超声电机具有功率密度大、响应速度快、分辨率高、抗电磁干扰等突出优点,在精密机械设备中得到了广泛应用。国内外研究者已经提出了许多不同结构与驱动原理的超声电机,例如行波超声电机、驻波超声电机和复合模态超声电机,但是现有的超声电机在微型化时存在较大的困难,不能很好地适用于微机电系统,因此,迫切需要设计出一种尺寸小、固定方便、功率密度大、易于微型化的超声电机。本文提出了一种带尾翼的菱形直线超声电机,定子主体结构为菱形框架薄板,菱形的一对顶点处附加尾翼,另一对顶点处附加圆形驱动足,动子为直线导轨形式,使用菱形定子的面内伸缩模态和面内摆动模态叠加,在驱动足处形成椭圆运动。使用有限元法进行了模态分析和谐响应分析,从理论上证明了电机设计的可行性。频率简并是超声电机设计的难点。前人在解决频率简并问题时往往依赖于有限元法,工作量大,耗费时间长。本文则从数学建模的角度入手,使用拉格朗日-切比雪夫法建立了菱形定子的振动数学模型。在数学模型的基础上编程计算,可实现频率简并的自动化。使用这一方法进行优化设计,得到了定子尺寸的最优解。本文建立了菱形直线超声电机的动力传输模型,从理论上研究其输出性能。通过将超声电机驱动过程分为驱动、阻碍、分离三个区域,建立了超声电机的稳态动力传输模型,计算得到了电机的负载特性曲线。提出了半周期匀速假设,建立了瞬态动力传输模型,从原理上进行了离散,避免了使用复杂的数值计算方法,计算得到了电机的瞬态响应曲线。使用动力传输模型可从理论上研究振幅、刚度、摩擦系数等因素对电机输出性能的影响,从而为设计提供指导。最后,制作了实验样机以测试菱形直线超声电机的性能。制作的定子整体尺寸为16mm×16mm×2mm,重量仅为1.7g。通过实验研究了不同频率、电压、预紧力对电机输出性能的影响。测量了电机的负载特性并与理论计算结果进行了对比,验证了模型的可靠性。对电机的各项性能指标进行了测试,测试结果表明本文提出的菱形直线超声电机在输出力、输出速度和功率密度等性能指标上与前人的设计相比具有显著优势,在微机电系统中具有广阔的应用前景。