Na světě existují nejen klasické motory pracující na principu elektromagnetické indukce, ale také tzv. ultrazvukové, využívající piezoelektrický jev. Ty se vyznačují úplně jinými vlastnostmi a jdou použít i tam, kde jiné motory jsou nepoužitelné. Zvláště v aplikacích vyžadující přesné krokování, přesný kontinuální běh nebo velmi častý rozběh a zastavení. Ultrazvukové motory při miniaturních velikostech poskytují dost velký výkon.

Když se řekne "ultrazvukové motory (ultrasonic motors)", málo kdo si přesně vybaví, co to vlastně je. Pod téměř exotickým názvem se skrývají rotační i lineární miniaturní a malé pohony se schopností velmi přesného řízení pohybu, jak rychlosti, tak i pozice natočení. Nejlepší ultrazvukové motory umožňují dokonce krokovat natočení v desítkách pikometrů (pm) ! To je miliontina mikrometru. Přitom princip této technologie je vcelku prostý a využívá piezoelektrického jevu.

Základní idea funkce

Základní idea funkce ultrazvukových motorů je až triviální. Představte si ležící mobilní telefon na rovném stole. Tam také často bývá. V tom někdo zavolá a mobil s nastaveným vibračním vyzváněním začne vibrovat. Pokud telefon má silné vyzvánění, začne se vlivem vibrací (nadskakování) po stole posouvat. A tak vznikne na krátkou dobu z mobilu převodník elektrické energie na mechanickou, tedy na pohyb. A přesně něco podobného využívají i ultrazvukové motory.

Ty využívají vibrací piezoelektrického materiálu - stator, který se po připojení signálového napětí o dostatečně vysoké frekvenci střídavě smršťuje a roztahuje v rytmu periodu signálu. Začne tedy jakoby poskakovat, ale protože je upevněný, začne udělovat pohyb (odstrkovat) k tomu uzpůsobený volný díl - rotor. Ten již pohyb předává vnějšímu připojené mechanismu. A motor je na světě.

Druhy ultrazvukových motorů

Stejně jako klasické elektromagnetické motory, i ty ultrazvukové se vyrábějí ve dvou pohybových provedeních:

• lineární motory - produkují konečný přímý pohyb
• rotační - produkují klasický nekonečný rotační pohyb

V nabídkách firem jsou zatím zastoupené tak zhruba 50:50. Zatímco ty v lineárním provedení jsou od klasických rozdílné, rotační ultrazvukové motory vypadají někdy na první pohled podobně jako ty indukční motory.

V praxi se objevují dva základní funkční principy ultrazvukových piezoelektrických motorů:

• rezonanční / třecí motor (resonant / friction motor)
• krokové / chodící motory (step / walk motor)

Přičemž první typ byl vyvinut dříve a je tedy běžnější než ten druhý.

Vlastnosti ultrazvukových motorů vs. klasické

• Malé až miniaturní rozměry
• Malá spotřeba
• Velmi lehký
• Dlouhá životnost více jak 20 000 hodin
• Velké zrychlení i přes 20 g
• Minimální nastavitelný krok až 50 pikometrů
• Rychlost pohybu (otáčení) až 1 m/s
• Tažná/tlačná síla až 600 N
• Snadné řízení rychlosti a kroku
• Snadná regulace přímá i se zpětnou vazbou
• Motor napájení drží nastavenou pozici
• Negenerují žádné teplo
• Vysoká účinnost
• Minimální generování rušení
• Jednoduchá technologie znamená nízkou cenu

Použití

• Optoelektroniká zařízení
• Zaostřování digitálních fotoaparátů a kamer
• Mikromanipulace
• Mikroskopie
• Metrologie
• Přesné mikroobrábění
• Zařízení pro výrobu integrovaných obvodů
• Lékařská technika
• Robotika
• apod.

Princip a vlastnosti rezonančních/třecích motorů

Lineární motor PI

Princip a vlastnosti rezonančního typu ultrazvukových motorů ukážu na lineárních motorech firmy Physik Instrumente GmbH & Co. KG, často zkráceně označované jako PI.

Srdcem jejich mechanismu je obdélníkový monolitický piezokeramický plátek (Piezo Actuator) pracující jako stator, a který je na jedné straně rozdělen dvěmi budícími elektrodami (excitation elektrodes). V závislosti na požadovaném směru pohybu se budí levá nebo pravá elektroda piezokeramického plátku budícími pulsy, které způsobují vznik vlastních vysokofrekvenční oscilací piezoplátku na frekvenci několik desítek nebo stovek kHz. Hliníkoví třecí hrot (posunovač - Friction Tip) připevněný na plátku se vychyluje podél přímé trajektorie dle rezonanční frekvence plátku. Skrz jeho kontakt s třecím proužkem (friction bar) tak poskytuje mechanické mikroimpulsy a provádí pohyb mechanickou částí (rotor - bearing) směrem dopředu nebo zpět. S každým cyklem oscilací mechanika vykoná krok o velikosti několika nanometrů. V makroskopickém měřítku jde o hladký pohyb s virtuálně neomezeným rozsahem. Budící síla je odebírána z podélné složky oscilací, zatímco příčná složka slouží k zvýšení nebo snížení tlaku na třecí hrot proti třecímu nosníku. Příčná energie oscilací určuje maximální třecí sílu a přídržnou sílu budící síly motoru. Současné ultrazvukové motory tohoto typu mohou generovat zrychlení až 20 g, rychlost pohybu až 800 mm/s (0,8 m/s) a tažnou sílu až 50 N. Minimální krok (posun) je okolo 50 nm. Rychlost i délka kroku se snadno řídí pomocí frekvence a délky budících pulsů.

 

Rotační motor CANON

CANON patří mezi vedoucí firmy, které již uplatňují ultrazvukové motory v komerční sféře - spotřební a kancelářské elektronice. I když základní princip funkce je stejný jako u výše uvedených lineárních motorech PI, provedení je odlišné. Také zde pružný stator generuje vibrace, jejichž výsledkem je tření pohánějící pohyblivý volný rotor ve specifikovaném směru. Protože se pro vytváření pohybu využívá vibrací generované vysokofrekvenčním signálem, je výsledná rychlost rotace v absolutních číslech malá. I tak se však vytváří větší kroutící moment, než který by byl vytvořit schopen vytvořit stejně malý klasický indukční elektromagnetický indukční motor.

Ultrazvukový motor firmy CANON se skládá z:

• pevný stator - piezoelektrické keramické elementy (výčnělky) na kovovém kruhu, které se pro přiložení střídavého el.pole (napětí) roztahují a smršťují
• volný rotor - poháněný třením vychylovaných elementů statoru o kontaktní plochu rotoru

Piezoelektrické keramické elementy (výčnělky) na statoru jsou vzájemně polarizovány. Externě generované střídavé napětí s frekvencí 30 kHz je použito ke generování stacionární vibrační vlny s amplitudou okolo 1 mikrometru. Další stacionární vlna o přesně stejné frekvenci (vln. délce) jako ta první, ale s fázově posunutá o 1/4 periody, je generována k syntetizování vln, čímž se vytváří "vychylující pohybující se vibrační vlna (deflection traveling vibration wave)" zajišťující otáčivé vibrační pole, díky které se rotor otáčí.

Princip a vlastnosti krokových/chodících motorů

Princip krokových ultrazvukových motorů je založen na dvojité piezoelektrické struktuře (stator), která mezi sebou svírá pohybující se nosník nebo kotouč (rotor). Každá ze symetrických částí piezostruktury obsahuje dva sloupce dvou typů piezokrystalů (piezo stack) připevněné k základové desce (baseplate). Ta je vertikálně tlačena na rotor silou F. Piezostack obsahuje dva na sobě umístěné různě orientované piezoelementy s rozdílnou piezoelektrickou konstantou (koeficientem prodloužení). Zatímco element s koeficientem d33 se smršťuje a roztahuje ve vertikálním směru (kolmém na rotor), element s d15 má smykovou roztažnost, tzn. roztahuje se a smršťuje v úhlopříčce.

Přirovnání k chůzi je nasnadě, protože element s koeficientem d13 jakoby přizvedne celou strukturu nad rotor (podobné ke zvednutí nohy) a smykově roztažný piezoelement d15 (jakoby chodidlo) se spodní hranou posune o několik nanometrů dopředu. Po opětovném dosednutí struktury na rotor a smrštění smykového elementu se vykoná posun rotoru. Celá struktura tak jakoby udělala krok v požadovaném směru. Výhodou uvedeného systému je v tom, že bez přivedeného řídícího a napájecího signálu je rotor z obou stran pevně přitisknut mezi obě strany dvojité piezostruktury (čelistí) statoru a nelze s nimi pohnout. A tak je rotor odpojeného motoru automaticky zajištěn proti pohybu a nastavená pozice je držena libovolně dlouho.

Napájení a řízení tohoto motoru se provádí obdélníkovým signálem, kde frekvencí/periodou se řídí rychlost pohybu (otáčení) a amplitudou obdélníků pak délka kroku. Ta je díky výše popsanému principu přesně dána velikostí roztažení a smrštění smykového elementu a lze tedy přesně řídit napětím na něj přivedeným. Nejnovější a nejlepší krokové/chodící ultrazvukové motory řady NEXLINE firmy PI mohou mít délku kroku jen 50 pikometrů a lze tak s nimi řídit pohyb miniaturních nebo velmi přesné mechaniky (např. optické prvky, natáčení zrcátek a posuv čoček, natočrní substrátu při výrobě chipů integrovaných obvodů apod.). Také obsahují hned několik "chodících" struktur a i když jeden krok má velikost v řádu nano a mikrometrů, při buzení signálem s frekvencí několika stovek Hz nebo jednotek až desítek kHz se pak pohyb opět jeví jako kontinuální. Motor pak dosahuje rychlostí až stovek mm/s a tlačné síly až 600 N.

Závěr

Ultrazvukové motory patří mezi největší novinky v oblasti pohonů. Jde o zajímavý, ale v zásadě jednoduchý princip, který však poskytuje zajímavé vlastnosti a možnosti. Ultrazvukové motory se nesnaží a ani nemohou konkurovat klasickým elektromagnetickým motorům. Spíše vyplňují mezeru a umožňují realizovat aplikace, kde již klasické motory z fyzikální podstaty své funkce prostě nemohou pracovat. Ultrazvukové motory jistě čeká světlá budoucnost. Zanedlouho se také objeví na stránkách automatizace.HW.cz v 2. pokračování článku, kde se již zaměřím na reálné produkty, které lze nalézt v nabídkách některých firem na celosvětovém trhu.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy PI (Physik Instrumente GmbH & Co. KG), výrobce ultrazvukových motorů - www.pi.ws
• Domovská stránka firmy Canon, výrobce ultrazvukových motorů pro spotřební elektroniku - www.canon.com
• Článek o obecném principu, funkci a výpočtech piezoelekrických elementů na serveru automatizace.HW.cz
• Článek "Princip optických enkodérů polohy pro řízení motorů" na serveru automatizace.HW.cz