Ультразвуковой двигатель
Ультразвуковой двигатель — это тип пьезоэлектрического двигателя, приводимый в действие ультразвуковой вибрацией компонента статора , расположенного напротив другого компонента, ротора или ползуна, в зависимости от схемы работы (вращение или линейное перемещение). Ультразвуковые двигатели отличаются от других пьезоэлектрических двигателей во многом , хотя оба обычно используют ту или иную форму пьезоэлектрического материала, чаще всего цирконат-титанат свинца и иногда ниобат лития или другие монокристаллические материалы. Наиболее очевидным отличием является использование резонанса для усиления вибрации статора, контактирующего с ротором в ультразвуковых двигателях. Ультразвуковые двигатели также обеспечивают произвольно большие расстояния вращения или скольжения, в то время как пьезоэлектрические приводы ограничены статической деформацией , которая может возникнуть в пьезоэлектрическом элементе.
Одним из распространенных применений ультразвуковых двигателей являются объективы фотоаппаратов, где они используются для перемещения элементов объектива как часть системы автофокусировки. ультразвуковые двигатели заменяют более шумные и часто более медленные микродвигатели В этом применении .
Механизм
[ редактировать ]При контакте часто используется сухое трение , а ультразвуковая вибрация, создаваемая в статоре, используется как для передачи движения ротору, так и для модуляции сил трения, присутствующих на границе раздела. Модуляция трения обеспечивает объемное движение ротора (т. е. на расстояние, превышающее один цикл вибрации); без этой модуляции ультразвуковые двигатели не смогли бы работать.
Обычно доступны два различных способа управления трением вдоль контактной поверхности статора и ротора: вибрация бегущей волны и вибрация стоячей волны . Некоторые из самых ранних версий практических двигателей 1970-х годов, созданные Сашидой, [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 Сасиды и исследователей из Matsushita , ALPS и Компания Canon использовала вибрацию бегущей волны для достижения двунаправленного движения и обнаружила, что такая конструкция обеспечивает более высокую эффективность и меньший износ контактного интерфейса. В ультразвуковом двигателе с гибридным преобразователем с исключительно высоким крутящим моментом используются пьезоэлектрические элементы с кольцевой и аксиальной поляризацией для объединения осевых и крутильных вибраций вдоль контактной поверхности, что представляет собой технику вождения, которая находится где-то между методами вождения стоячей и бегущей волной.
Ключевым наблюдением при изучении ультразвуковых двигателей является то, что пиковая вибрация, которая может возникнуть в конструкциях, возникает при относительно постоянной скорости вибрации независимо от частоты. Скорость вибрации представляет собой просто производную по времени вибрационного смещения в конструкции и не связана (напрямую) со скоростью распространения волн внутри конструкции. Многие конструкционные материалы, пригодные для вибрации, допускают пиковую скорость вибрации около 1 м/с. На низких частотах — скажем, 50 Гц — скорость вибрации 1 м/с в низкочастотном динамике даст смещения около 10 мм, что видно. С увеличением частоты смещение уменьшается, а ускорение увеличивается. Поскольку вибрация становится неслышимой на частоте 20 кГц или около того, вибрационные смещения составляют десятки микрометров, и были построены двигатели. [2] которые работают на поверхностных акустических волнах частотой 50 МГц.(ПАВ), которые имеют вибрации величиной всего несколько нанометров. Такие устройства требуют тщательной конструкции, чтобы обеспечить необходимую точность для использования этих движений внутри статора.
В более общем плане существует два типа двигателей: контактные и бесконтактные, последний из которых встречается редко и требует рабочей жидкости для передачи ультразвуковых колебаний статора к ротору. В большинстве версий используется воздух, например, в некоторых из самых ранних версий Ху Цзюньхуэя. [3] [4] Исследования в этой областипродолжается, особенно в области акустической левитации в ближнем поле длятакое приложение. [5] (Это отличается от акустической левитации в дальней зоне ,который удерживает объект на расстоянии от половины до нескольких длин волн отвибрирующий предмет.)
Приложения
[ редактировать ]Компания Canon была одним из пионеров ультразвукового двигателя и прославила USM в конце 1980-х годов, включив его в свои автофокусные объективы для крепления объектива Canon EF . подали многочисленные патенты на ультразвуковые двигатели С начала 1980-х годов компания Canon, ее главный конкурент по производству линз Nikon и другие промышленные концерны . Компания Canon включила ультразвуковой мотор (USM) не только в свои объективы для зеркальных фотокамер, но и в Canon PowerShot SX1 IS мостовую камеру . [6] Ультразвуковой двигатель в настоящее время используется во многих бытовых и офисных электронных устройствах, требующих точного вращения в течение длительного периода времени.
Эта технология применялась в фотообъективах множеством компаний под разными названиями.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Уэха, С.; Томикава, Ю.; Куросава, М.; Накамура, Н. (декабрь 1993 г.), Ультразвуковые двигатели: теория и применение , Clarendon Press, ISBN 0-19-859376-7
- ^ Сигемацу, Т.; Куросава, депутат Кнессета; Асаи, К. (апрель 2003 г.), «Нанометровые шаговые приводы двигателя на поверхностных акустических волнах», IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control , vol. 50, IEEE, стр. 376–385.
- ^ Ху, Цзюньхуэй; Ли, Гуорун; Лай Ва Чан, Хелен; Лунг Чой, Чунг (май 2001 г.), «Бесконтактный линейный ультразвуковой двигатель стоячей волны», IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control , vol. 48, IEEE, стр. 699–708.
- ^ Ху, Цзюньхуэй; Накамура, Кентаро; Уэха, Садауки (май 1997 г.), «Анализ бесконтактного ультразвукового двигателя с ротором, левитирующим ультразвуком», Ultrasonics , vol. 35, Elsevier, стр. 459–467.
- ^ Кояма, Д.; Такеши, Иде; Френд, младший; Накамура, К.; Уэха, С. (сентябрь 2005 г.), «Бесконтактный раздвижной стол с ультразвуковой левитацией и движущимися вибрациями на тонкокерамических балках», Симпозиум IEEE по ультразвуку , 2005 г., том. 3, IEEE, стр. 1538–1541.
- ^ «Canon PowerShot SX1 IS — Cameralabs» . cameralabs.com . 2 декабря 2009 г.
- Общий
- Авторское свидетельство № 217509 "Электрический двигатель", Лавриненко В., Некрасов М., заявка № 1006424 от 10 мая 1965 г.
- Патент США № 4.019.073, 1975 г.
- Патент США № 4.453.103, 1982 г.
- Патент США № 4.400.641, 1982 г.
- Piezoelectric motors. Lavrinenko V., Kartashev I., Vishnevskyi V., "Energiya" 1980.
- В. Снитка, В. Мизариене и Д. Зукаускас. Состояние ультразвуковых двигателей в бывшем Советском Союзе, Ультразвук, том 34, выпуски 2–5, июнь 1996 г., страницы 247–250.
- Принципы конструкции пьезоэлектрических двигателей. Лавриненко В., ISBN 978-3-659-51406-7 , «Ламберт», 2015, 236с.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Страница «Ультразвуковые приводы, двигатели и датчики» из Лаборатории реактивного движения НАСА.
- Конструкция и характеристики ультразвукового двигателя с высоким крутящим моментом для применения в автомобилях.
- Проектирование миниатюрных ультразвуковых двигателей
- Ультразвуковой мотор линзы
- Лаборатория микро/нанофизических исследований, где доктор Джеймс Френд исследует ультразвуковые пьезоэлектрические приводы. [ постоянная мертвая ссылка ]
- Институт пьезомеханики Каунасского технологического университета, Литва
- Разборка объектива Canon EF, открывающая ультразвуковой мотор.
- Исследовательский центр микросистем и нанотехнологий, КТУ, Литва