超声马达, 马达定子换能器的外径约为1.4mm, 内径约为1.2 mm, 长度 5 mm。在该研究中, 开发了“改良的成核工艺”, 成功地改善了沉积P ZT薄膜的性能。P ZT薄膜的厚度为 12 um , d33=- 25 pC/ N。定子换能器的共振频率为 227kHz,在4. 0 V 的驱动电压下振幅58 nm。转子靠摩擦力驱动并可反转。最大转速为 680 r/ min, 最大转矩 0. 67uNm。2001 年, 我国清华大学的周铁英教授研制成功了世界上最细的超声马达, 直径只有约1 mm ,目前他们正积极开展直径约为0.5 mm 超微马达的研制。但微型压电超声马达的设计和制作要求十分苛刻, 目前仍处于实验研究阶段, 离工业化还有一段距离。
2.6 换能器的集成化
集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。
超声马达通常在高于常备电池的交流电压下工作, 这就需升压的变压器。美国宾夕法尼亚州大学致动和换能器国际中心对压电变压器与超声马达的集成进行了研究。超声马达的定子和压电换能器在相同的径向振动模式下工作。它们的尺寸非常接近, 可产生密切匹配的共振频率。因此, 它们不用感应线圈而能耦合到一起。用压电陶瓷制作的超声马达, 需要较高的交流电场去激励一个行波或驻波来驱动转子。传统的方法是驱动电路由振动源、变换器和电磁变压器组成。而电磁变压器体积大, 并产生电磁噪声, 而用压电变压器则无此缺点。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。除上面所列的方向外, 近年来微细加工的容性超声换能器已成为研究的热点。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 1、完成超声波换能器的结构与材料参数优化设计。
换能器的总长度是固定不变的，但是当电极的厚度发生变化时换能器的共振频率等参数随之变化。当换能器中厚电极的长度逐渐增大时换能器的共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数随之减小。由此可以得出结论：尽管采用厚电极可以改善换能器的散热程度避免压电陶瓷片的过热而损坏，但采用厚电极结构不利于提高换能器的有效机电耦合系数，因此在实际制作大功率超声换能器时，应选择适当的电极厚度，以便能够充分兼顾换能器的有效机电耦合系数和散热程度。
2、完成超声波换能器优化仿真。
优化设计，也就是“最优设计”是指采用一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需支出最小。ANSYS软件的优化设计采用“分析—评估—修正”的循环过程。就是对初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。
ANSYS 软件有三种优化变量：设计变量、状态变量和目标函数。设计变量是自变量，也就是换能器的结构尺寸参数。每个设计变量都有上下限。状态变量是因变量 ，指分析结果，也有上下限。目标函数是要尽量减小的数值，必须是设计变量的函数。设计变量往往是长度、厚度、直径或模型坐标等几何参数，其个数应尽量减少并且有一个合理的范围，这样可以防止局部收敛和减少迭代次数。状态变量可以是应力、频率、位移等参量，其上下限不应太小，因为此时合理的设计可能不存在。目标函数是在设计中要最小化或最大化的数值，在优化过程中应恒为正值。ANSYS 软件提供了单步运行法、随机搜索法、等步长搜索法、乘子计算法、最优梯度法和一阶算法等几种优化方法，也可以由用户给出优化方法。
3、完成多种频率超声换能器的性能测试实验与分析。 三、研究步骤、方法及措施
1、阅读文献，查阅相关资料,了解超声波换能器的类型及相关结构，学习材料对超声换能器的影响及选择，学习压电陶瓷元件的几何尺寸和位置对超声波换能器的影响。
2、学习ANSYS软件，利用有限元软件进行换能器的优化设计与仿真。 结构优化的一般步骤为：生成分析文件——声明优化变量——优化分析——选择优化方法——察看结果
在优化分析之前，要生成循环所用的分析文件，该文件必须包含整个分析过程，从参数化建立模型，到求解和变量提取。然后进入优化设计模块声明优化过程中所要用到的设计变量、状态变量和目标函数。选择一种优化方法进行分析。最后察看优化结果和后处理结果。
3、对多种频率的超声换能器进行试验并分析。 四、研究工作进度
1—4周：查阅相关学术论文，了解超声换能器的构成及原理。 5—8周：学习ANSYS软件，建立模型。
9—12周：理论分析，结构设计。 13—16周：特性仿真，特性实验。 17—18周：撰写论文，准备答辩。 五、主要参考文献
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西师范大学学报(自然科学版)2002,30(4):47-49.
六、指导教师意见
指导教师签字：
年
七、系级教学单位审核意见：
审查结果： □ 通过 □ 完善后通过 □ 未通过 负责人签字：
年
月 日
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