Een elektronische ultrasone motor (USM) is een type lineaire motor die ultrasone trillingen gebruikt om mechanische beweging te genereren. Deze motoren worden gekenmerkt door hun hoge precisie, snelle respons en stille werking. Ze vinden toepassingen op verschillende gebieden, waaronder robotica en optica. Laten we eens kijken naar de werkingsprincipes van een elektronische ultrasone motor.
Basiscomponenten
- Stator
Het stationaire deel van de motor dat ultrasone trillingen opwekt. - Rotor (Slider)
Het bewegende deel dat wordt aangedreven door de ultrasone trillingen en een mechanische beweging produceert. - Piëzo-elektrische elementen
Deze elementen zijn meestal gemaakt van piëzo-elektrisch keramiek. Wanneer er een elektrisch veld wordt toegepast, vervormen ze en produceren ze mechanische trillingen.
Werkingsprincipe
- Het algemene principe van de werking van ultrasone motoren is het genereren van een grove mechanische beweging door de versterking en herhaling van microvervormingen van actief materiaal. Het actieve materiaal induceert een rondgaande (orbitale) beweging van de stator op de rotorcontactpunten en de wrijvingsinterface tussen de rotor en de stator corrigeert de microbeweging om macrobeweging van de stator te produceren. Dit mechanisme wordt geïllustreerd in Figuur 1. Het actieve materiaal, dat een piëzo-elektrisch materiaal is, wekt een bewegende buiggolf op binnen de stator die leidt tot een elliptische beweging van de oppervlaktedeeltjes. Tanden worden gebruikt om de snelheid te verhogen die gepaard gaat met het voortstuwende effect van deze deeltjes. De rectificatie van de microbeweging wordt verzorgd door de rotor op de stator te drukken en de wrijvingskracht tussen de twee zorgt ervoor dat de rotor gaat draaien. Deze bewegingsoverdracht werkt als een tandwiel en leidt tot een veel lagere rotatiesnelheid dan de golffrequentie.
- Om een lopende golf op te wekken, wordt de polingrichting van de piëzo-elektrische kristallen zo gestructureerd dat een kwartgolflengte uit fase wordt gevormd. Dit polingpatroon is ook bedoeld om extensie in de stator te elimineren en buiging te maximaliseren. De tanden op de stator zijn gerangschikt in een ring op de radiale positie.
- Om een lopende golf in de stator op te wekken worden twee orthogonale modi tegelijkertijd geactiveerd. Deze modi worden opgewekt door de piëzo-elektrische actuatoren te construeren in een patroon van twee polingsecties die aan de stator zijn bevestigd. Geometrisch onderzoek van dit patroon laat zien dat het aansturen van de twee secties een lopende golf produceert met een bepaalde frequentie. Door het teken van een van de aandrijfsignalen te veranderen, zou de lopende golf ook van richting veranderen.
vertaald uit: https://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommas/spie-usm97.htm
Werkingsmodi
- Modus staande golven
In deze modus genereert de stator staande golven die knooppunten en antinodes creëren. De rotor wordt op een antinode geplaatst, ervaart maximale verplaatsing en resulteert in continue beweging. - Modus Reizende golven
De stator genereert reizende golven die langs het oppervlak bewegen. De rotor wordt in het pad van deze golven geplaatst, waardoor hij tegen de voortplantingsrichting van de golf beweegt.
Wrijvingscontact
- De rotor staat in direct contact met de stator en de wrijving tussen beide is essentieel voor de werking van de motor.
- De wrijvingskrachten, gecombineerd met de ultrasone trillingen, creëren een “stick-slip” beweging. De rotor ondergaat een reeks snelle klevende en glijdende bewegingen, wat leidt tot een continue lineaire beweging.
Terugkoppeling
- Veel elektronische ultrasone motoren bevatten terugkoppelingssystemen om een nauwkeurige positionering en besturing te garanderen.
- Positiesensoren, zoals encoders of piëzo-elektrische sensoren, geven feedback aan het besturingssysteem, waardoor de beweging van de motor nauwkeurig kan worden geregeld.
Voordelen
- Elektronische ultrasone motoren bieden verschillende voordelen, waaronder hoge precisie, stille werking en de afwezigheid van elektromagnetische interferentie.
- Ze zijn compact en geschikt voor toepassingen die een fijne positionering vereisen.
Toepassingen
- Elektronische ultrasone motoren worden gebruikt in verschillende toepassingen, zoals autofocusmechanismen in camera’s, precisiepositioneringssystemen en microrobotica.
Samengevat vertrouwt een elektronische ultrasone motor op het piëzo-elektrisch effect om ultrasone trillingen te genereren, wat leidt tot een wrijvingsbeweging en een continue lineaire beweging van de rotor. De precisie en stille werking van de motor maken hem geschikt voor toepassingen die een nauwkeurige en stille bewegingsbesturing vereisen.
