ワイヤーステーターを備え、新しい方法でトルクとプリロードを測定する新しい球形超音波モーター

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11910 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

本研究では、スパイラルワイヤステータと圧電スタックアクチュエータを使用して球形ロータを駆動できる多自由度（MDOF）超音波モータを紹介します。 ワイヤステータと圧電スタックアクチュエータにより、提案されたモータをより小型かつシンプルにし、消費電力を低くし、異なる周波数で異なるモードを持つことが可能になります。 このモーターでは、2 つのワイヤー ステーターを使用して球状ローターを駆動し、異なる方向に回転させます。 固有周波数および周波数領域の解析は、さまざまな振動モードでのモーターの MDOF 能力を評価するために、有限要素法 (FEM) を使用して実行されました。 圧電スタックアクチュエータがその振動モードを通じて多自由度運動を提供できることが実証されています。 周波数領域アプローチによって得られた共振周波数は、インピーダンス アナライザー テストと一致しました。 回転速度、トルク、予圧力を実験的に調査しました。 球状ローターに接触する粘性流体によって生じるせん断応力を利用した新しいトルク計算法を開発しました。 浸漬ロータにかかる浮力に基づいて予圧力を測定した。 実験の結果、球面ロータの最大回転速度は３０６ｒｐｍ、最大トルクは４．７μＮ・ｍであった。

超音波モーターは、逆圧電効果の主な用途の 1 つです。 これらは、ステーターの波状振動と漸進運動 (ローターとステーターの間の摩擦) を回転運動または直線運動に変換します。 近年のハイテク用途では、電磁環境でも機能する小型、高精度、軽量、低ノイズのアクチュエータが求められています。 このようなニーズに応えるために開発されたのが超音波モーターです。 球状超音波モーター (SUSM) は、複雑な設計変更を必要とせずに、超音波モーターの利点を活用するために研究開発されてきました 1、2、3、4、5、6、7。

超音波モータの利点としては、(1) 位置決め精度が高い、(2) 応答時間が短い、(3) 騒音が少ない、(4) エネルギー密度が高い、(5) 構造が簡単、(6) 強磁性下での効率が高い、などがあります。 (7) 低消費電力8、9、10、11、12、13。 この利点により、超音波モーターは、正確な位置決め、ロボットのジョイント 14、アクセスが制限されたパイプの検査 15、小型機構の医療用途 16 など、多くの用途、特に球状の超音波マイクロセンサーを使用する血管内視鏡検査などの診断方法で適切な選択肢となっています。モーターは、医師が血管内を観察できるようにカメラを任意の方向に動かすために使用されます17、18、19。 SUSM にはさまざまな設計が提案されており、それぞれの設計には潜在的な用途と期待される性能に関して特定の長所と短所があります。 そのような設計の 1 つは、固定子が曲げモードで動作するサンドイッチ トランスデューサである SUSM です 20、21、22、23、24。 圧電材料を適切に作動させると、さまざまな平面の曲がりがさまざまな軸の周りの回転につながります。 ただし、異なる軸の周りの同時回転についての報告はありません。 歯付きステーターは非常に柔軟な設計であり、球状ローターがさまざまな軸の周りを回転できるようになります。 ただし、このような設計では予圧を均等に適用することは困難です8、25、26。 4 つの歯付き圧電プレートを備えた多自由度 (MDOF) SUSM は、ロータに予荷重力を均等に及ぼすことを可能にし、別のアプローチで検査され、ロータの回転速度と予荷重の間の相関関係も調査されました 27。 各歯付きステータには、励起電圧用に少なくとも 3 つの個別の相のセットが必要ですが、自由度を高めるために駆動回路が複雑になる可能性があります。 サンドイッチ SUSM と呼ばれる別の SUSM 設計では、いくつかのゾーンに分割された円形の圧電プレートが使用されます。 球状ローターを回転させるには、各ゾーンを個別に励起する必要があります。 前述の研究では、圧電ディスクが採用され、負荷（ローターとステーターの間の力）、異なる接触面、最適な電圧と周波数、球状ローターとステーターの間の摩擦が評価されました。 モータの構造は複雑であり、効率の点で大型であることに注意してください2。 バルク圧電体を作動システムとして利用する、別のタイプの SUSM が提案されました。 励起用の銅電極が 4 つの側面にあり、2 つの垂直曲げ振動の組み合わせを使用してステーターの上部に運動波を生成し、曲げ面に垂直な方向の動きを引き起こします28。 このモータでは、外部磁界を利用して軟磁性ロータに予圧を与えるため、電磁界のある環境では使用できません。 ワイヤステータを備えた SUSM は、励起用に 6 つのトランスデューサを備えた単一またはマルチスパイラルワイヤステータを使用する別のタイプです。 ローター上の接触点が少ないため、単一スパイラル ワイヤー ステーターを備えた SUSM は低トルクを生成します。 ただし、マルチスパイラル ワイヤ ステータを備えた SUSM ではまったく逆になります。 後者は接触点の不均一性による回転方向のずれが生じる17,18。