真模型，确定了接触区与驱动区长度变化以及输入电流、振动状态、输出扭矩和轴向压力的变化规律，在此基础上深入探究了这些规则。最后通过对比不同脉冲函数的速度曲线和振动结果，描述了具有二阶传递函数的脉冲函数步进运动特性，并优化脉冲数使电机正反转均达到3.3微弧度的精度。

　　随着材料学、力学及制造技术的持续发展，超声波电机展现出日益广阔的应用前景。该技术在高端装备与前沿研究领域具有显著优势。本文系统综述了超声波电机在航空航天、精密工程、生物医学及光学工程领域的应用现状，特别是若干商用超声波电机的实践案例。然而在常规工业领域，超声波电机的应用广度仍远低于传统电磁电机。值得注意的是，近年来电磁电机技术也取得长足进步，这对超声波电机的研发既是挑战也是机遇。

　　新材料、微加工与3D打印技术的发展为超声波电机带来了技术突破，使得超轻量化与绝缘设计成为可能。本文重点评述了基于聚合物材料、3D打印及微加工技术的超声波电机创新设计。但此类设计仍存在机电耦合系数偏低、加工工艺复杂、适用尺寸受限、输出功率不足、摩擦损耗严重等缺陷。

　　结构功能一体化的压电驱动技术可有效减小作动器体积并实现新型构型创新。本文介绍了一系列创新构型，并展望了未来潜在应用趋势。同时指出该技术面临预压力调节困难、外部扰动对驱动系统影响、控制系统复杂化等问题。多层压电陶瓷与微加工技术的快速发展，为超声波电机实现低压驱动大振幅创造了良好条件。这不仅能在保持性能前提下显著降低驱动电压，还有助于缩小配套驱动变压器体积，对实现超声波电机真正意义上的无电磁干扰、轻量化集成具有重要推动作用。此外，开环控制技术的突破进一步拓展了超声波电机的应用领域并提升了位移精度。本文同时对微加工与多层压电陶瓷技术在超声波电机中的融合应用进行了系统性总结。