圧電モーター

圧電モーターまたはピエゾモーターは、電界が印加されたときに逆圧電効果の結果として圧電材料の形状が変化することに基づく電気モーターの一種です。電気回路は、圧電材料（ほとんどの場合はチタン酸ジルコン酸鉛、場合によってはニオブ酸リチウムまたはその他の単結晶材料）に音響または超音波振動を発生させ、そのメカニズムに応じて直線運動または回転運動を生成できます。[ 2 ]圧電^モーターの種類の例としては、インチワームモーター、ステッピングモーター、スリップスティックモーター、および超音波モーターがあり、これらはさらに定在波モーターと進行波モーターに分類できます。圧電モーターは通常、周期的なステッピング運動を使用し、結晶の振動によって任意の大きな運動を生成できます。これは、圧電素子に誘発される静的歪みによって動作範囲が制限される他のほとんどの圧電アクチュエータとは対照的です。

圧電結晶の成長と形成は十分に発達した産業であり、与えられた電位差に対して非常に均一で一貫した歪みを生み出します。これと歪みの微細スケールを組み合わせることで、圧電モーターは非常に細かいステップを踏むことができます。メーカーはナノメートルスケールの精度を主張しています。結晶の応答速度が高く歪みが速いため、5 MHz以上の非常に高い周波数でステップを踏むこともできます。これにより、最大線速度は約 800 mm/秒、つまり約 2.9 km/h になります。

圧電モーターのユニークな機能は、強力な磁場でも動作できることです。これにより、核磁気共鳴アンテナ内部など、従来の電磁モーターを使用できない用途にも有用性が広がります。最大動作温度は、使用される圧電セラミックの キュリー温度によって制限され、+250 °C を超える場合があります。

圧電モーターの主な利点は、高い位置決め精度、無電源時の位置安定性、非常に小さなサイズや薄いリングなどの特殊な形状で製造できることです。圧電モーターの一般的な用途には、カメラ レンズのフォーカス システムや、顕微鏡などの特殊な用途での精密な動作制御などがあります。

超音波モーターは他の圧電モーターとはいくつかの点で異なりますが、どちらも通常は何らかの圧電材料を使用しています。最も明らかな違いは、超音波モーターでは、ローターと接触するステーターの振動を増幅するために 共振を使用していることです。

一般的に、ステータとロータの接触面の摩擦を制御するには、進行波振動と定在波振動の2つの方法があります。^[3]たとえば、1970年代にサシダが開発した実用的なモータの最も初期のバージョンのいくつかは、定在波振動と、接触面に対して斜めに配置されたフィンを組み合わせて、一方向に回転するモータを形成していました。その後、サシダと松下電器、ALPS、ゼリオン、キヤノンの研究者による設計では、進行波振動を使用して双方向の動きを実現し、この配置により効率が向上し、接触面の摩耗が少なくなることを発見しました。非常にトルクの高い「ハイブリッドトランスデューサ」超音波モータは、円周方向と軸方向に分極された圧電素子を併用して、接触面に沿って軸方向とねじり振動を組み合わせ、定在波駆動法と進行波駆動法の中間に位置する駆動技術を表しています。

インチワーム モーターは、圧電セラミックを使用して、歩行型の動きでステーターを押します。これらの圧電モーターは、3 つの結晶グループを使用します。2 つの「ロック」と、モーターのケースまたはステーターのいずれか (両方ではありません) に恒久的に接続する 1 つの「駆動」です。他の 2 つの間に挟まれた駆動グループが動きを生み出します。

この圧電モーターの非電源時の動作は、「通常ロック」または「通常フリー」の 2 つのオプションのいずれかです。通常フリー タイプは、電源が供給されていないときに自由に動きますが、電圧を印加するとロックできます。

インチワームモーターは、1 組のロック結晶が作動している間に駆動結晶に印加される電圧を変化させることで、ナノメートル規模の位置決めを実現できます。

インチワームモーターの作動プロセスは多段階の周期的プロセスである：^[2]

1. まず、1 つの「ロック」クリスタル グループがアクティブ化され、圧電クリスタルの「サンドイッチ」の片側をロックし、もう一方の側をロック解除します。
2. 次に、「駆動」クリスタル グループがトリガーされ、保持されます。このグループの拡張により、ロック解除された「ロック」グループがモーター パスに沿って移動します。これは、モーターが移動する唯一の段階です。
3. 次に、ステージ 1 でトリガーされた「ロック」グループが解放されます (「通常ロック」モーターの場合は、他の場合はトリガーされます)。
4. 次に、「モチーフ」グループが解放され、「トレーリング ロック」グループが引き込まれます。
5. 最後に、両方の「ロック」グループはデフォルトの状態に戻ります。

同様の名前の電磁ステッピングモーターと混同しないでください。これらのモーターはインチワームモーターに似ていますが、圧電素子は、別個の伸縮要素を使用するのではなく、スライダーに送り込むために曲がるバイモルフアクチュエーターである場合があります。^[4]

スリップスティック モーターのメカニズムは、慣性と静摩擦と動摩擦の差の組み合わせに依存しています。ステップ動作は、静摩擦が克服されない低速伸張フェーズと、それに続く静摩擦が克服され、モーターと可動部品の接触点が変化する急速収縮フェーズで構成されます。

ダイレクト ドライブ ピエゾ モーターは、連続的な超音波振動によって動きを生み出します。制御回路は、ねじ付きチューブの曲げ共振周波数 (通常は 40 kHz ～ 200 kHz の超音波周波数) に一致する 2 チャンネルの正弦波または方形波をピエゾ エレメントに適用します。これにより、ねじを駆動する軌道運動が生まれます。

2 番目の駆動タイプであるスクイグル モーターは、ナットに直交して結合された圧電素子を使用します。圧電素子の超音波振動により、中央の親ねじが回転します。

非常にシンプルなシングルアクション ステッピング モーターは、圧電結晶を使用して作成できます。たとえば、より柔らかい材料 (ポリウレタンゴムなど) の薄い層でコーティングされた硬くて剛性の高いローター スピンドルを使用して、一連の角度付き圧電トランスデューサーを配置できます (図 2 を参照)。制御回路が 1 つのトランスデューサー グループをトリガーすると、ローターが 1 ステップ押し出されます。この設計では、より複雑な設計ほどステップを小さくしたり正確にしたりすることはできませんが、速度を上げることができ、製造コストも低くなります。

振動駆動モーターを開示した最初の米国特許は、「振動エネルギーを供給する方法および装置」(米国特許番号 3,184,842、Maropis、1965 年) です。Maropis の特許は、「共振結合要素の縦振動がトロイド型共振端子要素のねじり振動に変換される振動装置」について説明しています。最初の実用的な圧電モーターは、1964 年にソ連のキエフ工科大学の圧電電子研究所で V. Lavrinenko によって設計および製造されました。この技術の初期開発におけるその他の重要な特許には、次のものがあります。

• 「電気モーター」、V. Lavrinenko、M. Nekrasov、特許 USSR # 217509、優先権 1965 年 5 月 10 日。
• 「圧電モーター構造」（米国特許第4,019,073号、Vishnevsky他、1977年）
• 「圧電駆動ねじり振動モータ」（米国特許第4,210,837号、Vasiliev他、1980年）

• 超音波モーター
• キヤノンEFマウントに使用されている超音波モータードライブ
• 超音波ホモジナイザー