압전 모터 또는 압전 모터는 전기장이 가해질 때 압전 재료의 형상 변화에 기초한 전기 모터의 일종이다. 압전 모터는 압전 센서의 역 피에조 효과를 사용하며, 압전 센서의 변형 또는 진동으로 인해 전하가 생성됩니다. 전기 회로는 압전 재료에 음향 또는 초음파 진동을 발생시켜 선형 또는 회전 운동을 일으 킵니다. 하나의 메커니즘에서, 단일 평면에서의 연신은 캐터필라가 움직이는 방식과 유사하게 일련의 뻗기와 위치 유지를 만든다.

역사
1947 년에 바륨 티타 네이트의 첫 번째 세라믹 샘플을 얻었으며이 시간부터 압전 모터의 생산이 이론적으로 가능 해졌다. 그러나 최초의 엔진은 불과 20 년 만에 등장했습니다. 권력 모드에서 압전 변압기를 연구 한 결과, V. V. Lavrinenko의 직원이 홀더에서 회전 중 하나를 발견했습니다. 이 현상에 대한 이유를 이해 한 후 1964 년에는 최초의 압전 식 회전 모터를 제작 한 다음 선형 모터를 구동하여 릴레이를 구동했습니다. 직접 마찰 접촉을 갖는 제 1 모터에 대해, 그는 푸셔를 통해 로터와 압전 소자의 기계적 연결을 갖는 비가역 모터 그룹을 생성한다. 이를 기반으로 0에서 10,000 rpm까지의 속도 범위와 0에서 100 Nm의 토크 범위를 다루는 수십 가지 비가역 모터 설계를 제공합니다. 2 개의 비가역 모터를 사용하여 Lavrinenko는 원래 역전 문제를 해결합니다. 한 모터의 샤프트에 통합되어 두 번째 모터를 설치합니다. 그는 압전 소자의 비틀림 진동을 자극하여 모터 리소스 문제를 해결합니다.

국내외에서 유사한 작업을 수행 한 지 10 년이 지난 Lavrinenko는 전기 발전기 모드에서 작업 가능성을 배제하지 않고 압전 모터 구성의 거의 모든 기본 원칙을 개발했습니다.

개발 약속을 전제로 Lavrinenko는 자신의 제안을 이행하는 데 도움을 준 공동 저자와 함께 수많은 저작권 인증서와 특허를 수호합니다. Lavrinenko의 지시에 따라 압전 모터의 지점 실험실이 Kiev Polytechnic Institute에서 만들어지고 VCR Electronics-552 용 세계 최초의 압전 모터 생산이 조직되고 있습니다. 이후 Dnepr-2 슬라이드 프로젝터, 영화 카메라, 볼 밸브 드라이브 등을 위해 모터가 생산됩니다. 1980 년 Energia는 압전 모터에 대한 첫 번째 책을 저널에 발표했습니다. 교수의지도하에 카우 나스 폴리 테크닉 연구소 (Kaunas Polytechnic Institute)에서 압전 모터의 활발한 개발. Ragulskis K.M .. Vishnevsky V.S., 과거의 대학원생 인 Lavrinenko는 독일로 건너가 PHyzical Instryment에서 선형 압전 모터를 계속 소개합니다. 압전 모터의 점진적인 연구와 개발은 소련을 뛰어 넘습니다. 일본과 중국에서는 웨이브 엔진이 미국에서 초소형 회전 엔진을 개발하고 도입하기 시작했습니다.

구성
초음파 엔진은 동력 특성과 유사한 전자기 모터에 비해 현저히 작은 치수와 질량을 가지고 있습니다. 접착제 화합물이 함침 된 권선이 없으므로 진공 상태에서 사용하기에 적합합니다. 초음파 엔진은 디자인 특성으로 인해 공급 전압이 없을 때 상당한 최대자가 – 제동 모멘트 (최대 토크의 최대 50 %)를 갖습니다. 이는 특별한 조치를 사용하지 않고 매우 작은 이산 각 변위 (초 단위)를 허용합니다. 이 속성은 압전 모터의 준 연속 특성과 관련이 있습니다. 실제로, 전기적 진동을 기계적 진동으로 변환하는 압전 요소는 상수에 의해 구동되는 것이 아니라 공진 주파수의 교류 전압에 의해 구동됩니다. 하나 또는 두 개의 펄스를 적용 할 때 로터의 매우 작은 각 변위를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 압전 소자의 플레이트에 단일 펄스를인가 할 때 2MHz의 공진 주파수 및 0.2-6 rev / sec의 작동 주파수를 갖는 초음파 엔진의 일부 샘플은 이상적으로 회 전자 (1)의 각 변위를 제공 할 것이다 / 9.900.000-1 / 330.000 원의 크기, 즉, 0.13-3.9 각 초.

이러한 엔진의 심각한 단점 중 하나는 고체 물질 (예 : 모래)의 섭취에 대한 민감성입니다. 다른 한편, 압전 모터는 액체 매체, 예를 들어 물 또는 기름에서 작동 할 수 있습니다.

기능 원리
일반적으로 사용되는 원칙은 다음과 같습니다.

주행 모터
스탠딩 웨이브 모터
스틱 슬립 엔진으로도 알려진 관성 모터
“Inchworm”엔진
국경 모터
진행파 및 정재파 모터 및 관련 유형은 압전기 솔리드 스테이트 액추에이터에 의해 발생 된 진동에 의해 구동되기 때문에 진동 모터라고도합니다. 대조적으로, 관성, 인치 웜 및 스테퍼 모터는 (압전) 스테퍼 모터라고 불리며, 그 동작이 명확하게 구분 된 단계로 나누어 져 있기 때문입니다. 그러나 관성 모터의 경우 원칙적으로 공진 진동을 기반으로하는 관성 모터가 있기 때문에이 분류가 항상 관성 모터와 관련해서는 항상 해당되지는 않습니다.

“유연한”고정자 (얇은 바이 모프 플레이트, 얇은 판, 진동의 진폭이 커지고 공진 주파수가 낮아짐) 고주파 교류 전압이 적용되어 기계적 진행파를 형성하는 초음파 진동을 발생시키고, 이것은 회 전자 근처에있는 푸시 (후크)입니다. 왼쪽으로 움직일 때, 푸시 버튼은 쐐기 모양입니다. 오른쪽으로 움직일 때, 그것은 쐐기입니다. 푸셔가있는 모든 압전 모터는이 원리에서 작동합니다. 푸셔의 수를 늘림으로써 시작점이 큰 모터를 만들 수 있습니다.

원칙의 단순성은 구현하기가 어렵습니다. 그리고 일반 전기 모터가 실질적으로 “무릎”에 만들어 질 수 있다면, 정교한 장비 없이는 80-90 %의 고효율 초음파 엔진을 만들 수 없습니다. 그러나 우리가 효율성을 무시한다면 (우리는 50-60 %를 얻음) 집에서 초음파 모터를 만들 수 있습니다.

로터와 접촉하게되는 압전 요소의 모든 점들이 타원형에 가까운 궤도를 따라 움직여야한다는 원리는 회전하는 압전 모터의 작업의 기초입니다. 이를 위해 두 종류의 서로 직교하는 진동이 피에조 소자에서 동시에 여기됩니다. 상호 횡 방향 종 방향, 굽힘, 전단 및 비틀림 진동의 조합 일 수 있습니다. 유일한 중요한 것은 이러한 진동이 기계적으로 연결되어서는 안되는 것입니다. 즉, 한 진동의 에너지가 다른 진동으로 전달되어서는 안됩니다 (사각 평판에서 그 쪽을 따라 세로 진동이 여기되면 세로 진동이 여기됩니다) 다른면에서는 변동의 한 예입니다). 진동이 기계적으로 분리되면, 그 사이에 어떤 위상 변화가 생길 수 있습니다. 그리고 압전 모터에 대한 최적은 90 도의 위상 변이입니다. 가장 간단한 모터 (그림 3)에서, 종파 파장은 압전 요소에서 전기적으로 여기되고, 횡파, 즉 굽힘은 압전 요소의 끝이 로터 표면을 따라 이동할 때 여기됩니다. 압전 소자의 치수는 기계적 공진 및 종 방향 및 횡 방향 진동이 존재하도록 선택된다. 그러면 효율성은 80 %를 초과 할 수 있습니다. 이러한 모터의 경우 회 전자와 고정자 사이의 마찰 접촉이 라인을 따라 발생하므로 수명이 단축됩니다. 전극에 의해서만 흥분 (1), 그림. 4 압전 소자 (2) 비틀림 진동 및 기타 전극 (3) – 종단 진동에서 편평한 마찰 접촉으로 모터를 만들 수 있습니다. 자원 문제 Lavrinenko는 이러한 방식으로 해결합니다.

파동 모터
주행 파동 모터는 대부분 회전식 모터 용입니다. 그들은 고정 부분 인 고정자와 움직이는 부분 인 로터로 구성됩니다. 고정자는인가 된 AC 전압을 기계적 진동으로 변환시키는 적어도 2 개의 압전 변환기를 포함한다. 트랜스 듀서는 위상이 틀어져서 여기되어 고정자에 진행파를 생성합니다. 이것은 이동중인 스테이터와 로터 사이의 마찰 접촉상에서 움직인다. 높은 진동 진폭 및 속도를 달성하기 위해, 고정자는 일반적으로 초음파 작동 영역의 주파수에서 공진한다. 선형 진행파 모터의 진행파는 생산하기가 훨씬 더 비싸기 때문에 선형 진행파 모터는 아직 상용화되지 않았습니다. 여행용 웨이브 모터는 특히 카메라 렌즈에서의 사용을 통해 더 큰 주목을받습니다. 이것의 예는 “travel wave motor”기사에서 찾을 수 있습니다.

서 웨이브 모터
정재파 모터에서, 정재파 형태의 진동은 압전기 솔리드 스테이트 액추에이터에 의해 고정자에서 발생된다. 결과적으로 하나 이상의 접점이 대부분 타원형으로 움직이면 로터가 작동합니다. 높은 진동 진폭에서 접촉이 일시적으로 중단되어 충격을 일으킬 수 있습니다. 서있는 파 모터는 많은 다른 모양을 가질 수 있고 회전하고 선형 움직임을 생성 할 수 있습니다. 왼쪽 사진은 4 개의 압전 액추에이터로 구동되는 회전 정재파 모터를 보여줍니다.

관성 모터
관성 모터는 움직일 대상의 관성을 사용하여 마찰력으로 움직입니다. 고전적인 관성 모터에서는 마찰 접촉에서의 슬로우 모션 단계가 정적 마찰을 받기 쉽고, 빠른 모션의 단계에서는 관성력이 커지기 때문에 부품이 서로 겹쳐 움직입니다. 정적 마찰과 미끄럼 마찰 사이의 이러한 변화는 “스틱 슬립 모터”( “스틱 스틱”및 “슬립”= 슬라이딩) (스틱 슬립 효과 참조)으로 광범위하게 지정되었습니다. 그러나 구속 단계없이 작동하는 관성 모터도 있습니다. 이 엔진에서, 부품들은 구동 단계 동안 서로 미끄러진다.

압전 관성 모터는 매우 간단 할 수 있습니다. 가장 단순한 경우에는 그 반대의 예제와 같이 세 개의 구성 요소로만 구성됩니다. 다양한 형태의 관성 모터는 모터 구동 용 고체 상태 액츄에이터가 고정되어 있거나 엔진과 함께 움직이는 지 여부에 따라 구분할 수 있습니다. 대부분의 관성 모터는 수 kHz까지의 낮은 주파수에서 작동합니다. 그러나 일부 공진 관성 모터는 초음파 범위에서도 작동합니다. 관성 모터는 z입니다. B. 디지털 카메라의 현미경 및 이미지 안정화에서 샘플 배치에 사용됩니다.

웜 모터
소위 “인치 웜”모터는 “클램핑 및 슬라이딩”원리에 따라 작동합니다. 캐터필라와 같은 운동 원리는 일반적으로이 유형의 엔진을 오늘날 “Inchworm”이라는 브랜드 이름으로 묘사 한 캐터필러 영어 (Caterpillar English) 용이었다. 오른쪽 그림에 표시된 모터는 두 개의 클램핑 작동기와 한 개의 공급 작동기 (상단 및 하단)로 구성됩니다. 클록 방식 작동으로 인해 “인치 웜 (inchworm)”모터는 가청 범위의 저주파에서 작동합니다. 그들은 큰 힘과 정밀도를 위해 설계되었으며, 고속도에 비해 적습니다.

워킹 모터
“인치 웜 (inchworm)”모터와는 달리, 스테퍼 모터 (stepper motor)에서 클램핑과 드라이브는 다른 액추에이터가 아니라 동일한 것으로 인계됩니다. 인접한 그림에 표시된 예에서는이 목적으로 바이 모프 설계의 두 굴곡 액추에이터 (두 개의 액추에이터 + 중간 레이어)가 사용됩니다. 팁의 접점은 자유로운 움직임으로 타원 운동을 수행합니다. 사실,이 트랙의 일부를 “로터”, 즉 구동 할 요소에 대고 눌러 원하는 방향으로 밀어냅니다. 액추에이터의 위상 이동 된 움직임으로 인해 항상 적어도 하나는 로터를 고정하므로 결코 자유롭게 움직이지 않습니다.

현재 디자인
하나의 구동 기술은 고정자를 밀어 내기 위해 압전 세라믹을 사용합니다. 이 압전 모터는 3 개의 결정 그룹을 사용합니다. 두 개의 잠금 장치와 모터 케이싱 또는 고정자 중 하나에 영구적으로 연결되는 동기입니다 (둘 다 가능하지는 않음). 다른 두 사람 사이에 끼워진 동기 그룹이 동작을 제공합니다. 이 압전 모터는 근본적으로 스테핑 모터이며 각 단계는 잠금 유형에 따라 두 개 또는 세 개의 동작을 포함합니다. 이 모터는 인치 웜 모터라고도합니다. 다른 메커니즘은 탄성 표면파 (SAW)를 사용하여 선형 또는 회전 운동을 생성합니다.

두 번째 구동 유형 인 스퀴 글 모터는 너트에 직각으로 결합 된 압전 소자를 사용합니다. 초음파 진동으로 중앙의 리드 스크류가 회전합니다. 이것은 직접 구동 메커니즘입니다.

잠금 장치
첫 번째 유형의 압전 모터의 비 전력 작동은 두 가지 옵션 중 하나입니다. 일반적으로 잠겨 있거나 정상적으로 해제됩니다. 일반적으로 잠긴 모터에 전원이 공급되지 않으면 스핀들 또는 캐리지 (각각 회전식 또는 선형 형)가 외력에 의해 움직이지 않습니다. 일반적으로 자유로운 모터의 스핀들 또는 캐리지는 외부 힘에 의해 자유롭게 움직입니다. 그러나 두 잠금 장치 그룹이 모두 정지 된 상태에서 정상적으로 작동하지 않는 모터는 원동력을 제공하지 않고 외력에 저항합니다.

기계식 래치와 크리스털의 조합은 동일한 일을 할 수 있지만 모터의 최대 스텝핑 속도를 제한합니다. 드라이브 스크류가 너트의 나사에 의해 잠겨지기 때문에 두 번째 유형의 모터의 비 동력 작동이 잠 깁니다. 따라서 전원이 꺼진 상태에서도 위치를 유지합니다.

스테핑 작업
잠금 유형에 관계없이 스테핑 유형 압전 모터 (선형 및 회전식)는 운동을 생성하는 동일한 메커니즘을 사용합니다.

먼저, 한 그룹의 로킹 크리스탈이 활성화되어 한 쪽을 잠그고 다른 쪽은 피에조 크리스탈의 ‘샌드위치’의 잠금을 해제합니다.
다음으로, 동기 결정 그룹이 트리거되고 유지됩니다. 이 그룹의 확장은 잠금 해제 된 잠금 그룹을 모터 경로를 따라 이동시킵니다. 이것은 모터가 움직이는 유일한 단계입니다.
그런 다음 1 단계에서 트리거 된 잠금 그룹이 해제됩니다 (정상적으로 잠금 모터에서, 다른 트리거에서 트리거).
그런 다음 동기 그룹이 해제되어 ‘후행’잠금 그룹을 취소합니다.
마지막으로 두 잠금 그룹이 기본 상태로 돌아갑니다.

직접 드라이브 동작
직접 구동 압전 모터는 연속적인 초음파 진동을 통해 운동을 생성합니다. 이 회로의 제어 회로는 일반적으로 40kHz ~ 200kHz의 초음파 주파수 인 나사산 형 튜브의 벤딩 공진 주파수와 일치하는 2 채널 정현파 또는 구형파를 압전 소자에 적용합니다. 이것은 나사를 움직이는 궤도 운동을 만듭니다.

속도와 정밀도
압전기 결정의 성장 및 형성은 잘 발달 된 산업으로, 주어진인가 된 전위차에 대하여 매우 균일하고 일정한 왜곡을 일으킨다. 이것은 왜곡의 미세한 스케일과 결합되어 압전 모터에 매우 미세한 단계를 만드는 능력을 부여합니다. 제조업체는 나노 미터 규모의 정밀도를 요구합니다. 높은 응답 속도와 빠른 크리스털 왜곡은 5MHz 이상의 매우 높은 주파수에서 단계를 발생시킵니다. 이는 초당 약 800 mm 또는 거의 2.9 km / h의 최대 선형 속도를 제공합니다.

압전 모터의 고유 한 기능은 강력한 자기장에서 작동하는 능력입니다. 이것은 핵 자기 공명 안테나와 같은 전통적인 전자기 모터를 사용할 수없는 애플리케이션에 유용성을 확대합니다. 최대 작동 온도는 사용 된 압전 세라믹의 퀴리 온도에 의해 제한되며 + 250 ℃를 초과 할 수 있습니다.

기타 디자인

단일 액션
매우 간단한 싱글 액션 스테핑 모터는 압전 크리스탈로 만들 수 있습니다. 예를 들어, 폴리 우레탄 고무처럼 부드러운 재질의 얇은 층으로 코팅 된 경질 및 강성 로터 – 스핀들을 사용하여 일련의 각진 압전 트랜스 듀서를 배치 할 수 있습니다. (도 2 참조). 제어 회로가 트랜스 듀서의 한 그룹을 트리거 할 때, 그들은 로터를 한 단계 밉니다. 이 디자인은보다 작고 정밀한 단계를 복잡한 디자인처럼 만들 수는 없지만 더 높은 속도에 도달 할 수 있고 제조 비용이 저렴합니다.

특허
진동으로 구동되는 모터를 개시하는 미국 특허는 “진동 에너지를 전달하는 방법 및 장치”(미국 특허 제 3,184,842 호, 마크로스, 1965) 일 수있다. Maropis 특허는 “공진 결합 요소의 종 방향 진동이 토 로이드 형 공진 단자 요소에서 비틀림 진동으로 변환되는 진동 장치”를 설명합니다. 최초의 실용적인 압전 모터는 1964 년부터 소련의 Kiev Polytechnic Institute 소련에서 제작 된 Piezoelectronic Laboratory의 V. Lavrinenko에 의해 설계되고 제작되었습니다. 이 기술의 초기 개발에서 중요한 다른 특허는 다음과 같습니다.

“전기 모터”, V. Lavrinenko, M. Nekrasov, 특허 소련 # 217509, 우선 순위 1965 년 5 월 10 일.
“압전 모터 구조물”(미국 특허 제 4,019,073 호, Vishnevsky 등, 1977)
“압전 구동 토션 진동 모터”(미국 특허 제 4,210,837 호, 바실리 에프 (Vasiliev) 등, 1980)

은혜
이러한 유형의 엔진의 가장 중요한 장점 중 하나는 모든 회전 속도에 대해 직접 구동이 가능하다는 것입니다. 건설적인 측면에서 볼 때, 구동 장치는 상당히 단순화되며, 경우에 따라서는 효율이 크게 증가하여 기어 박스를 “먹는다”. 유동 영역 (그림 5)과 대량 생산으로 볼 밸브 구동 장치의 개발을 허용 한 것은이 특성입니다.

속도면에서 압전 모터는 동등하지 않습니다. 이것은 전자기 모터의 경우와 같이 동력이 회 전자의 질량에 의존하지 않기 때문입니다. 밀리 초의 짧은 시간 동안, 그들은 필요한 속도를 얻으며 예를 들어 연료 인젝터와 같은 값 비싼 압전 액츄에이터와도 경쟁 할 수 있습니다.

piezomotors의 최소 단계는 1 초의 천분의 1 일 수 있습니다. 그들의 기초 위에서, 현미경 가이드는 나노 미터 범위에서 작동하도록 만들어졌습니다. 저속 가전 제품의 경우 변속기가 없기 때문에 소음이 없으며 구운 권선에서 냄새가 나지 않습니다. 분리 된 상태에서 회 전자의 억제, 형태의 가소성, 제품에 일체 적으로 통합 할 수있는 능력 또한 유용합니다.

압전 모터는 전적으로 비자 성 재료로 만들 수 있습니다. 그들 중 일부는 고온 (섭씨 300도 이하), 진공 상태, 강한 자기장, 높은 방사선 조건, 물이나 기름에 잠겨있을 때 사용할 수 있습니다.

신청
초음파 엔진은 최소 각도 및 선형 변위를 달성해야하는 기술 분야에서 성공적으로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 천문학, 우주 연구에서 아주 작은 물체 (별)에 정확한 방향이 요구됩니다. 하전 된 입자의 가속기에서, 엄격하게 규정 된 기하학적 좌표로 빔을 유지할 필요가있는 경우; 연구에서 결정 구조 (고니 오 미터 헤드의 방향)를 연구 할 때; 로봇 등

압전 모터를 기반으로 안테나 및 감시 카메라의 드라이브, 전기 면도기, 절삭 공구 드라이브, 테이프 드라이브 메커니즘, 타워 거리 시계, 볼 밸브 드라이브, 광고 플랫폼의 저속 (2 rpm) 드라이브, 전기 드릴, 아동용 장난감 및 이동식 보철물, 천장 선풍기, 로봇 등

웨이브 압전 모터는 일안 레 플렉스 카메라 용 렌즈에도 사용됩니다. 다른 제조업체의 렌즈와 같은 기술 이름의 변형 :

Canon – USM, UltraSonic Motor;
미놀타, 소니 – SSM, SuperSonic Motor;
Nikon – SWM, 사일런트 웨이브 모터;
Olympus – SWD, Supersonic Wave Drive;
파나소닉 – XSM, 엑스트라 사일런트 모터;
Pentax – SDM, Supersonic Drive Motor;
Sigma – HSM, Hyper Sonic Motor;
Tamron – USD, 초음파 사일런트 드라이브, PZD, 압전 드라이브.
Samsung – SSA의 최고 음향 액추에이터;

공작 기계 산업에서 이러한 엔진은 절삭 공구를 매우 정밀하게 배치하는 데 사용됩니다.

예를 들어, 마이크로 드라이브 커터가있는 선삭 기계 용 특수 공구 홀더가 있습니다.