対称的な

Jul 29, 2023

研究

画像: 図 1. SLPUM の圧電ステータの設計と動作原理。もっと見る

クレジット: 研究

電気機械アクチュエータとして、対称作動デバイスは、掴み操作やハサミ操作、マイクロチャネルの高速対称開閉など、対称的な動作、駆動、制御が必要な分野でよく使用されます。 需要の高いシナリオの 1 つは、腫瘍細胞の正確な把握と切断、網膜顕微手術などを含む低侵襲手術です。マイクロ電気機械デバイスの分野では、はさみ操作または把握操作は、基本的に 2 つのエンドエフェクター間の 2 つの対称的な作動に属します。 しかし、1 つのモーターで 2 つの対称な直線運動を直接生成できるものはほとんどありません。

一般に、2 つの対称的な動きを生み出すための比較的単純な方法は、2 つの直列接続または並列接続されたステーターを使用して、同時に互いに近づくか遠ざかる 2 つのランナーをそれぞれ駆動することです。 2 番目の方法は、一対の逆ネジまたは一対の後進ギアの助けを借りて、出力シャフトの回転運動を 2 つの線形対称運動に変換することです。 3 番目の解決策は、ラック アンド ピニオン、フレキシブル ヒンジなどの高度な伝達機構を使用して、1 つのアクチュエータの一方向の動きを 2 つの反対方向の動きに変換することです。 ただし、上記のすべての方法では、構造がより複雑で大型になり、ストロークと出力が非常に制限される可能性があります。 したがって、小型化され集積化された1つの圧電ステータまたはアクチュエータのみで駆動される2つのランナーの大きな移動範囲で対称的な高精度運動を実現するための新しい駆動機構を開発する必要があります。

最近、Dong Shuxiang 教授の研究グループは、追加の複雑な伝達機構を使用せずに、1 組のハサミの双方向の対称運動出力を直接生成できる、新しい対称作動リニア圧電セラミック超音波モーター (SLPUM) を開発しました。 基本的なアイデアは、(2 × 3) の配列ユニットを含む 1 つの圧電セラミック バーが、第 1 縦 (L1) モードと第 3 曲げ (B3) モードの結合共振モードで動作し、その位置で反対方向に 2 つの対称的な楕円運動の軌道を生成できるということです。 2 つの摩擦チップです。図 1 を参照してください。図 2 に示すように、摩擦カップリングを介して、摩擦チップの 2 つの対称的な楕円運動を、同じ速度の 2 つの可動子の対称的で同期した逆方向または逆方向の動きに変換できます。この動作メカニズムは、 1 つのステータは 1 つのアクチュエータのみを駆動できるという従来の動作原理に革命的な変更を加えました。 同時に、この対称作動機構により、圧電モーターの作動効率が 2 倍になります (図 3 を参照)。

さらに、市販の顕微手術用ハサミがスライダーに取り付けられているため、L1-B3 SLPUM は、高精度の顕微手術を実行するための顕微手術ロボットにさらに適用できます。その具体的な構造を図 3A に示します。 さらに、シザリング効果により、2 つの駆動端の出力を数倍に増加させることができます。 図 3 と図 4 に示すように、プロトタイプは、(i) 2 つのスライダーの外側または内側方向の相対移動速度が速い (~ 1.0 m/s)、(ii) 高いステップ分解能 (スライダーの場合は 40 nm) という特徴を示しています。 )、(iii) 比較的大きな出力力 (スライダでは 3.4 N、シザーズでは 17 N)、(iv) 高出力電力 (347.8 mW) および電力密度 (405.4 mW/cm3 または 9.65 mW/cm3・kHz)。報告されている値の 2 倍であり、(v) 150 Vpp/mm の電場下で高い効率 (22.1%)。 したがって、この研究は将来の圧電駆動デバイスの設計にとって有益です。

検証のため、図 5 に示すように、このプロトタイプを使用して、銅線、豚肉、牛肉のスライス、腸などの切断など、さまざまなアプリケーション シナリオで実験を実施しました。したがって、このモーターはさらに顕微手術ロボットに応用して、さまざまな手術を行うことができます。高精度の把握やハサミなどの外科手術に適しています。 そして、この研究で提案された設計戦略は、将来の圧電マイクロ電気機械デバイスの開発に新しい道を切り開きます。