Кіріспе
Пьезоэлектрлік мотор немесе пьезоэлектрлік қозғалтқыш – кері пьезоэлектрлік эффектінің нәтижесінде электр өрісі қолданылғанда пьезоэлектрлік материалдың пішінінің өзгеруіне негізделген электр моторларының бір түрі. Электр тізбегі пьезоэлектрлік материалда акустикалық немесе ультрадыбыстық дірілдерді тудырады, көбінесе қорғасын цирконат титанаты және кейде литий ниобаты немесе басқа да бір кристалл материалдар қолданылады. Бұл материалдардың механизміне байланысты сызықтық немесе айналма қозғалыс жасауға мүмкіндік береді. Пьезоэлектрлік моторлардың түрлеріне инч-құрт моторлары, басқыш және сығанақтай қозғалатын моторлар, сондай-ақ ультрадыбыстық моторлар жатады, олар өз кезегінде тұрған толқынды және жүретін толқынды моторларға бөлінеді. Пьезоэлектрлік моторлар әдетте циклдық басқыш қозғалысты пайдаланады, бұл кристаллдардың дірілі арқылы кез келген үлкен қозғалыс жасауға мүмкіндік береді. Бұл, көптеген басқа пьезоэлектрлік актuatorлардан өзгеше, олардағы қозғалыс диапазоны пьезоэлектрлік элементте туындауы мүмкін статикалық деформациямен шектеледі. Пьезоэлектрлік кристалдардың өсіру және пішіндендіру процесі жақсы дамыған өнеркәсіп саласы болып табылады, бұл белгілі бір потенциал айырмашылығы үшін өте біркелкі және тұрақты деформацияны қамтамасыз етеді. Бұл, деформацияның өте кішкентай масштабымен үйлесіп, пьезоэлектрлік моторға өте ұсақ қадамдар жасау қабілетін береді. Өндірушілер нанометрлік дәлдікке қол жеткізілетінін мәлімдейді. Кристаллдардың жоғары жауап жылдамдығы мен жылдам деформациясы қадамдардың өте жоғары жиіліктерде орындалуына мүмкіндік береді – 5 МГц-тен жоғары. Бұл шамамен секундтық 800 мм немесе сағатына 2,9 км максималды сызықтық жылдамдыққа әкеледі. Пьезоэлектрлік моторлардың ерекше қабілеті – олардың күшті магниттік өрістерде жұмыс істеуге қабілеттілігі. Бұл олардың қолданылу аясын кеңейтеді, дәстүрлі электромагниттік моторларды қолдануға болмайтын жағдайларда, мысалы, ядролық магниттік резонанс антенналарының ішінде де пайдалануға болады. Жұмыс істеудің максималды температурасы қолданылатын пьезоэлектрлік керамиканың Кюри температурасымен шектеледі және +250 °C-тан асуы мүмкін. Пьезоэлектрлік моторлардың негізгі артықшылықтары – жоғары орналасу дәлдігі, қуаттандырылмаған кезде орнының тұрақтылығы және өте кішкентай өлшемдерде немесе жұқа сақиналар сияқты ерекше пішінде жасалу мүмкіндігі. Пьезоэлектрлік моторлардың кең таралған қолданылуларына камера линзаларындағы фокустау жүйелері, сондай-ақ микроскопия сияқты арнайы қолданыстардағы дәл қозғалысты басқару жатады.
Ультрадыбыстық қозғалтқыш
Ультрадыбыстық қозғалтқыштар басқа пьезоэлектрлік қозғалтқыштардан бірнеше жағынан ерекшеленеді, бірақ екеуі де әдетте пьезоэлектрлік материалдың қандай да бір түрін қолданады. Ең айқын айырмашылық – ультрадыбыстық қозғалтқыштарда ротормен жанасатын статордың тербелісін резонанс арқылы күшейту. Статор-ротордың жанасу интерфейсіндегі үйкелісті басқарудың екі негізгі тәсілі бар: жүретін толқын тербелісі және тұрған толқын тербелісі. Мысалы, 1970 жылдары Сашида жасаған практикалық қозғалтқыштардың алғашқы үлгілері тұрған толқын тербелісін пайдаланды, сондай-ақ жанасу бетіне белгілі бұрышпен орналасқан қанатшаларды қолданып, бір бағытта ғана айналатын қозғалтқыш жасады. Кейінірек Сашида және Мацусита, ALPS және Canon компанияларының зерттеушілері жүретін толқын тербелісін пайдаланып екі бағытты қозғалысқа қол жеткізді және бұл конструкция тиімділігі жоғарырақ және жанасу интерфейсінің тозуын азайтатынын анықтады. Өте жоғары моментті «гибридтік түрлендіргіш» ультрадыбыстық қозғалтқышы, контактілік интерфейс бойымен осьтік және бұралу тербелісін біріктіру үшін шеңберлік және осьтік бағытта поляризацияланған пьезоэлектрлік элементтерді қолданады, бұл тұрған және жүретін толқынмен қозғалту әдістерінің арасындағы техника болып табылады.
Инчворт моторы
Инчворт моторы пиезоэлектрлік керамиканы пайдаланып, жүру типіндегі қозғалыс арқылы статорды итеріп жібереді. Бұл пиезоэлектрлік моторлар үш кристалл тобын пайдаланады – екі «бұғаттаушы» және бір «қозғаушы», ол қозғалтқыштың корпусына немесе статорына (біреуіне ғана) тұрақты түрде жалғанады. Басқа екеуінің арасында орналасқан қозғаушы топ қозғалысты қамтамасыз етеді. Бұл пиезоэлектрлік мотордың қуаттандырылмаған күйдегі мінез-құлқы екі нұсқаның бірі болуы мүмкін: «әдетте бұғатталған» немесе «әдетте бос». Әдетте бос тип қуаттандырылмағанда еркін қозғалуға мүмкіндік береді, бірақ кернеу қолданылғанда бұғатталуы мүмкін. Инчворт моторлары, бір жиын бұғаттаушы кристалдар қосылғанда, қозғаушы кристалға қолданылатын кернеуді өзгерту арқылы нанометрлік масштабтағы орналасуға қол жеткізе алады.
Слип-стик моторы
Слип-стик моторларының механизмі инерцияға және статикалық және динамикалық үйкеліс арасындағы айырмашылыққа негізделген. Қадамдық қозғалыс статикалық үйкеліс жеңілмеген баяу созылу фазасынан және кейін статикалық үйкеліс жеңіліп, мотор мен қозғалатын бөліктің арасындағы жанасу нүктесі ауысатын жылдам жиырылу фазасынан тұрады.
Тікелей қозғалтқыш қозғалтқыштары
Тікелей жетегі бар пьезоэлектрлік қозғалтқыш үздіксіз ультрадыбыстық діріл арқылы қозғалыс тудырады. Оның басқару тізбегі пьезоэлектрлік элементтерге екі каналды синусоидты немесе тіктөртбұрышты толқынды қолданады, ол бұрандалы түтіктің иілу резонанстық жиілігімен сәйкес келеді – әдетте 40 кГц-ден 200 кГц-ға дейінгі ультрадыбыстық жиілік. Бұл бұранданы жетектейтін орбиталық қозғалыс жасайды. Екінші типтегі жетек – ирек тәрізді қозғалтқыш, ол гайқаға перпендикуляр түрде жалғанған пьезоэлектрлік элементтерді пайдаланады. Олардың ультрадыбыстық дірілі ультрадыбыстық жиіліктері орталық жетек бұрандасын айналдырады.
Бірыңғай іс-қимыл
Пьезоэлектрлік кристалдарды пайдаланып, өте қарапайым, бір қимылды қадамдық қозғалтқыштар жасауға болады. Мысалы, қатты және қатаң ротор білігін жұмсақ материалдың (полиуретан резеңкесі сияқты) жұқа қабатымен жапсап, бұрышты пьезоэлектрлік түрлендіргіштердің тізбегін орналастыруға болады (2-суретті қараңыз). Басқару тізбегі бір түрлендіргіштер тобын іске қосса, олар роторды бір қадамға жылға береді. Бұл конструкция күрделі конструкциялар сияқты кішкентай немесе дәл қадамдар жасауға мүмкіндік бермейді, бірақ жоғары жылдамдыққа қол жеткізеді және өндіруге арзан болады.
Патенттер
Алғашқы АҚШ патенті дірілмен жұмыс істейтін қозғалтқышты ашалатын "Дірілдік энергияны жеткізу әдісі және құрылғысы" (АҚШ Патенті № 3,184,842, Маропис, 1965 жыл) болуы мүмкін. Маропис патенті "резонанстық байланыс элементіндегі бойлық дірілдерді тороид тәрізді резонанстық терминалды элементтегі бұрылу дірілдеріне түрлендіретін дірілдік құрылғыны" сипаттайды. Алғашқы практикалық пьезомоторларды В. Лавриненко 1964 жылдан бастап Киев политехникалық институтындағы (КСРО) Пьезоэлектрлік зертханасында жасап, өндірді. Бұл технологияның дамуының алғашқы кезеңіндегі басқа да маңызды патенттер: "Электр қозғалтқышы", В. Лавриненко, М. Некрасов, КСРО Патенті № 217509, басымдығы 1965 жылдың 10 мамыры. "Пьезоэлектрлік мотор құрылымдары" (АҚШ Патенті № 4,019,073, Вишневский және басқалар, 1977 жыл) және "Пьезоэлектрлік бұрылу дірілді қозғалтқышы" (АҚШ Патенті № 4,210,837, Васильев және басқалар, 1980 жыл).
"Electrical motor", V. Lavrinenko, M. Nekrasov, Patent USSR # 217509, priority May 10, 1965. "Piezoelectric motor structures" (U. S. Pat. No. 4,019,073, Vishnevsky, et al., 1977)
"Piezoelectrically driven torsional vibration motor" (U. S. Pat. No. 4,210,837, Vasiliev, et al., 1980)