Un motor ultrasónico es un tipo de motor piezoeléctrico impulsado por 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, con mayor frecuencia titanato de circonato 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 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 la lente como parte del sistema de enfoque automático. Los motores ultrasónicos reemplazan al micromotor más ruidoso y a menudo más lento en esta aplicación.
La fricción seca se utiliza a menudo en el 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 un movimiento masivo del rotor (es decir, durante más de un ciclo de vibración); sin esta modulación, los motores ultrasónicos no funcionarían.
Generalmente hay dos formas diferentes de controlar la fricción a lo largo de la interfaz de contacto estator-rotor: vibración de onda viajera y vibración de onda estacionaria . Algunas de las primeras versiones de motores prácticos de la década de 1970, realizadas por Sashida [1] , por ejemplo, utilizaban 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 giraba en un solo movimiento. dirección. Diseños posteriores de Sashida y los investigadores de Matsushita , ALPS y Canon utilizaron la vibración de ondas viajeras para obtener movimiento bidireccional y descubrieron que esta disposición ofrecía una mejor eficiencia y menos desgaste de la interfaz de contacto. Un motor ultrasónico 'transductor híbrido' de par excepcionalmente alto utiliza elementos piezoeléctricos con polos circunferenciales y axiales juntos para combinar vibración axial y torsional a lo largo de la interfaz de contacto, lo que representa una técnica de conducción que se encuentra en algún lugar entre los métodos de conducción de ondas estacionarias y viajeras.
Una observación clave en el estudio de los motores ultrasónicos es que la vibración máxima que puede inducirse en las estructuras ocurre a una velocidad de vibración relativamente constante independientemente de la frecuencia. La velocidad de vibración es simplemente la derivada del tiempo del desplazamiento de la vibración en una estructura y no está (directamente) relacionada con la velocidad de propagación de la onda dentro de una estructura. Muchos materiales de ingeniería adecuados para la vibración permiten una velocidad máxima de vibración de aproximadamente 1 m/s. A bajas frecuencias (digamos 50 Hz), una velocidad de vibración de 1 m/s en un woofer daría desplazamientos de unos 10 mm, lo cual es visible. A medida que aumenta la frecuencia, el desplazamiento disminuye y la aceleración aumenta. A medida que la vibración se vuelve inaudible a aproximadamente 20 kHz, los desplazamientos de vibración son de decenas de micrómetros, y se han construido motores [2] que funcionan utilizando ondas acústicas de superficie (SAW) de 50 MHz que tienen vibraciones de sólo unos pocos nanómetros de magnitud. . Dichos dispositivos requieren cuidado en la construcción para alcanzar la precisión necesaria para hacer uso de estos movimientos dentro del estator.
De manera más general, existen dos tipos de motores, de contacto y sin contacto, el último de los cuales es raro y 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 que vibra).
Canon fue uno de los pioneros del motor ultrasónico e hizo famoso el "USM" a finales de la década de 1980 al incorporarlo en sus lentes de enfoque automático para la montura de lente 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 sólo ha incluido un motor ultrasónico (USM) en sus objetivos 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 de precisión durante largos períodos de tiempo.
La tecnología ha sido aplicada a lentes fotográficos por una variedad de empresas con diferentes nombres.