Ультразвуковой двигатель — это тип пьезоэлектрического двигателя, работающий от ультразвуковой вибрации компонента, статора , размещенного напротив другого компонента, ротора или слайдера, в зависимости от схемы работы (вращение или линейное перемещение). Ультразвуковые двигатели отличаются от других пьезоэлектрических двигателей несколькими способами, хотя оба обычно используют некоторую 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 предлагают произвольно 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 — в объективах камер, где они используются для перемещения элементов объектива как части системы автофокусировки. Ультразвуковые двигатели заменяют более шумные и часто более медленные микродвигатели в этом приложении.
Сухое трение часто используется в контакте, и ультразвуковая вибрация, индуцированная в статоре, используется как для придания движения ротору, так и для модуляции сил трения, присутствующих на интерфейсе. Модуляция трения допускает объемное движение ротора (т. е. более одного цикла вибрации); без этой модуляции ультразвуковые двигатели не смогли бы работать.
Обычно доступны два различных способа управления трением вдоль интерфейса контакта статора и ротора: вибрация бегущей волны и вибрация стоячей волны . Некоторые из самых ранних версий практических двигателей в 1970-х годах, например, Сасида [1] , использовали вибрацию 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 Canon использовали вибрацию бегущей волны для получения двунаправленного движения и обнаружили, что такое расположение обеспечивает лучшую эффективность и меньший износ интерфейса контакта. Ультразвуковой двигатель с исключительно высоким крутящим моментом «гибридного преобразователя» использует пьезоэлектрические элементы с круговой и аксиальной поляризацией вместе для объединения осевой и крутильной вибрации вдоль интерфейса контакта, представляя собой метод привода, который находится где-то между методами привода стоячей и бегущей волны.
Ключевым наблюдением при изучении 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 смещения вибрации в конструкции и не связана (напрямую) со скоростью распространения волны внутри конструкции. Многие конструкционные материалы, подходящие для вибрации, допускают пиковую скорость вибрации около 1 м/с. На низких частотах — скажем, 50 Гц — скорость вибрации 1 м/с в сабвуфере даст смещения около 10 мм, что видно. По мере увеличения частоты смещение уменьшается, а ускорение увеличивается. Поскольку вибрация становится неслышимой на частоте около 20 кГц, смещения вибрации составляют десятки микрометров, и были построены двигатели [2] , которые работают с использованием поверхностной акустической волны (SAW) 50 МГц, которая имеет вибрации всего в несколько нанометров по величине. Такие устройства требуют осторожности при конструировании, чтобы соответствовать необходимой точности для использования этих движений внутри статора.
В более общем смысле, существует два типа двигателей: контактные и бесконтактные, 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 Цзюньхуэя. [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 дальнем поле , которая подвешивает объект на расстоянии от половины до нескольких длин волн от вибрирующего объекта.)
Canon была одним из пионеров ультразвукового двигателя и сделала «USM» знаменитым в конце 1980-х годов, включив его в свои автофокусные объективы для крепления объектива Canon EF . Многочисленные патенты на ультразвуковые двигатели были поданы Canon, ее главным конкурентом по производству объективов Nikon и другими промышленными концернами с начала 1980-х годов. Canon включила ультразвуковой двигатель (USM) не только в свои объективы DSLR, но и в камеру Canon PowerShot SX1 IS bridge . [6] Ультразвуковой двигатель теперь используется во многих бытовых и офисных электронных устройствах, требующих точного вращения в течение длительных периодов времени.
Эту технологию применяли в фотообъективах различные компании под разными названиями.