Актюатором нано- та МІРОПЕРЕМЕЩЕНІЙ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ, КОНТРОЛЮ ТА БЕЗПЕКИ
Бардін Віталій Анатолійович 1. Васильєв Валерій Анатолійович 2
1 Пензенський державний університет, аспірант кафедри «Приладобудування»
2 Пензенський державний університет, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри «Приладобудування»
NANO- AND MICRO- DISPLACEMENTS ACTUATORS FOR THE DRIVE, CONTROL AND SECURITY SYSTEMS
Bardin Vitaliy Anatolievich 1. Vasiliev Valery Anatolievich 2
1 Penza State University, Graduate student of the Department «Instrument engineering»
2 Penza State University, Doctor of technical Sciences, Professor, head of the Department «Instrument engineering»
Abstract
This article focuses on the research and creation of actuators for nano- and micro- displacements. It is a review and general in nature. The analysis performed provides a picture of the current state of developments in the field of actuators drive, control and safety systems.
З розвитком систем управління, контролю і безпеки, застосуванням для їх створення нано- та мікротехнологій, нано- та мікросистемні техніки зростає потреба в пристроях для точного позиціонування елементів таких систем. У зв'язку з цим а ктуальнимі є питання дослідження і створення актюаторів для нано- та мікропереміщень, що забезпечують нано- та пікометровое дозвіл [1 -6].
Провідними зарубіжними виробниками п'єзоприводи для нано- та мікропереміщень є Physic Instrumente (PI. Німеччина), New Scale Technologies (NST. США), Cedrat Technologies (Франція), Morgan Technical Ceramics (MTC ElectroCeramics. United Kindom), Noliac Group (Данія), Piezo Kinetics. Inc. (США), Piezo Systems Inc. (США), Piezomechanik GmbH (Німеччина), Piezosystemjena (Німеччина), Omega Piezo Technologies Inc. (США), TRS Technologies, Inc. (США), CeramTec (Німеччина), Johnson Matthey Catalysts (Німеччина), Kinetic Ceramics, Inc. (США), AEI (США), Ferroperm Piezoceramics A / S (Данія), APC International, Ltd (США), NEC TOKIN Corporation (Японія), EPCOS · A Member of TDK-EPC Corporation (Японія), в Росії - ВАТ «НДІ« Елпа »(Росія) [1].
Аналіз існуючих та перспективних розробок виробників показує, що перспективними напрямками створення двигунів для нано- та мікропереміщень є - засновані на використанні п'єзоелектричного і п'єзомагнітних ефектів [7, 8]. Перший ефект полягає в зміні лінійних розмірів окремих матеріалів в електричному, а другий - в зовнішньому магнітному полі. Обидва п'єзоефекту оборотні. У датчиках механічних величин використовують прямий п'єзоефект [9- 12]. У пьезодвігателей використовують зворотний п'єзоефект, коли при додатку електричного або магнітного поля змінюються лінійні розміри матеріалу. Двигуни, засновані на п'єзоелектричного ефекту більш кращі, оскільки не чутливі до дії магнітних полів і мають більш широку сферу застосування.
П'єзоефект спостерігається в кристалах, що не мають центру симетрії [13]. Типовим п'єзоелектриком є кварц - a - SiO 2 (a -кварц), п'єзоелектричні властивості проявляються більш ніж в 1500 речовин. П'єзоелектричними властивостями володіє кераміка: BaTiO 3, PbTiO 3, Pb [Zrx Ti 1-x] O 3 0≤ x ≤1 (PZT або ЦТС), KNbO 3. LiNbO 3. LiTaO 3. Na 2 WO 3, ZnO. Ba 2 NaNb 5 O 5, Pb 2 KNb 5 O 15. Залежно від використовуваного п'єзоелектричного матеріалу пьезодвігателей (актюатори) можуть бути пьезокрісталліческімі (на базі монокристалів) і п'єзокерамічними (на базі полікристалів пьезокераміки). На практиці пьезокерамические актюатори знайшли більш широке застосування [1 4 - 16].
Вибір п'єзоматеріалів для пьезодвігателей здійснюють в основному за такими параметрами: п'єзомодуль в напрямку робочих деформацій, модуль Юнга, коефіцієнт електромеханічного зв'язку і механічна добротність. Вони визначають діапазон переміщень, пружні і резонансні властивості, ефективність перетворення електричної енергії в механічну, ступінь загасання коливальних процесів.
Пьезодвігателей конструктивно складається з корпусу, одного або декількох п'єзоприводи (пьезоактюаторов) і різних елементів, що підтримують їх роботу. Привід (актюатор) - загальна назва приладів, які перетворять вхідні енергію в механічну енергію. П'єзоприводи (piezo actuator) - перетворює електричну енергію в механічну (напруга і заряд в силу і рух).
При конструюванні пьезодвігателей враховують недоліки пьезокераміки: нелінійність, кріп (creep - повзучість) - запізнювання реакції на зміну величини керуючого поля, гістерезис - неоднозначність залежності подовження від напрямку зміни електричного поля (до 5 - 25% в залежності від матеріалу). Для зменшення впливу гістерезису на точність позиціонування пьезодвігателей вибирають п'єзоматеріалів з меншим гистерезисом, а також застосовують системи управління з датчиками положення і зворотним зв'язком [17]. В кожному випадку необхідно враховувати про собенности електромеханічного перетворення енергії пьезодвігателей нано- та мікропереміщень [18].
За принципом дії п'єзоприводи можна розділити на наступні види: ударної дії (вібропьезопріводи), деформаційного дії (крокові) і силового дії (силові двигуни) [1]. У першому випадку рухома частина приводиться під дією ударів переданих від п'єзоелемента з частотою власних коливань (резонансною частотою). У другому - рухома частина послідовно переміщається з певним кроком внаслідок зміни напружено-деформованого стану його елементів під дією п'єзоелементів. У третьому - силовий вплив безпосередньо (або через передавальне ланка) передається на об'єкт від п'єзоелемента, при цьому здійснюються кутові або лінійні переміщення в обмеженому діапазоні. Залежно від використовуваних напрямків п'єзоефектів, конструкції, призначення і т.п. широкого поширення набули такі види пьезоактюаторов: перетиснути ізгібние пьезокерамические біморфи і мультіморфи (мода d31), моноблочні іпакетние (осьові - мода d33. поперечні - мода d31), диференціальні, згинально-натяжні, зсувні, ламінарні Полоскова, з інтегрованим важільним підсилювачем переміщення, керовані пьезофлексерние, трубчасті [4].
На рис. 1 показаний п'єзоприводи з одношарової пластини (d33) пьезоматеріала. При додатку зовнішнього електричного поля тієї ж поляризації і орієнтації, що і напрямок поляризації пластини, відбувається розширення пьезоматеріала по товщині або уздовж осі поляризації. П'єзоприводи з одношарової пластини (d31) з поперечним стисненням представлений на рис. 2. Тут стиснення відбувається за напрямками, перпендикулярним напрямку поляризації. При зміні полярності напрямок руху змінюється на протилежне.
Двошарові п'єзоприводи можуть бути працюючими на подовження (рис. 3). Між п'єзоелектричними пластинами встановлюється прокладка з ламінату, яка додає механічну міцність і жорсткість, але зменшує переміщення. Двошарові приводи називають по числу п'єзопластин (шарів). Насправді шарів матеріалів більше, зазвичай дев'ять: чотири електродних шару, два пьезокерамических шару, два шари клею, прокладка з ламінату. При конфігурації для паралельної роботи прокладку роблять двошаровою, що дає можливість зменшити напругу збудження на половину. У двошарових приводах зазвичай використовується рух уздовж однієї осі. Типова величина переміщення таких приводів (рис. 3) від десятків нанометрів до десятків мікрон, а сили - від декількох десятків до сотень Ньютоновий. Так само двошарові приводи можуть працювати на вигин (рис. 4, 5) або скручування (рис. 6). Багатошаровий привід показаний на рис. 7.
Згинально-натяжні пьезоактюатори поєднують в собі кращі характеристики багатошарових актюаторів і двошарових актюаторів. Такі пристрої перетворять невеликої товщини зрушення багатошарового пьезокерамического елемента в деформацію вигину двох металевих пластин, що охоплюють елемент. Завдяки механічному посилення такого перетворення згинально-натяжні актюатори демонструють багаторазове збільшення зсуву в порівнянні з багатошаровими актюатором, а також досягають значно більших показників сили і швидкості реакції, в порівнянні з еквівалентними двошаровими вигинистою актюатором. Зазвичай такі пристрої мають резонансну частоту від 300Гц до 3кГц. Залежно від форми їх конструкції (див. Рис. 9, 10) згинально-натяжні актюатори отримали назву еліпсоїдні і тарілкові.
Трубчасті пьезоактюатори працюють на принципі явища звуження внутрішнього перетину полого пьезокерамического циліндра. Стінки циліндра зовні і зсередини покриваються електродами, і він працює на основі поперечного п'єзоефекту. Електрична напруга, прикладена між зовнішнім і внутрішнім електродами, викликає осьове і радіальне стиснення п'єзокераміки.
Керовані пьезофлексерние актюатори - являють собою складні позиціонують пристрої на базі пьезоактюатора з інтегрованим в нього Флексер. Флексер - це пристрої, що практично не мають тертя і стрікціі, принцип роботи яких заснований на еластичною деформації (Флексінг) твердого матеріалу, наприклад, стали. Застосовуються в тих випадках, коли потрібно отримати виключно пряме переміщення по одній і більше осями (до шести осей) з нанометричну відхиленням від ідеальної траєкторії. Такі пристрої часто використовують з важільним підсилювачем переміщення, що дозволяє збільшити максимальний хід пьезоактюатора майже в 20 разів, в результаті чого він може становити кілька сотень мікрон.
Особливий інтерес представляють крокові пьезодвігателей, які використовуються для маніпуляції об'єктами, з покроковим їх переміщенням. Вони знаходять широке застосування в атомно-силової і тунельної мікроскопії, оскільки дозволяють з точністю до нанометрів позиціонувати досліджуваний об'єкт. Відмінною особливістю конструкцій крокових пьезодвігателей є наявність крім робочих п'єзоелементів фіксуючих пристроїв, в якості яких можуть бути теж п'єзоелементи [19]. Такі пьезодвігателей можуть містити одиночні, біморфний і пакетні пьезоактюатори. Фіксуючі пристрої фіксують рухому частину двигуна в його робочому циклі покрокового переміщення. Вони дозволяють створювати (спільно з робочими пьезоактюаторамі) і знімати напружено-деформовані стани в деформованих рухомих елементах конструкції пьезодвігателей. При знятті напружено-деформованого стану фіксуючим пристроєм рухливий елемент пьезодвігателей подовжується і переміщує об'єкт на один крок. Для двох і трьох координатного переміщення поєднують два і три п'єзоприводи (пьезоактюатора). Мінімальний крок переміщень п'єзоприводи залежить від властивостей і розмірів п'єзоелементів, величини керуючого електричної напруги. Плавність ходу п'єзоприводи зростає зі зменшенням кроку і збільшенням частоти проходження імпульсів.
Останнім часом активно розвиваються резонансні ультразвукові пьезодвігателей, які є сучасною альтернативою двигунам постійного струму, вони також відомі як вібраційні двигуни. Перевагами подібних двигунів є висока нанометричну дозвіл, швидкість і потужність, несумірна з їх розмірами.
На рис. 13 показані схема і конструкція резонансного п'єзоприводи Squiggle фірми NST [20-23]. Основними елементами п'єзоприводи є: чотиригранна металева муфта (з магнітною) c внутрішнім різьбленням, ходовий гвинт (черв'як) і чотири пластини п'єзокераміки. Пластини пьезокераміки прикріплені на гранях металевої муфти, черв'як закручений металеву муфту. При подачі двофазних напружень на протилежні пари пластин пьезокераміки виникають механічні коливання, які передаються металевої муфти. Якщо є зрушення фаз між поданими електричними напруженнями, то на кордоні дотичних поверхонь муфти і черв'яка виникають сили здавлювання з поворотом. В результаті черв'як обертається і лінійно переміщується щодо муфти. Змінюючи зрушення фаз можна змінювати напрямок руху гвинта (черв'яка). Ці п'єзоприводи працюють в резонансному режимі на частотах 30 - 200 кГц в залежності від їх розмірів. Мінімальні габарити п'єзоприводи 1,55 x 1,55 x 6 мм, температурний діапазон роботи від мінус 30 до 70 градусів Цельсія, споживана потужність
На рис. 14. представлена конструкція вітчизняного дорезонансного пьезодвігателей, створеного в ФГУП ФНПЦ «ПО« Старт »ім. М.В. Проценко »[3]. Даний двигун має Н-подібну групу п'єзоелементів (ПЕ) - два гальмівних ПЕ з наконечниками з зносостійкого кераміки і один ходової. Гальмівні ПЕ управляються квазіпрямоугольнимі сигналами, а ходові - пилкоподібними. Завдяки цьому є можливість реалізувати принцип дроблення кроку і зупиняти пьезодвігателей на будь-якому такті напруги, формує ходову пилу.
При використанні описаної схеми пьезодвігателей завдяки застосуванню ряду нових конструктивних рішень вдалося мінімізувати габарити пьезодвігателей. На малюнку 15 представлений модельний зразок пьезодвігателей.
Переваги пьезодвігателей: високий ККД (до 90% і більше), велике зусилля (не потрібні редуктори), малі габарити і маса (у порівнянні з електромагнітними двигунами), можливість роботи при кріогенних температурах і в умовах вакууму, можливість забезпечити малі кутові (одиниці кутових секунд) і лінійні переміщення (<1 нм) и др. [1, 3, 24].
Області застосування прецизійних п'єзоприводи стрімко розширюються: нано- та мікроманіпулятори, мікророботи, нано- та мікроскопія, нано- та мікротехнології (мікролітографії), біотехнології, астрономія, космічні дослідження, метрологія, тестове обладнання для напівпровідникової промисловості, тестування дискових накопичувальних пристроїв, прилади керування лазерним променем (приводи лазерних резонаторів), паливно-розподільні системи бензинових і дизельних двигунів, компенсатори вібрації і т.д. [1-6].
