Введение

Пьезоэлектрический двигатель, или пьезомотор, – это тип электродвигателя, основанный на изменении формы пьезоэлектрического материала при воздействии электрического поля, как следствие обратного пьезоэлектрического эффекта. Электрическая схема создает акустические или ультразвуковые колебания в пьезоэлектрическом материале, чаще всего цирконате титанате свинца, а иногда ниобате лития или других монокристаллических материалах, которые могут производить линейное или вращательное движение в зависимости от их конструкции. Примеры типов пьезоэлектрических двигателей включают двигатели типа «ползун», шаговые и двигатели скольжения-удержания, а также ультразвуковые двигатели, которые, в свою очередь, подразделяются на двигатели с стоячей волной и двигатели с бегущей волной. Пьезоэлектрические двигатели обычно используют циклическое шаговое движение, которое позволяет колебаниям кристаллов создавать произвольно большое перемещение, в отличие от большинства других пьезоэлектрических актуаторов, где диапазон перемещения ограничен статическим напряжением, которое может быть индуцировано в пьезоэлектрическом элементе. Выращивание и формирование пьезоэлектрических кристаллов – хорошо развитая отрасль, обеспечивающая очень однородное и стабильное искажение при заданном приложенном напряжении. Это, в сочетании с микроскопическим масштабом искажений, позволяет пьезоэлектрическому двигателю совершать очень малые шаги. Производители заявляют о точности до нанометров. Высокая скорость отклика и быстрое искажение кристаллов также обеспечивают выполнение шагов на очень высоких частотах – до 5 МГц и выше. Это обеспечивает максимальную линейную скорость примерно 800 мм в секунду, или почти 2,9 км/ч. Уникальной особенностью пьезоэлектрических двигателей является их способность работать в сильных магнитных полях. Это расширяет область их применения на задачи, в которых нельзя использовать традиционные электромагнитные двигатели, например, внутри антенн ядерного магнитного резонанса. Максимальная рабочая температура ограничена температурой Кюри используемой пьезоэлектрической керамики и может превышать +250 °C. Основные преимущества пьезоэлектрических двигателей – высокая точность позиционирования, стабильность положения при отсутствии питания и возможность изготовления в очень малых размерах или в необычных формах, таких как тонкие кольца. Типичные области применения пьезоэлектрических двигателей включают системы фокусировки в объективах камер, а также прецизионное управление движением в специализированных приложениях, таких как микроскопия.

Ультразвуковой двигатель

Ультразвуковые двигатели отличаются от других пьезоэлектрических двигателей несколькими способами, хотя оба типа обычно используют ту или иную форму пьезоэлектрического материала. Наиболее заметное отличие заключается в использовании резонанса для усиления вибрации статора, контактирующего с ротором, в ультразвуковых двигателях. Существуют два основных способа управления трением на контактной поверхности статора и ротора: вибрация бегущей волны и вибрация стоячей волны. Одни из первых практических моделей двигателей 1970-х годов, например, разработанные Сашидой, использовали вибрацию стоячей волны в сочетании с ребрами, расположенными под углом к контактной поверхности, для создания двигателя, хотя и вращающегося только в одном направлении. Более поздние разработки Сашиды и исследователей из компаний Matsushita, ALPS и Canon использовали вибрацию бегущей волны для достижения двунаправленного движения и показали, что такая конструкция обеспечивает более высокую эффективность и меньший износ контактной поверхности. Исключительно мощный ультразвуковой двигатель с гибридным преобразователем использует радиально и осево поляризованные пьезоэлектрические элементы вместе, чтобы объединить осевую и крутильную вибрацию на контактной поверхности, представляя собой метод привода, занимающий промежуточное положение между методами привода стоячей и бегущей волны.

Двигатель для червей

Двигатель дюймового червя использует пьезоэлектрическую керамику для перемещения статора посредством движения, имитирующего ходьбу. Эти пьезоэлектрические двигатели используют три группы кристаллов – две "блокирующие" и одну "двигательную", которая постоянно соединена либо с корпусом двигателя, либо со статором (но не с обоими одновременно). Двигательная группа, расположенная между двумя другими, обеспечивает движение. Неактивное состояние этого пьезоэлектрического двигателя может быть двух типов: "обычно заблокировано" или "обычно свободно". Двигатель типа "обычно свободно" позволяет свободному перемещению при отсутствии питания, но может быть заблокирован при подаче напряжения. Двигатели дюймового червя способны достигать позиционирования с точностью до нанометра, изменяя напряжение, подаваемое на двигательную группу кристаллов, при этом одна группа блокирующих кристаллов находится в зафиксированном состоянии.

Двигатель с подвесной палкой

Механизм шаговых двигателей основан на инерции в сочетании с разницей между статическим и динамическим трением. Пошаговое движение состоит из медленной фазы расширения, в которой статическое трение не преодолевается, за которой следует фаза быстрого сжатия, в которой статическое трение преодолевается и изменяется точка контакта между двигателем и движущейся частью.

Двигатели прямого привода

Пьезоэлектрический двигатель с прямым приводом создает движение за счет непрерывной ультразвуковой вибрации. Его схема управления подает двухканальную синусоидальную или прямоугольную волну на пьезоэлектрические элементы, соответствующую частоте изгибного резонанса резьбовой трубки – как правило, ультразвуковую частоту от 40 кГц до 200 кГц. Это создает орбитальное движение, которое вращает шнек. Другой тип привода, двигатель "сквиггл", использует пьезоэлектрические элементы, приклеенные ортогонально к гайке. Их ультразвуковые колебания вращают центральный ведущий винт.

Единое действие

Очень простые шаговые двигатели с одним циклом действия могут быть изготовлены с использованием пьезоэлектрических кристаллов. Например, можно использовать жесткий и прочный шпиндель ротора, покрытый тонким слоем более мягкого материала (например, полиуретановой резины), и расположить ряд угловых пьезоэлектрических преобразователей (см. рис. 2). Когда схема управления активирует одну группу преобразователей, они перемещают ротор на один шаг. Эта конструкция не позволяет достичь такой же малости и точности шагов, как в более сложных конструкциях, но обеспечивает более высокую скорость и более низкую стоимость производства.

Патенты

Первым патентом США, раскрывающим вибрационный двигатель, может быть "Метод и аппарат для передачи вибрационной энергии" (U.S. Pat. No. 3,184,842, Маропис, 1965). Патент Марописа описывает "вибрационный аппарат, в котором продольные вибрации в резонансном соединительном элементе преобразуются в крутильные вибрации в резонансном оконечном элементе тороидального типа". Первые практические пьезомоторы были разработаны и произведены В. Лавриненко в Пьезоэлектронной лаборатории, начиная с 1964 года, Киевский политехнический институт, СССР. Другие важные патенты в ранней разработке этой технологии включают:
"Электрический двигатель", В. Лавриненко, М. Некрасов, Патент СССР № 217509, приоритет 10 мая 1965 года. "Конструкции пьезоэлектрических двигателей" (U.S. Pat. No. 4,019,073, Вишневский и др., 1977)
"Пьезоэлектрический двигатель, приводимый в действие крутильными колебаниями" (U.S. Pat. No. 4,210,837, Васильев и др., 1980)