Piezoelektryczne silniki ultradźwiękowe mają dwie istotne zalety, a mianowicie wysoką gęstość energii i prostą konstrukcję, które przyczyniają się do ich miniaturyzacji.Zbudowaliśmy prototyp mikrosilnika ultradźwiękowego wykorzystujący stojan o objętości około jednego milimetra sześciennego.Nasze eksperymenty wykazały, że prototypowy silnik generuje moment obrotowy ponad 10 μNm przy stojanie o objętości jednego milimetra sześciennego.Ten nowatorski silnik jest teraz najmniejszym mikrosilnikiem ultradźwiękowym, który został opracowany z praktycznym momentem obrotowym.
Mikrosiłowniki są potrzebne w wielu zastosowaniach, od urządzeń mobilnych i ubieralnych po minimalnie inwazyjne urządzenia medyczne.Jednak ograniczenia związane z ich produkcją ograniczyły ich zastosowanie w skali jednego milimetra.Najczęściej spotykane silniki elektromagnetyczne wymagają miniaturyzacji wielu skomplikowanych elementów, takich jak cewki, magnesy i łożyska, i wykazują silne rozpraszanie momentu obrotowego ze względu na skalowanie.Silniki elektrostatyczne zapewniają doskonałą skalowalność dzięki zastosowaniu technologii systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), ale ich słaba siła napędowa ograniczyła ich dalszy rozwój.
Oczekuje się, że piezoelektryczne silniki ultradźwiękowe staną się mikrosilnikami o wysokiej wydajności ze względu na wysoką gęstość momentu obrotowego i proste komponenty.Najmniejszy istniejący dotychczas silnik ultradźwiękowy ma metalowy element o średnicy 0,25 mm i długości 1 mm.Jednak jego całkowita wielkość wraz z mechanizmem napięcia wstępnego wynosi 2-3 mm, a moment obrotowy jest zbyt mały (47 nNm) do zastosowania jako siłownik w wielu aplikacjach.
Tomoaki Mashimo, naukowiec z Toyohashi University of Technology, opracowuje mikrosilnik ultradźwiękowy ze stojanem o pojemności jednego milimetra sześciennego, jak pokazano na rys. 1, i jest to również jeden z najmniejszych silników ultradźwiękowych, jakie kiedykolwiek zbudowano.Stojan, który składa się z metalowego sześcianu z otworem przelotowym i płytowo-piezoelektrycznymi elementami przylegającymi do jego boków, można zmniejszyć bez konieczności stosowania specjalnych metod obróbki lub montażu.Prototypowy mikrosilnik ultradźwiękowy osiągnął praktyczny moment obrotowy 10 μNm (jeśli koło pasowe ma promień 1 mm, silnik może unieść ciężar 1 g) i prędkość kątową 3000 obr/min przy około 70 Vp-p.Ta wartość momentu obrotowego jest 200 razy większa niż w przypadku istniejących mikrosilników i jest bardzo praktyczna w przypadku obracania małych obiektów, takich jak małe czujniki i części mechaniczne.
Czas publikacji: 27 lutego 2018