Motor ultrasónico

Un motor ultrasónico es un tipo de motor piezoeléctrico alimentado por la vibración ultrasónica de un componente, el estator , que se encuentra en contacto con otro componente, el rotor o 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, generalmente titanato de zirconato de plomo y, ocasionalmente, niobato de litio u otros materiales monocristalinos . La diferencia más evidente radica en el uso de la resonancia para amplificar la vibración del estator en contacto con el rotor en los motores ultrasónicos. Además, los motores ultrasónicos ofrecen distancias de rotación o deslizamiento prácticamente ilimitadas, mientras que los actuadores piezoeléctricos están limitados por la deformación estática que puede inducirse en el elemento piezoeléctrico.

Una aplicación común de los motores ultrasónicos se encuentra en los objetivos de las cámaras, donde se utilizan para mover los elementos de la lente como parte del sistema de autoenfoque. En esta aplicación, los motores ultrasónicos reemplazan a los micromotores, que son más ruidosos y a menudo más lentos .

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

Generalmente, existen dos métodos diferentes para controlar la fricción en la interfaz de contacto estator-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, desarrolladas por 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 este giraba en una sola dirección. Diseños posteriores de Sashida e investigadores de Matsushita , ALPS y Canon emplearon la vibración de onda viajera para obtener movimiento bidireccional, y descubrieron que esta configuración ofrecía mayor eficiencia y menor desgaste en la interfaz de contacto. Un motor ultrasónico de transductor híbrido de par excepcionalmente alto utiliza elementos piezoeléctricos polarizados circunferencialmente y axialmente para combinar la vibración axial y torsional a lo largo de la interfaz de contacto, lo que representa una técnica de accionamiento que se sitúa 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 se puede inducir 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 vibración en una estructura, y no está relacionada (directamente) con la velocidad de propagación de la onda dentro de la misma. Muchos materiales de ingeniería adecuados para la vibración permiten una velocidad máxima de vibración de alrededor de 1  m/s. A bajas frecuencias —por ejemplo , 50  Hz— una velocidad de vibración de 1 m/s en un altavoz de graves produciría desplazamientos de unos 10 mm, lo cual es visible. A medida que aumenta la frecuencia, el desplazamiento disminuye y la aceleración aumenta. Cuando la vibración se vuelve inaudible a unos 20 kHz, los desplazamientos de vibración se encuentran en el orden de las decenas de micrómetros, y se han construido motores ^{[ 2 ]} que funcionan con ondas acústicas superficiales (SAW) de 50 MHz con vibraciones de tan solo unos pocos nanómetros de magnitud. Estos dispositivos requieren un cuidado especial en su construcción para lograr la precisión necesaria para aprovechar estos movimientos dentro del estator.    

En términos generales, existen dos tipos de motores: de contacto y sin contacto. Estos últimos son poco comunes y requieren 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 este campo continúa, especialmente en levitación acústica de campo cercano para este tipo de aplicación. ^{[ 5 ]} (Esto difiere de la levitación acústica de campo lejano , que suspende el objeto a una distancia de entre media y varias longitudes de onda del objeto vibrante).

Canon fue uno de los pioneros del motor ultrasónico y popularizó el "USM" a finales de la década de 1980 al incorporarlo a sus objetivos con enfoque automático para la montura Canon EF . Desde principios de la década de 1980, Canon, su principal rival en la fabricación de objetivos, Nikon , y otras empresas industriales han presentado numerosas patentes sobre motores ultrasónicos . Canon no solo ha incluido un motor ultrasónico (USM) en sus objetivos para cámaras DSLR, sino también en la cámara bridge Canon PowerShot SX1 IS . ^{[ 6 ]} El motor ultrasónico se utiliza actualmente en muchos dispositivos electrónicos de consumo y de oficina que requieren rotaciones de precisión durante largos periodos de tiempo.

Esta 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 n.º 217509 "Motor eléctrico", Lavrinenko V., Necrasov M., solicitud n.º 1006424 del 10 de mayo de 1965.
• Patente estadounidense n.º 4.019.073, 1975.
• Patente estadounidense n.° 4.453.103, 1982.
• Patente estadounidense n.° 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 antigua 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, 236 págs.

• Página sobre actuadores, motores y sensores ultrasónicos, del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA.
• Diseño y prestaciones de un motor ultrasónico de alto par para aplicaciones en automóviles.
• Diseño de motores ultrasónicos en miniatura
• Laboratorio de Investigación en Microfísica/Nanofísica, con investigación sobre actuadores piezoeléctricos ultrasónicos a cargo del Dr. James Friend. Enlace obsoleto archivado el 21/08/2006 en archive.today.
• Instituto de Piezomecánica, Universidad Tecnológica de Kaunas, Lituania
• Desmontaje de un objetivo Canon EF, que deja al descubierto un motor ultrasónico.
• Centro de Investigación de Microsistemas y Nanotecnología, KTU, Lituania