Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Ультразвуковой мотор

Ультразвуковой двигатель представляет собой тип электродвигателя на питание от ультразвуковой вибрации компонента, на статоре , размещенный против другого компонента, причем ротор или ползун в зависимости от схемы работы (вращения или линейного перевода). Ультразвуковые двигатели отличаются от пьезоэлектрических приводов несколькими способами, хотя в обоих обычно используется какая-либо форма пьезоэлектрического материала, чаще всего цирконат-титанат свинца, а иногда и ниобат лития или другие монокристаллические материалы. Наиболее очевидное отличие - использование резонанса.для усиления вибрации статора при контакте с ротором в ультразвуковых двигателях. Ультразвуковые двигатели также обеспечивают сколь угодно большие расстояния вращения или скольжения, в то время как пьезоэлектрические приводы ограничены статической деформацией, которая может быть вызвана в пьезоэлектрическом элементе.

Одно из распространенных применений ультразвуковых двигателей - это линзы камер, где они используются для перемещения элементов объектива как часть системы автофокусировки. Ультразвуковые двигатели заменяют более шумные и часто более медленные микромоторы в этом приложении.

Механизм [ править ]

Иллюстрация пьезодвигателя «Inchworm», который перемещает нормально свободный стержень с красно-белыми полосами продольно справа налево. Когда питание подается на пьезоэлемент, обозначенный цветом, он расширяется. Циклически расширяя четыре части, стержень перемещается справа налево. 1 корпус, 2 движущихся кристалла, 3 запорных кристалла, 4 поворотные части.

Сухое трение часто используется в контакте, а ультразвуковая вибрация, индуцированная в статоре, используется как для передачи движения ротору, так и для модуляции сил трения, присутствующих на границе раздела. Модуляция трения позволяет перемещать ротор в объеме (т.е. на протяжении более одного цикла вибрации); без этой модуляции ультразвуковые двигатели не смогли бы работать.

Обычно доступны два различных способа управления трением на поверхности контакта статора и ротора, вибрацией бегущей волны и вибрацией стоячей волны . В некоторых из самых ранних версий практических двигателей 1970-х годов, разработанных Сашидой [1], например, использовалась вибрация стоячей волны в сочетании с ребрами, расположенными под углом к ​​контактной поверхности, чтобы сформировать двигатель, хотя и вращающийся за один раз. направление. Более поздние разработки Сашиды и исследователей из Matsushita , ALPS и Canonиспользовали вибрацию бегущей волны для получения двунаправленного движения и обнаружили, что такая конструкция обеспечивает лучшую эффективность и меньший износ контактных поверхностей. В ультразвуковом двигателе с «гибридным преобразователем» с исключительно высоким крутящим моментом используются пьезоэлектрические элементы с периферийной и осевой полярностью вместе для объединения осевых и крутильных колебаний вдоль поверхности контакта, что представляет собой метод управления, который находится где-то между методами управления стоячей и бегущей волнами.

Ключевым наблюдением при исследовании ультразвуковых двигателей является то, что пиковая вибрация, которая может быть вызвана в конструкциях, происходит при относительно постоянной скорости вибрации независимо от частоты. Скорость вибрации - это просто производная по времени от вибрационного смещения в конструкции и не связана (напрямую) со скоростью распространения волны внутри конструкции. Многие технические материалы, подходящие для вибрации, допускают пиковую скорость вибрации около 1 м / с. На низких частотах - скажем 50 Гц - скорость вибрации 1 м / с в НЧ-динамикедаст смещение около 10 мм, что видно. По мере увеличения частоты смещение уменьшается, а ускорение увеличивается. Поскольку вибрация становится неслышной на частоте 20 кГц или около того, вибрационные смещения составляют десятки микрометров, и были построены двигатели [2], которые работают с использованием поверхностной акустической волны (SAW) с частотой 50 МГц, которые имеют колебания величиной всего несколько нанометров. . Конструкция таких устройств требует особой осторожности, чтобы обеспечить необходимую точность для использования этих движений внутри статора.

В более общем смысле, существует два типа двигателей: контактный и бесконтактный, последний из которых встречается редко и требует рабочей жидкости для передачи ультразвуковых колебаний статора к ротору. Большинство версий используют воздух, например, некоторые из самых ранних версий Ху Цзюньху. [3] [4] Исследования в этой области продолжаются, особенно в области акустической левитации в ближнем поле для такого рода приложений. [5] (Это отличается от акустической левитации в дальней зоне, которая подвешивает объект на расстоянии от половины до нескольких длин волн от вибрирующего объекта.)

Приложения [ править ]

Canon была одним из пионеров ультразвукового двигателя и прославила «USM» в конце 1980-х, включив его в свои автофокусные объективы для крепления объектива Canon EF . С начала 1980-х годов Canon, ее главный конкурент по производству объективов , Nikon , и другие промышленные предприятия зарегистрировали многочисленные патенты на ультразвуковые двигатели . Компания Canon не только включила ультразвуковой двигатель (USM) в свои объективы для цифровых зеркальных фотоаппаратов , но и в мостовую камеру Canon PowerShot SX1 IS . [6] Ультразвуковой двигатель сейчас используется во многих бытовых и офисных электрониках, требующих точного вращения в течение длительных периодов времени.

Эта технология была применена к фотообъективам множеством компаний под разными названиями:

  • Canon - USM , Ультразвуковой мотор
  • Minolta , Konica Minolta , Sony - SSM , Super Sonic wave Motor (кольцевой мотор)
  • Nikon - SWM , бесшумный волновой двигатель
  • Olympus - SWD , сверхзвуковой волновой привод
  • Panasonic - XSM , сверхтихий мотор
  • Pentax - SDM , сверхзвуковой динамический двигатель
  • Sigma - HSM , Hyper Sonic Motor
  • Sony - DDSSM , Super Sonic wave Motor с прямым приводом (линейный двигатель)
  • Tamron - USD , ультразвуковой бесшумный привод; PZD , Пьезо Драйв
  • Actuated Medical, Inc. - Ультразвуковой двигатель с прямым приводом , совместимый с МРТ

См. Также [ править ]

  • Пьезоэлектрический двигатель
  • Линейный привод
  • Шаговый двигатель
  • Ультразвуковой гомогенизатор

Ссылки [ править ]

  1. ^ Ueha, S .; Tomikawa, Y .; Kurosawa, M .; Накамура, Н. (декабрь 1993 г.), Ультразвуковые двигатели: теория и приложения , Clarendon Press, ISBN 0-19-859376-7
  2. ^ Shigematsu, T .; Куросава, МК; Асаи, К. (апрель 2003 г.), «Шаговые приводы с нанометровым шагом двигателя на поверхностных акустических волнах», IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control , 50 , IEEE, pp. 376–385
  3. ^ Ху, Цзюньхуэй; Ли, Гуоронг; Лай Ва Чан, Хелен; Лунг Чой, Чанг (май 2001 г.), «Бесконтактный линейный ультразвуковой двигатель типа стоячей волны», IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control , 48, выпуск 3, IEEE, pp. 699–708
  4. ^ Ху, Цзюньхуэй; Накамура, Кентаро; Уэха, Садауки (май 1997 г.), "Анализ бесконтактного ультразвукового двигателя с ротором, левитирующим ультразвуком", Ultrasonics , 35 , Elsevier, стр. 459–467
  5. ^ Кояма, Д .; Такеши, Иде; Друг, младший; Накамура, К .; Уэха, С. (сентябрь 2005 г.), «Бесконтактный скользящий стол, левитирующий ультразвуком с движущимися колебаниями на тонкокерамических балках», 2005 IEEE Ultrasonics Symposium , 3 , IEEE, pp. 1538–1541
  6. ^ «Canon PowerShot SX1 IS - камеры» . cameralabs.com . 2 декабря 2009 г.
Общий
  • Авторское свидетельство № 217509 «Электродвигатель», Лавриненко В., Некрасов М., заявка № 1006424 от 10 мая 1965 г.
  • Патент США № 4.019.073, 1975.
  • Патент США № 4.453.103, 1982 г.
  • Патент США № 4.400.641, 1982.
  • Пьезоэлектрические двигатели. Лавриненко В., Карташев И., Вишневский В., «Энергия» 1980.
  • В. Снитка, В. Мизариене и Д. Жукаускас Состояние ультразвуковых двигателей в бывшем Советском Союзе, Ультразвук, Том 34, Выпуски 2–5, июнь 1996 г., страницы 247-250
  • Принципы построения пьезоэлектрических двигателей. В. Лавриненко, ISBN 978-3-659-51406-7 , «Ламберт», 2015, 236с. 

Внешние ссылки [ править ]

  • Страница ультразвуковых приводов, двигателей и датчиков, из Лаборатории реактивного движения НАСА
  • Конструкция и характеристики ультразвукового двигателя с высоким крутящим моментом для автомобильного применения.
  • Конструкция миниатюрных ультразвуковых моторов
  • Ультразвуковой мотор объектива
  • Лаборатория микро / нанофизики, с исследованиями ультразвуковых пьезоэлектрических приводов доктором Джеймсом Френдом [ постоянная мертвая ссылка ]
  • Институт пьезомеханики Каунасского технологического университета, Литва
  • Разборка объектива Canon EF, обнаружение ультразвукового мотора
  • Исследовательский центр микросистем и нанотехнологий, КТУ, Литва