Silnik piezoelektryczny
Silnik piezoelektryczny lub silnik piezoelektryczny to rodzaj silnika elektrycznego oparty na zmianie kształtu materiału piezoelektrycznego po przyłożeniu pola elektrycznego , w wyniku odwrotnego efektu piezoelektrycznego. Obwód elektryczny powoduje wibracje akustyczne lub ultradźwiękowe w materiale piezoelektrycznym, najczęściej tytanianu cyrkonianu ołowiu i czasami niobianu litu lub innych materiałów monokrystalicznych , które mogą wytwarzać liniowe lub obrotowy w zależności od ich mechanizmu. Przykłady typów silników piezoelektrycznych obejmują silniki ślimakowe , silniki krokowe i silniki ślizgowe, a także silniki ultradźwiękowe , które można dalej podzielić na silniki fali stojącej i fali bieżącej. Silniki piezoelektryczne zazwyczaj wykorzystują cykliczny ruch krokowy, który umożliwia oscylację kryształów w celu wytworzenia dowolnie dużego ruchu, w przeciwieństwie do większości innych siłowników piezoelektrycznych , w których zakres ruchu jest ograniczony przez naprężenie statyczne , które może być indukowane w elemencie piezoelektrycznym.
Wzrost i formowanie kryształów piezoelektrycznych to dobrze rozwinięty przemysł , dający bardzo jednolite i spójne zniekształcenie dla danej zastosowanej różnicy potencjałów . To, w połączeniu z maleńką skalą zniekształceń, daje silnikowi piezoelektrycznemu możliwość wykonywania bardzo drobnych kroków. Producenci deklarują precyzję do nanometrów . Wysoka szybkość reakcji i szybkie zniekształcenia kryształów pozwalają również na wykonywanie kroków przy bardzo wysokich częstotliwościach — powyżej 5 MHz . Zapewnia to maksymalną prędkość liniową około 800 mm na sekundę, czyli prawie 2,9 km/h.
Unikalną cechą silników piezoelektrycznych jest ich zdolność do pracy w silnych polach magnetycznych. Rozszerza to ich przydatność do zastosowań, w których nie można używać tradycyjnych silników elektromagnetycznych, takich jak anteny do jądrowego rezonansu magnetycznego . Maksymalna temperatura pracy jest ograniczona temperaturą Curie użytej ceramiki piezoelektrycznej i może przekraczać +250°C.
Główne zalety silników piezoelektrycznych to wysoka precyzja pozycjonowania, stabilność pozycji bez zasilania oraz możliwość wytwarzania w bardzo małych rozmiarach lub w nietypowych kształtach, takich jak cienkie pierścienie. Typowe zastosowania silników piezoelektrycznych obejmują systemy ogniskowania w obiektywach kamer, a także precyzyjne sterowanie ruchem w specjalistycznych zastosowaniach, takich jak mikroskopia.
Rodzaje silników rezonansowych
Silnik ultradźwiękowy
Silniki ultradźwiękowe różnią się od innych silników piezoelektrycznych na kilka sposobów, chociaż oba zazwyczaj wykorzystują jakąś formę materiału piezoelektrycznego. Najbardziej oczywistą różnicą jest wykorzystanie rezonansu do wzmocnienia wibracji stojana w kontakcie z wirnikiem w silnikach ultradźwiękowych.
Ogólnie dostępne są dwa różne sposoby kontrolowania tarcia wzdłuż powierzchni styku stojan-wirnik, wibracje fali bieżącej i wibracje fali stojącej . Niektóre z najwcześniejszych wersji praktycznych silników z lat 70., na przykład Sashida, wykorzystywały wibracje fali stojącej w połączeniu z żebrami umieszczonymi pod kątem do powierzchni styku, aby utworzyć silnik, aczkolwiek obracający się w jednym kierunku. Późniejsze projekty Sashidy i badaczy z Matsushita , ALPS i Canon wykorzystali drgania fali biegnącej w celu uzyskania ruchu dwukierunkowego i stwierdzili, że taki układ zapewnia lepszą wydajność i mniejsze zużycie interfejsu kontaktowego. Silnik ultradźwiękowy z „przetwornikiem hybrydowym” o wyjątkowo wysokim momencie obrotowym wykorzystuje elementy piezoelektryczne z biegunami obwodowymi i osiowymi, aby połączyć wibracje osiowe i skrętne wzdłuż interfejsu styków, reprezentując technikę napędzania, która leży gdzieś pomiędzy metodami napędzania fali stojącej i biegnącej.
Typy silników nierezonansowych
Silnik calowy
Silnik calowy wykorzystuje ceramikę piezoelektryczną do popychania stojana ruchem przypominającym chodzenie. Te silniki piezoelektryczne wykorzystują trzy grupy kryształów - dwa „blokujące” i jeden „motyw”, który na stałe łączy się z obudową silnika lub stojanem (nie z obydwoma). Grupa motywacyjna, wciśnięta między dwie pozostałe, zapewnia ruch.
Zachowanie tego silnika piezoelektrycznego bez zasilania jest jedną z dwóch opcji: „normalnie zablokowany” lub „normalnie wolny”. Normalnie swobodny typ umożliwia swobodny ruch, gdy nie jest zasilany, ale nadal można go zablokować przez przyłożenie napięcia.
Silniki Inchworm mogą osiągać pozycjonowanie w skali nanometrowej poprzez zmianę napięcia przyłożonego do kryształu napędowego, gdy włączony jest jeden zestaw kryształów blokujących.
Akcje krokowe
Proces uruchamiania silnika ślimakowego jest wieloetapowym procesem cyklicznym:
- Najpierw aktywowana jest jedna grupa „blokujących” kryształów, aby zablokować jedną stronę i odblokować drugą stronę „kanapki” kryształów piezoelektrycznych.
- Następnie grupa kryształów „motywu” jest wyzwalana i utrzymywana. Ekspansja tej grupy przesuwa odblokowaną grupę „blokującą” wzdłuż ścieżki motorycznej. Jest to jedyny etap, w którym porusza się silnik.
- Następnie grupa „blokująca” wyzwolona w pierwszym etapie zostaje zwolniona (w silnikach „normalnie blokujących”, w drugim wyzwala).
- Następnie zwalnia grupę „motyw”, wycofując grupę „końcowego blokowania”.
- Na koniec obie grupy „blokujące” powracają do swoich domyślnych stanów.
Silnik krokowy lub krokowy
Nie należy ich mylić z elektromagnetycznym silnikiem krokowym o podobnej nazwie , silniki te są podobne do silnika calowego, jednak elementy piezoelektryczne mogą być siłownikami bimorficznymi , które wyginają się, aby zasilać suwak, zamiast używać oddzielnego elementu rozszerzającego się i kurczącego.
Silnik ślizgowy
Mechanizm silników typu slip-stick opiera się na bezwładności w połączeniu z różnicą między tarciem statycznym i dynamicznym. Działanie krokowe składa się z powolnej fazy rozciągania, w której tarcie statyczne nie jest przezwyciężane, po której następuje faza szybkiego skurczu, w której tarcie statyczne jest przezwyciężane i zmienia się punkt styku między silnikiem a częścią ruchomą.
Silniki z napędem bezpośrednim
Silnik piezoelektryczny z napędem bezpośrednim wytwarza ruch poprzez ciągłe wibracje ultradźwiękowe. Jego obwód sterujący przykłada dwukanałową falę sinusoidalną lub prostokątną do elementów piezoelektrycznych, która odpowiada częstotliwości rezonansowej zginania gwintowanej rury - zwykle częstotliwości ultradźwiękowej od 40 kHz do 200 kHz. Powoduje to ruch orbitalny, który napędza śrubę.
Drugi typ napędu, silnik typu squiggle, wykorzystuje elementy piezoelektryczne połączone prostopadle z nakrętką. Ich ultradźwiękowe wibracje obracają centralną śrubę prowadzącą.
Pojedyncza akcja
Bardzo proste silniki krokowe o pojedynczym działaniu można wykonać z kryształów piezoelektrycznych. Na przykład, z twardym i sztywnym wrzecionem wirnika pokrytym cienką warstwą bardziej miękkiego materiału (takiego jak guma poliuretanowa ), można ustawić szereg ustawionych pod kątem przetworników piezoelektrycznych. (patrz ryc. 2). Kiedy obwód sterujący wyzwala jedną grupę przetworników, popychają one wirnik o jeden krok. Ten projekt nie może wykonywać kroków tak małych ani precyzyjnych, jak bardziej złożone projekty, ale może osiągać wyższe prędkości i jest tańszy w produkcji.
Patenty
Pierwszym patentem USA ujawniającym silnik napędzany wibracjami może być „Metoda i urządzenie do dostarczania energii wibracyjnej” (patent USA nr 3184842, Maropis, 1965). Patent Maropis opisuje „urządzenie wibracyjne, w którym drgania wzdłużne w rezonansowym elemencie sprzęgającym są przekształcane w drgania skrętne w rezonansowym elemencie końcowym typu toroidalnego”. Pierwsze praktyczne piezomotory zostały zaprojektowane i wyprodukowane przez V. Lavrinenko w Laboratorium Piezoelektronicznym, począwszy od 1964 r., w Kijowskim Instytucie Politechnicznym, ZSRR. Inne ważne patenty we wczesnym rozwoju tej technologii to:
- „Silnik elektryczny”, W. Ławrinienko, M. Niekrasow, patent ZSRR nr 217509, pierwszeństwo 10 maja 1965 r.
- „Konstrukcje silników piezoelektrycznych” (patent USA nr 4 019 073, Vishnevsky i in., 1977)
- „Silnik drgań skrętnych napędzany piezoelektrycznie” (patent USA nr 4210837, Vasiliev i in., 1980)
Zobacz też
- Silnik ultradźwiękowy
- Napęd silnika ultradźwiękowego stosowany w mocowaniu Canon EF
- Homogenizator ultradźwiękowy