Motor ultrasónico

Un motor ultrasónico es un tipo de motor piezoeléctrico que funciona con la vibración ultrasónica de un componente, el estator , colocado contra otro componente, el rotor o el deslizador, según el esquema de funcionamiento (rotación o traslación lineal). Los motores ultrasónicos se diferencian de otros motores piezoeléctricos en varios aspectos, aunque ambos suelen utilizar algún tipo de material piezoeléctrico, normalmente zirconato titanato de plomo y, ocasionalmente, niobato de litio u otros materiales monocristalinos . La diferencia más obvia es el uso de resonancia para amplificar la vibración del estator en contacto con el rotor en los motores ultrasónicos. Los motores ultrasónicos también ofrecen distancias de rotación o deslizamiento arbitrariamente grandes, mientras que los actuadores piezoeléctricos están limitados por la tensión estática que puede inducirse en el elemento piezoeléctrico.

Una aplicación común de los motores ultrasónicos es en lentes de cámaras, donde se utilizan para mover elementos de lentes como parte del sistema de enfoque automático. Los motores ultrasónicos reemplazan a los micromotores, que son más ruidosos y a menudo más lentos, en esta aplicación.

La fricción seca se utiliza a menudo en contacto, y la vibración ultrasónica inducida en el estator se utiliza tanto para impartir movimiento al rotor como para modular las fuerzas de fricción presentes en la interfaz. La modulación de la fricción permite el movimiento en masa del rotor (es decir, durante más de un ciclo de vibración); sin esta modulación, los motores ultrasónicos no funcionarían.

En general, existen dos formas diferentes de controlar la fricción a lo largo de la interfaz de contacto entre el estator y el rotor: la vibración de onda viajera y la vibración de onda estacionaria . Algunas de las primeras versiones de motores prácticos de la década de 1970, por ejemplo, de Sashida ^[1] , utilizaban la vibración de onda estacionaria en combinación con aletas colocadas en ángulo con respecto a la superficie de contacto para formar un motor, aunque uno que rotara en una sola dirección. Los diseños posteriores de Sashida e investigadores de Matsushita , ALPS y Canon hicieron uso de la vibración de onda viajera para obtener un movimiento bidireccional y descubrieron que esta disposición ofrecía una mejor eficiencia y un menor desgaste de la interfaz de contacto. Un motor ultrasónico de "transductor híbrido" de par excepcionalmente alto utiliza elementos piezoeléctricos con polos circunferenciales y axiales juntos para combinar la vibración axial y torsional a lo largo de la interfaz de contacto, lo que representa una técnica de accionamiento que se encuentra en algún lugar entre los métodos de accionamiento de onda estacionaria y de onda viajera.

Una observación clave en el estudio de los motores ultrasónicos es que la vibración máxima que puede inducirse en las estructuras se produce a una velocidad de vibración relativamente constante independientemente de la frecuencia. La velocidad de vibración es simplemente la derivada temporal del desplazamiento de la vibración en una estructura y no está relacionada (directamente) con la velocidad de propagación de la onda dentro de una estructura. Muchos materiales de ingeniería adecuados para la vibración permiten una velocidad de vibración máxima de alrededor de 1 m/s. A frecuencias bajas (por ejemplo, 50 Hz), una velocidad de vibración de 1 m/s en un altavoz de graves daría lugar a desplazamientos de unos 10 mm, que son visibles. A medida que aumenta la frecuencia, el desplazamiento disminuye y la aceleración aumenta. A medida que la vibración se vuelve inaudible a unos 20 kHz, los desplazamientos de vibración están en las decenas de micrómetros, y se han construido motores ^[2] que funcionan utilizando ondas acústicas de superficie (SAW) de 50 MHz que tienen vibraciones de solo unos pocos nanómetros de magnitud. Estos dispositivos requieren un cuidado en la construcción para cumplir con la precisión necesaria para hacer uso de estos movimientos dentro del estator.

En términos más generales, existen dos tipos de motores: de contacto y sin contacto, este último poco común y que requiere un fluido de trabajo para transmitir las vibraciones ultrasónicas del estator hacia el rotor. La mayoría de las versiones utilizan aire, como algunas de las primeras versiones de Hu Junhui. ^{[3] [4]} La investigación en esta área continúa, particularmente en levitación acústica de campo cercano para este tipo de aplicación. ^[5] (Esto es diferente de la levitación acústica de campo lejano , que suspende el objeto a media o varias longitudes de onda de distancia del objeto vibrante).

Canon fue uno de los pioneros del motor ultrasónico, e hizo famoso el "USM" a finales de los años 1980 al incorporarlo a sus lentes de enfoque automático para la montura de lentes Canon EF . Canon, su principal rival en la fabricación de lentes Nikon y otras empresas industriales han presentado numerosas patentes sobre motores ultrasónicos desde principios de los años 1980. Canon no solo ha incluido un motor ultrasónico (USM) en sus lentes DSLR, sino también en la cámara puente Canon PowerShot SX1 IS . ^[6] El motor ultrasónico se utiliza ahora en muchos productos electrónicos de consumo y de oficina que requieren rotaciones precisas durante largos períodos de tiempo.

La tecnología ha sido aplicada a lentes fotográficas por diversas empresas bajo diferentes nombres.

• Motor piezoeléctrico
• Actuador lineal
• Motor paso a paso
• Homogeneizador ultrasónico

General

• Certificado de autoría #217509 "Motor eléctrico", Lavrinenko V., Necrasov M., solicitud #1006424 del 10 de mayo de 1965.
• Patente de EE.UU. N.º 4.019.073, 1975.
• Patente de EE.UU. N.º 4.453.103, 1982.
• Patente de EE.UU. N.º 4.400.641, 1982.
• Motores piezoeléctricos. Lavrinenko V., Kartashev I., Vishnevskyi V., "Energiya" 1980.
• V. Snitka, V. Mizariene y D. Zukauskas El estado de los motores ultrasónicos en la ex Unión Soviética, Ultrasonics, Volumen 34, números 2-5, junio de 1996, páginas 247-250
• Principios de construcción de motores piezoeléctricos. V. Lavrinenko, ISBN 978-3-659-51406-7 , "Lambert", 2015, 236p. 

• Página de actuadores, motores y sensores ultrasónicos, del JPL de la NASA
• Diseño y rendimiento de un motor ultrasónico de alto par para aplicaciones en automóviles.
• Diseño de motores ultrasónicos en miniatura
• Motor de lente ultrasónico
• Laboratorio de investigación en micro y nanofísica, con investigaciones sobre actuadores piezoeléctricos ultrasónicos a cargo del Dr. James Friend ^{[ enlace muerto permanente ]}
• Instituto de Piezomecánica, Universidad Tecnológica de Kaunas, Lituania
• Desmontaje de un objetivo Canon EF, dejando al descubierto un motor ultrasónico
• Centro de investigación de microsistemas y nanotecnología, KTU, Lituania