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 во многом отличаются от других пьезоэлектрических двигателей , 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. В этом применении ультразвуковые двигатели заменяют более шумные и часто более медленные микродвигатели.
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, например Сашида [1] , использовали вибрацию стоячей волны в сочетании с ребрами, расположенными под углом к контактной поверхности, чтобы сформировать двигатель, хотя и вращающийся в одном направление. Более поздние разработки Сасиды и исследователей из Matsushita , ALPS и Canon использовали вибрацию бегущей волны для получения двунаправленного движения и обнаружили, что такая конструкция обеспечивает лучшую 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. По мере увеличения 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 с использованием поверхностной акустической волны (ПАВ) частотой 50 МГц , которая имеет вибрацию всего в несколько нанометров по величине. . 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 области продолжаются, особенно в области акустической левитации в ближнем поле для такого рода применений. [5] (Это отличается от акустической левитации в дальней зоне , при которой объект подвешивается на расстоянии от половины до нескольких длин волн от вибрирующего объекта.)
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 . С начала 1980-х годов компания Canon, ее главный конкурент по производству линз Nikon и другие промышленные концерны подали многочисленные патенты на ультразвуковые двигатели . Компания Canon включила ультразвуковой мотор (USM) не только в свои объективы для зеркальных фотокамер, но и в мостовую камеру Canon PowerShot SX1 IS . [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.