Ультразвуковой мотор - Ultrasonic motor

Ультразвуковой мотор

An ультразвуковой мотор это тип электрический двигатель питание от ультразвукового вибрация компонента, статор, размещенный напротив другого компонента, ротор или ползунок в зависимости от схемы работы (вращение или линейное перемещение). Ультразвуковые двигатели отличаются от пьезоэлектрический приводы несколькими способами, хотя в обоих обычно используются пьезоэлектрические материалы, чаще всего цирконат титанат свинца а иногда ниобат лития или другой монокристалл материалы. Наиболее очевидное различие - использование резонанс 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 статическим напряжение которые могут быть индуцированы 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 микромотор в этом приложении.

Механизм

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 допускает объемное движение ротора (т.е. более одного цикла вибрации); без этой модуляции ультразвуковые двигатели не смогли бы работать.

Обычно доступны два разных способа управления трением на поверхности контакта статора и ротора. бегущая волна вибрация и стоячая волна вибрация. Некоторые из самых ранних версий практических двигателей 1970-х годов Сашида,[1] например, использовалась вибрация стоячей волны в сочетании с ребрами, расположенными под углом к ​​контактной поверхности, чтобы сформировать двигатель, хотя и вращающийся в одном направлении. Более поздние разработки Сашиды и исследователей из Мацусита, АЛЬПЫ и Canon использовали 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.

Ключевое наблюдение при исследовании ультразвуковых двигателей заключается в том, что пиковая вибрация, которая может быть вызвана в конструкциях, происходит при относительно постоянном скорость вибрации независимо от частоты. Скорость вибрации - это просто производная по времени вибрационного смещения в конструкции и не связан (напрямую) со скоростью распространение волн внутри структуры. 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 вуфер даст 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, смещения вибрации составляют десятки микрометров, и были созданы двигатели.[2] которые работают на частоте 50 МГц поверхностная акустическая волна (SAW), вибрации которых составляют 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 ближнепольная акустическая левитация это своего рода приложение.[5] (Это отличается от акустическая левитация в дальней зоне, который подвешивает объект на расстоянии от половины до нескольких длин волн от вибрирующего объекта.)

Приложения

Canon был одним из пионеров ультразвукового двигателя и прославил USM в конце 1980-х, включив его в автофокус линзы для Крепление объектива Canon EF. Многочисленные патенты на ультразвуковые двигатели были поданы Canon, ее главным конкурентом по производству линз. Nikon, и другие промышленные предприятия с начала 1980-х годов. Canon не только включила ультразвуковой двигатель (USM) в свои объективы для цифровых зеркальных фотоаппаратов, но и в Canon PowerShot SX1 IS мост камеры.[6] Ультразвуковой двигатель сейчас используется во многих бытовых и офисных электрониках, требующих точного вращения в течение длительного времени.

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

  • Canon – USM, Ультразвуковой мотор
  • Минолта, Konica Minolta, Sony – SSM, Super Sonic wave Motor (кольцевой мотор)
  • Nikon – SWM, Бесшумный волновой мотор
  • Олимп – SWD, Сверхзвуковой волновой привод
  • Panasonic – XSM, Очень тихий мотор
  • Pentax – SDM, Сверхзвуковой динамический двигатель
  • Сигма – HSM, Hyper Sonic Motor
  • Sony - DDSSM, Двигатель Super Sonic wave с прямым приводом (линейный двигатель)
  • Тамрон - доллар США, Ультразвуковой бесшумный привод; PZD, Пьезо Драйв
  • Actuated Medical, Inc. - Прямой привод, Ультразвуковой мотор, совместимый с МРТ

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ueha, S .; Tomikawa, Y .; Kurosawa, M .; Накамура, Н. (декабрь 1993 г.), Ультразвуковые двигатели: теория и применение, Кларендон Пресс, ISBN  0-19-859376-7
  2. ^ Shigematsu, T .; Куросава, М.К .; Асаи, К. (апрель 2003 г.), «Нанометрические шаговые приводы двигателя на поверхностных акустических волнах», Протоколы IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты, 50, IEEE, стр. 376–385
  3. ^ Ху, Цзюньху; Ли, Гуоронг; Лай Ва Чан, Хелен; Лунг Чой, Чанг (май 2001 г.), "Бесконтактный линейный ультразвуковой двигатель стоячей волны", Протоколы IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты, 48, выпуск 3, IEEE, стр. 699–708
  4. ^ Ху, Цзюньхуэй; Накамура, Кентаро; Уэха, Садауки (май 1997 г.), "Анализ бесконтактного ультразвукового двигателя с ротором, левитирующим ультразвуком", Ультразвук, 35, Elsevier, стр. 459–467.
  5. ^ Koyama, D .; Такеши, Иде; Friend, J.R .; Накамура, К .; Уэха, С. (сентябрь 2005 г.), «Бесконтактный скользящий стол с ультразвуковой левитацией и движущимися колебаниями на тонкокерамических балках», 2005 IEEE ультразвуковой симпозиум, 3, IEEE, стр. 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.

внешняя ссылка