難解なアクチュエーター

モーターはどこにでもあります。 DC モーター、AC モーター、ステッパー、その他多数。 この記事では、これらの一般的なデバイスを超えて、プロジェクトの 1 つで使用できる可能性のある、より難解で珍しい電子アクチュエーターを探していきます。 いずれにせよ、仕組み自体は面白いですね！ 休憩後は、ピエゾ、磁歪、磁気レオロジー、ボイス コイル、検流計、その他のデバイスの調査に参加してください。 お気に入りのアクチュエーターやモーターについてもぜひお聞きしたいので、以下にコメントしてください。

圧電材料は時々魔法のように見えます。 圧電材料に電圧を加えると、非常に簡単に動きます。 もちろん、あまり動かないのが難点です。 おそらくあなたが最もよく知っている圧電デバイスは、控えめなブザーです。 通常は 10 ボルト未満でこれらを駆動します。 ブザーははっきりと聞こえる音を発しますが、実際に曲がっているのを見ることはできません (上に示したように)。

ブザーの動きを測定するために、私は最近 150 ボルトのピエゾドライバーでブザーを駆動しようとしましたが、合計で約 0.1mm のたわみが発生しました。 通常の基準からするとそれほど多くありません！

ただし、一部のアプリケーションでは、移動範囲よりも解像度が主に重要になります。 ここでピエゾアクチュエータが真価を発揮します。 ピエゾ アクチュエータの代表的なアプリケーションは、おそらく走査型プローブ顕微鏡でしょう。 多くの場合、個々の原子を視覚化するにはサブナノメートルの精度 (1 ミリメートルの 1000 分の 1000 未満) が必要です。 ここではピエゾスタックが理想的です（ただし、ハッカーは安価なブザーも使用していました！）。

ただし、場合によっては、より広い移動範囲にわたって高い精度が必要になることがあります。 これを可能にする圧電構成が多数あります。 特に尺取虫、「LEGS」、およびスリップスティック アクチュエーター。

上記はPiezoMotor LEGSアクチュエータを示しています。 前述したように、ピエゾは小さな (通常はサブミリメートル) 動きしか生成しません。 LEGS は、このモーションを直接使用するのではなく、このモーションを使用してロッドに沿って「歩き」、ロッドを前後に押します。 したがって、ロッドは非常に小さなナノメートル単位で移動します。 ただし、ピエゾは素早く動くことができます (1 秒間に数千回屈曲します)。 また、LEGS (および同様のシャクトリムシ アクチュエータ) により、比較的迅速で大きな力と高解像度の動作が可能になります。

テーブルクロスのトリック (はい、これは偽物です、子供は大丈夫です、心配しないでください。:))

別のタイプの長い移動量のピエゾアクチュエータは、「スティックスリップ現象」を使用します。 これは、上で示したテーブルクロスの手品とよく似ています。 布をゆっくり引っ張ると、布と食器の間に大きな摩擦が生じ、布と一緒に引きずられてしまいます。 素早く引っ張ると摩擦が少なくなり、食器が所定の位置に残ります。

静摩擦と動摩擦のこの違いは、スティックスリップ アクチュエータで利用されます。 基本的な仕組みを下図に示します。

ジョーがゆっくりと伸びるとネジが回転しますが、ピエゾスタックが急速に圧縮されるとネジは戻りません。 したがって、ネジを回転させることができます。 プロセスを反転すると (素早く伸ばしてからゆっくりと圧縮します)、プロセスが逆になり、ネジが反対方向に回転します。 この構成の優れた点は、ピエゾの元の精度がほとんど維持されていることです。 ピコモーターは、通常 25 mm の広大な移動範囲にわたって約 30 ナノメートルの分解能を持ち、通常は光学的な焦点合わせと位置合わせに使用され、eBay で 100 ドル程度で購入できます。 ああ、音楽を作るのにも使えます。 お気に入りには、Stairway to Heaven と、Still Alive (Portal より) の 1 つではなく 2 つのバージョンがあります。 必須の帝国行進デモはここに埋め込まれています:

他にも多数のピエゾ構成がありますが、通常は、高い力と高精度の動作を提供するために使用されます。 さらにいくつかを私のブログに記録します。

磁歪は、磁場の下で材料の形状が変化する傾向です。 最近、磁歪についてよく話しています。 ピエゾと同様に、高精度の動作にも使用できます。 ピエゾとは異なり、動作には比較的低い電圧が必要であり、ニッチな用途が見つかっています。