Ultrazvukový motor - Ultrasonic motor

Ultrazvukový motor

An ultrazvukový motor je typ elektrický motor napájeno ultrazvukem vibrace součásti, stator, umístěný proti jiné součásti, rotor nebo posuvník v závislosti na provozním schématu (rotace nebo lineární posun). Ultrazvukové motory se liší od piezoelektrický pohony několika způsoby, ačkoli oba obvykle používají nějakou formu piezoelektrického materiálu, nejčastěji olovo zirkoničitan titaničitý a občas lithium niobát nebo jiný monokrystal materiály. Nejviditelnějším rozdílem je použití rezonance k zesílení vibrací statoru v kontaktu s rotorem v ultrazvukových motorech. Ultrazvukové motory také nabízejí libovolně velké rotační nebo klouzavé vzdálenosti, zatímco piezoelektrické ovladače jsou omezeny statickým kmen které mohou být indukovány v piezoelektrickém prvku.

Jedna běžná aplikace ultrazvukových motorů je v objektivech fotoaparátů, kde se používají k pohybu prvků objektivu jako součást systému automatického ostření. Ultrazvukové motory nahrazují hlučnější a často pomalejší mikromotor v této aplikaci.

Mechanismus

Ilustrace piezo motoru „Inchworm“, který podélně pohybuje zpravidla volnou červeno-bílou pruhovanou tyčí zprava doleva. Když se na piezoelektrický prvek aplikuje síla, označená barvou, expanduje se. Cyklickým rozšiřováním čtyř částí se tyč pohybuje zprava doleva. 1 pouzdro, 2 motivový krystal, 3 zajišťovací krystal, 4 otočná část.

Suché tření se často používá v kontaktu a ultrazvukové vibrace vyvolané ve statoru se používají jak k udělení pohybu rotoru, tak k modulaci třecích sil přítomných na rozhraní. Třecí modulace umožňuje hromadný pohyb rotoru (tj. Pro více než jeden vibrační cyklus); bez této modulace by ultrazvukové motory nefungovaly.

Obecně jsou k dispozici dva různé způsoby řízení tření podél kontaktního rozhraní stator-rotor, cestovní vlna vibrace a stojatá vlna vibrace. Některé z prvních verzí praktických motorů v 70. letech, Sashida,[1] například použité vibrace stojatých vln v kombinaci s žebry umístěnými pod úhlem ke kontaktní ploše k vytvoření motoru, i když jednoho, který se otáčí v jednom směru. Pozdější návrhy od Sashidy a výzkumníků z Matsushita, ALPS a Kánon využil vibrace pohybujících se vln k získání obousměrného pohybu a zjistil, že toto uspořádání nabízí lepší účinnost a menší opotřebení kontaktního rozhraní. Ultrazvukový motor ‚hybridního měniče 's mimořádně velkým točivým momentem využívá piezoelektrické prvky s obvodovými a axiálně polarizovanými piezoelektrickými prvky, které kombinují axiální a torzní vibrace podél kontaktního rozhraní, což představuje techniku ​​řízení, která leží někde mezi způsoby řízení stojatou a pohybující se vlnou.

Klíčovým pozorováním při studiu ultrazvukových motorů je to, že špičkové vibrace, které mohou být indukovány ve strukturách, se vyskytují relativně konstantní rychlost vibrací bez ohledu na frekvenci. Rychlost vibrací je prostě časová derivace vibračního posunu v konstrukci a nesouvisí (přímo) s rychlostí kmitání šíření vln uvnitř struktury. Mnoho technických materiálů vhodných pro vibrace umožňuje špičkovou rychlost vibrací kolem 1 m / s. Při nízkých frekvencích - 50 Hz, řekněme - rychlost vibrací 1 m / s v a basový reproduktor by poskytlo posunutí asi 10 mm, což je viditelné. Jak se zvyšuje frekvence, zmenšuje se posun a zvyšuje se zrychlení. Vzhledem k tomu, že vibrace nejsou slyšitelné přibližně při 20 kHz, jsou vibrační posuny v řádu desítek mikrometrů a byly postaveny motory[2] které pracují na 50 MHz povrchová akustická vlna (SAW), které mají vibrace o velikosti jen několika nanometrů. Taková zařízení vyžadují konstrukční péči, aby splňovala nezbytnou přesnost pro použití těchto pohybů uvnitř statoru.

Obecněji existují dva typy motorů, kontaktní a bezkontaktní, druhý z nich je vzácný a vyžaduje pracovní tekutinu pro přenos ultrazvukových vibrací statoru směrem k rotoru. Většina verzí používá vzduch, například některé z nejstarších verzí Hu Junhui.[3][4] Výzkum v této oblasti pokračuje, zejména v roce 2006 akustická levitace v blízkém poli další druh aplikace.[5] (To se liší od akustická levitace ve vzdáleném poli, který pozastaví objekt na polovinu až několik vlnových délek od vibrujícího objektu.)

Aplikace

Kánon byl jedním z průkopníků ultrazvukového motoru a na konci 80. let proslavil „USM“ začleněním do svého automatické zaostřování čočky pro Bajonet Canon EF. Společnost Canon, její hlavní rival v oblasti výroby objektivů, podala řadu patentů na ultrazvukové motory Nikon a další průmyslové podniky od počátku 80. let. Společnost Canon zahrnovala nejen ultrazvukový motor (USM) do svých objektivů DSLR, ale také do Canon PowerShot SX1 JE mostní kamera.[6] Ultrazvukový motor se nyní používá v mnoha spotřebních a kancelářských elektronikách, které vyžadují přesné otáčení po dlouhou dobu.

Tato technologie byla na fotografické objektivy aplikována řadou společností pod různými názvy:

  • Kánon – USM, UltraSonic Motor
  • Minolta, Konica Minolta, Sony – SSM, Super Sonic wave Motor (kruhový motor)
  • Nikon – SWM, Tichý vlnový motor
  • Olympus – SWD, Supersonic Wave Drive
  • Panasonic – XSM, Extra Silent Motor
  • Pentax – SDM, Supersonic Dynamic Motor
  • Sigma – HSM, Hyper Sonic Motor
  • Sony - DDSSM, Super Drive Sonic Wave Motor (lineární motor)
  • Tamron - americký dolar, Ultrasonic Silent Drive; PZD, Piezo Drive
  • Actuated Medical, Inc. - Přímý pohon„Ultrazvukový motor kompatibilní s MRI

Viz také

Reference

  1. ^ Ueha, S .; Tomikawa, Y .; Kurosawa, M .; Nakamura, N. (prosinec 1993), Ultrazvukové motory: teorie a aplikace, Clarendon Press, ISBN  0-19-859376-7
  2. ^ Shigematsu, T .; Kurosawa, M. K.; Asai, K. (duben 2003), „Nanometrické krokové pohony motoru povrchové akustické vlny“, Transakce IEEE v oblasti ultrazvuku, feroelektriky a řízení frekvence, 50, IEEE, s. 376–385
  3. ^ Hu, Junhui; Li, Guorong; Lai Wah Chan, Helen; Loong Choy, Chung (květen 2001), „Nekontaktní lineární ultrazvukový motor stojatého vlnění“, Transakce IEEE v oblasti ultrazvuku, feroelektriky a řízení frekvence, 48, číslo 3, IEEE, str. 699–708
  4. ^ Hu, Junhui; Nakamura, Kentaro; Ueha, Sadauki (květen 1997), „Analýza bezkontaktního ultrazvukového motoru s ultrazvukově levitovaným rotorem“, Ultrazvuk, 35, Elsevier, str. 459–467
  5. ^ Koyama, D .; Takeshi, Ide; Friend, J.R .; Nakamura, K .; Ueha, S. (září 2005), „Ultrazvukový levitovaný bezkontaktní posuvný stůl s pohybovými vibracemi na jemně keramických nosnících“, 2005 IEEE Ultrasonics Symposium, 3, IEEE, str. 1538–1541
  6. ^ „Canon PowerShot SX1 IS - fotoaparáty“. cameralabs.com. 2. prosince 2009.
Všeobecné
  • Osvědčení o autorství # 217509 „Electric Engine“, Lavrinenko V., Necrasov M., přihláška č. 1006424 ze dne 10. května 1965.
  • US patent č. 4.019.073, 1975.
  • Patent USA č. 4.453.103, 1982.
  • Americký patent č. 4 400 641, 1982.
  • Piezoelektrické motory. Lavrinenko V., Kartashev I., Vishnevskyi V., "Energiya" 1980.
  • V. Snitka, V. Mizariene a D. Zukauskas Stav ultrazvukových motorů v bývalém Sovětském svazu, Ultrasonics, svazek 34, čísla 2–5, červen 1996, strany 247-250
  • Principy konstrukce piezoelektrických motorů. V. Lavrinenko, ISBN  978-3-659-51406-7„Lambert“, 2015, 236s.

externí odkazy