авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«ПАНИЧ А.Е. ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ АКТЮАТОРЫ Учебное пособие Ростов-на-Дону 2008 УДК Печатается по разрешению Ученого Совета ...»

-- [ Страница 2 ] --

4.2 Генерируемая сила На практике в большинстве случаев пьезоактюаторы применяются для осуществления перемещения. Но если их ход заблокировать, то они будут генерировать силу. Генерируемая пьезоактюатором сила всегда удваивается при уменьшении перемещения. Максимальная генерируемая пьезоактюатором сила (блокирующая сила) зависит от его жесткости и максимального хода.

FВ l0 · КЕ (4.1) Где:

FВ – максимальная (блокирующая) сила, генерируемая бесконечно жестко заблокированным пьезоактюатором (бесконечная постоянная жесткости) [Н] КЕ - жесткость пьезоактюатора [Н/м] L0 – максимальный номинальный ход актюатора без воздействия внешней нагрузки или блока [м].

На практике постоянная жесткости нагрузки может быть больше или меньше постоянной жесткости пьезоактюатора. Поэтому генерируемая пьезоактюатором эффективная сила может быть определена по следующей формуле:

Feff l0 · КЕ [1 – (КЕ / КЕ + КL)] (4.2) Где:

Feff – генерируемая пьезоактюатором эффективная сила [Н] KЕ - жесткость пьезоактюатора [Н/м] l0 – номинальный ход актюатора без воздействия внешней нагрузки или блока [м].

KL - жесткость экстремальной пружины [Н/м] Пример: чему равна сила, генерируемая пьезоактюатором с номинальным ходом 30мкм и жесткостью 200Н/мкм? Такой пьезоактюатор может генерировать максимальную силу равную 30мкм х 200Н/мкм = 6000Н.

При блокирующей силе ход актюатора равен нулю и наоборот (см. рис 24).

Рис.24 График зависимости генерируемой силы и хода актюатора (с максимальным ходом 30мкм и жесткостью 200Н/мкм) при различных управляющих напряжениях. Пунктирные линии указывают разные внешние нагрузки. При нагрузке, равной жесткости актюатора обеспечиваются оптимальные условия его работы. При увеличении внешней нагрузки (см. линию 600Н/м) увеличивается генерируемая сила, но уменьшается ход актюатора. Таким образом, максимальный эффект можно получить только при равенстве внешней нагрузки жесткости актюатора.

Пример: Пьезоактюатор должен использоваться для нанометрической гравировки на металле. В исходном положении (нулевая позиция) расстояние между верхней рабочей частью актюатора и материалом составляет 30мкм (определяется допусками механической системы). Для гравировки материала необходимо приложить 500Н. Можно ли для данной задачи использовать пьезоактюатор с максимальным ходом 60мкм и жесткостью 100Н/мкм? В идеальных условиях такой актюатор может генерировать силу (60 - 30)мкм х 100Н = 3000Н (30 мкм вычитается из рабочего хода, как свободный ход). На практике генерируемая сила зависит от жесткости металла и опоры. Если опора изготовлена из мягкого материала, скажем с жесткостью 10Н/мкм, то на металле при максимальном управляющем напряжении актюатор сможет развить силу в 300Н. Если опора жесткая, а металл рельефный, то и в этом случае актюатор не сможет обеспечить достаточную силу. Если же и опора и металл достаточно жесткие, а конструкция актюатора недостаточно жесткая, то развиваемая сила сдвинет актюатор от гравируемой поверхности.

4.3 Электрическая емкость Пьезопакеты подобны многослойным конденсаторам. Когда используемый источник питания имеет частоту ниже резонансной частоты пьезоактюатора, то последний работает как конденсатор.

Шаг актюатора пропорционален накопленному заряду (оценка первого порядка). Для пакетных актюаторов, собранных из пьезокерамических пластин, соединенных параллельно, электрическая емкость с одной стороны зависит от их конструкции (количества, толщины и площади слоев), а с другой - от типа используемой пьезокерамики (диэлектрической постоянной).

Значение емкости пьезоактюатора обязательно указывается в технической спецификации на него, и измеряется в условиях слабых сигналов, когда небольшое напряжение в вольтовом диапазоне вызывает такие величины емкостного сопротивления и индуцированного тока, которые можно измерить. Обычно это измеряется при температуре 20С, напряжении 1В, на частоте 1кГц, без нагрузки.

Емкость обычного конденсатора не зависит величины приложенного напряжения. Для «пьезоконденсатора» емкость имеет более сложную зависимость от внешнего воздействия. Изменение амплитуды сигнала, температуры и нагрузки может увеличить емкость пьезоактюатора почти на 200% от номинала. В связи с этим, емкость, указываемая в спецификации, является величиной ориентировочной.

Величина емкости актюатора имеет наибольшее значение для расчета уровня электрического тока или мощности в динамическом режиме работы. Емкость пакетного актюатора при слабых управляющих сигналах может быть рассчитана по следующей формуле:

С n · T33 · A / hS (4.3) Где:

С – емкость [Ф (А·сек/В)] n – количество слоев пьезокерамики = l / hS l – длина актюатора [м] hS – толщина слоя (расстояние между электродами одного пьезокерамического слоя) [м] T 33 – диэлектрическая постоянная [Ф/м (А·сек/В·м)] A – площадь электродов одного пьезокерамического слоя [м2] Данное уравнение показывает, что при заданной длине актюатора емкость увеличивается с увеличением площади электродов одного слоя и количестве слоев пьезокерамики. Поэтому, емкость актюатора, изготовленного из слоев пьезокерамики толщиной по 100мкм, будет в 100 раз выше емкости актюатора собранного из пьезоэлементов толщиной 1мм каждый, при условии, что размеры обоих актюаторов одинаковы. Однако, несмотря на то, что актюатор с тонкими слоями вызывает ток в 100 раз больше, потребление энергии обоими актюаторами в данном примере будет приблизительно одинаковым.

Существует значительная разница в величине емкости низковольтных и высоковольтных пьезоактюаторов одинаковых размеров, что в основном определяется структурным отличием:

разницей толщины и количества слоев пьезокерамики.

4.4 Резонансы Как любое твердое тело пьезоактюатор обладает резонансами.

Резонансная частота ненагруженного актюатора может быть вычислена по формуле для определения резонансной частоты любой пружинно-массовой системы:

fm = (KE / mэфф). (4.4) Где:

fm – резонансная частота ненагруженного актюатора [Гц] mэфф – эффективная масса актюатора [кг]. Для закрепленного с одного конца пакетного пьезоактюатора mэфф = m/3, где m – масса актюатора с учетом массы движущего адаптера (сферический толкатель, штырь с резьбой, плоский толкатель).

KE - жесткость пьезоактюатора [Н/м] Именно резонансная частота не нагруженного актюатора с жестко закрепленным одним концом обычно приводится в спецификациях на пьезоактюаторы. Обычно пакетные актюаторы хорошо работают не в резонансе, а в широком диапазоне частот ниже своей резонансной частоты.

Из-за не идеальных свойств упругости пьезокерамики теоретические результаты расчетов по вышеуказанной формуле не вполне соответствуют действительному поведению пьезоактюаторной системы в условиях сильных управляющих сигналов. Когда актюатор интегрируется в механическую систему, общий резонанс системы снижается по нескольким причинам. Во первых, действует закон пружинно-массовой системы, в которой пьезоактюатор выступает в качестве пружины. В соответствии с этим законом резонансная частота системы является функцией ее жесткости и эффективной массы (см. выше). Во-вторых, за счет резонансных мод присоединенной массы. Например, оптомеханические компоненты, подобные площадкам поступательного движения, имеют собственную частоту около 100кГц.

Резонансная частота нагруженного актюатора меняется в зависимости от присоединенной массы в соответствии со следующим уравнением:

fr = f0 ( mэфф / m’эфф). (4.5) Где:

fr – резонансная частота нагруженного актюатора [Гц] fm – резонансная частота ненагруженного актюатора [Гц] mэфф – эффективная масса актюатора [кг] m‘эфф – дополнительная масса М + mэфф [кг].

Из вышеуказанных уравнений следует, что для удвоения резонансной частоты системы необходимо либо увеличить в 4 раза жесткость системы, либо снизить эффективную массу на 25% от ее реального значения. Необходимо также иметь в виду, что, пока резонансная частота пружины предварительного механического напряжения выше резонансной частоты самого актюатора, до тех пор внешняя нагрузка не будет оказывать значительного влияния на резонансную частоту актюатора.

Механические резонансы пьезоактюаторных систем могут быть легко определены с помощью тех же самых пакетных пьезоактюаторов, работающих как вибродатчики. Если пьезоактюатор подключить к осциллографу, то при коротком механическом воздействии на актюаторную систему, можно выявить переменный сигнал отклика на резонансной частоте.

Фазовая характеристика пьезоактюаторной системы может быть приближенно выражена системой второго порядка и описана следующим уравнением:

2 · arctg (f / fm ) (4.5) Где:

– фазовый угол [град] f – рабочая частота [Гц] fm – резонансная частота без нагрузки [Гц] 4.5 Температурные параметры Стабильность работы пьезоактюаторов при высоких температурах определяется не только параметрами пьезокерамики, но и параметрами конструкционных материалов, используемых для токосъемных электродов, изоляции, адгезивов и т.п. Температура Кюри пьезокерамики не относится к факторам, наиболее влияющих на работу. Наиболее важным аспектом в практическом применении пьезоактюаторов является то, что актюаторы должны не только выдерживать повышенные рабочие температуры, но и показывать при этом наименьшие отклонения своих параметров. Поэтому, для повышенных температур используется специальная пьезокерамика с высокой стабильностью параметров. Использование пьезоактюаторов в пониженном диапазоне рабочих температур, вплоть до криогенных, считается стандартным.

Теплоотдача актюаторов весьма незначительна из-за низкой удельной теплопроводности пьезокерамики и низкой теплопередачи корпуса актюатора, особенно с предварительным механическим напряжением, за счет воздушной прослойки между его оболочкой и пьезопакетом. Тенденция к перегреву для стандартно закрепленного актюатора усиливается еще и в случае недостаточной механической связи пьезокерамического пакета с внешней нагрузкой через торцевую поверхность актюатора.

Саморазогрев пьезоактюаторов пропорционален величине реактивной энергии, развиваемой им во время динамической работы, которая в свою очередь увеличивается увеличением рабочей частоты и амплитуды сигнала. Поэтому, во избежание перегрева следует строго ограничивать рабочую частоту пьезоактюатора. Обычные низковольтные актюаторы средних размеров при условии перемещения на величину максимального хода начинают перегреваться на рабочей частоте около 200Гц.

Для обеспечения оптимальной работы актюатора в динамическом режиме при высоких уровнях частоты и амплитуды сигнала, следует применять специальные меры по отводу тепла от пьезокерамического пакета. Компания APC International Ltd.

разработала уникальную систему температурной стабилизации пьезоактюаторов, более детально рассмотренную в параграфе 8.1.5.

Температурное расширение. Низковольтные бескорпусные композитные актюаторы показывают коэффициент осевого температурного расширения на уровне -3ppm/K (измерения проводились при короткозамкнутых контактах актюатора).

Дискретные бескорпусные высоковольтные пакетные актюаторы имеют большие значения этого коэффициента на уровне +1ppm/K, благодаря своей структуре (пьезокерамика/металл/адгезивный компаунд). При увеличении адгезивных слоев такие актюаторы могут иметь еще большие показатели температурного расширения.

Корпусные пьезоактюаторы за счет механических концевых деталей снижают уровень температурного расширения. Еще большего снижения величины температурного расширения можно достичь путем изготовления концевых деталей из сплава железа с никелем.

Низкотемпературные параметры. Пьезомеханические и пьезоэлектрические характеристики пьезокерамики зависят от температуры. Если охладить пьезоактюатор до температуры 77K или еще ниже до уровня 4K, то любая пьезокерамика будет вести себя как очень сегнетожесткий материал, имеющий:

• значительно сниженную электрическую емкость • сниженный коэффициент диэлектрических потерь при сниженном гистерезисе • уменьшенный пьезомодуль d • сильно увеличенную напряженность коэрцитивного поля.

Последний пункт означает, что при низких температурах пьезопакет становится исключительно устойчивым к электрической деполяризации и другим дестабилизирующим факторам. Это означает, что в условиях низких температур возможно использование биполярного управления с большей отрицательной амплитудой по сравнению с таковым при комнатной температуре. С помощью этого можно компенсировать потери в максимальном шаге, происходящие при низкой температуре.

В качестве примера ниже приведена сравнительная таблица зависимости параметров от температуры для многослойного монолитного актюатора с управляющим напряжением 150 вольт:

Температура Емкость Шаг при Диапазон рабочих сигнале 0 напряжений 150V Комнатная 100% 100% -30V +150V 77K 15% 20% -150V +150V 4K 5% 6% -300V +300V Все пьезоматериалы показывают качественно такую же тенденцию. Вместе с тем, для пьезокерамики средней сегнетожесткости и сегнетожесткой потери в шаге с уменьшением температуры не столь значительны, как для сегнетомягких материалов, применяемых для изготовления многослойных монолитных низковольтных актюаторов.

4.6 Срок службы, надежность Срок службы пьезоактюаторов не лимитируется его износом.

Тесты показывают, что пьезоактюаторы способны произвести миллиарды циклов без заметного износа. Вместе с тем, производители стараются наравне с оптимизацией максимального хода оптимизировать срок службы и надежность пьезоактюаторов.

Не существует никаких формул по определению надежности и срока службы актюаторов в связи с тем, что на него оказывают нелинейное влияние множество таких факторов, как: температура, влажность, нагрузка, предварительное механическое напряжение, рабочая частота, качество изоляционных материалов и т.п.. Как и у конденсаторов, на срок службы оказывает заметное влияние напряженность поля.

Статистика показывает, что большинство повреждений пьезоактюаторов происходит из-за чрезмерных механических нагрузок. Преимущественно деструктивными являются силы сдвига и растяжения, а также закручивающая пара и механические удары. Для защиты пьезокерамики от воздействия этих сил применяются такие конструкционные решения, как предварительное механическое напряжение пьезокерамики, использование шаровых и эластичных концевиков, а также специальные конструкции в зависимости от спецификации заказчика.

Повреждения происходят из-за проникновения влаги или пыли через изоляцию к пьезокерамике. Во избежание этого пьезоактюаторы покрывают специальными герметическими покрытиями.

Срок службы и надежность актюаторов зависят не только от параметров пьезоматериала, материала электродов, защитного покрытия, корпуса и т.п. Они в значительной степени зависят от качества механического и электрического соединения, что определяется пьезоактюаторной системой, разработанной и используемой потребителем.

Для определения наиболее важных аспектов высокой надежности и продолжительности эксплуатации пакетных пьезоактюаторов следует рассмотреть два экстремальных режима работы.

а) Режим высокодинамичной цикличной рабаты. Примером может служить новая разработка инжектора дизельного двигателя на основе пьезоактюатора. Актюатор должен совершать максимальный шаг со скважностью управляющих импульсов от 50 до 100мксек.

Надежность и срок службы актюатора определяется максимальным количеством рабочих циклов, которое в настоящее время составляет 1010. Этот лимит определяется также механическим стрессом, возникающими в процессе работы в материале и электродах пьезоэлементов, приводящими, в конце концов, к их повреждению. К нарушению изоляции или разрушению пьезоэлементов могут привести также конструкционные ошибки. Разрушение пьезокерамики может быть предотвращено за счет ее значительного предварительного механического напряжения (величиной до 50% от максимальной нагрузки), а также правильного выбора управляющей электроники.

Бескорпусные дискретные высоковольтные актюаторы подобно композитным структурам обладают более высокой надежностью при работе в импульсном режиме по сравнению с монолитными низковольтными актюаторами.

Одним из слабых мест в работе высоковольтных и низковольтных пьезоактюаторов в динамических режимах является электродная система. Основная часть производителей формирует систему токосъемных электродов пьезоактюатора из негибких паяемых тонких металлических пластин. Такая система хорошо работает в статических условиях, но в динамике переменные ускорения ведут к усталости металла электродов и их поломке, что в свою очередь снижает активацию пьезопакета частично или полностью. Чтобы исключить данное явление, в конце 70-х годов века была предложена технология «обертывания» электродами из фольги. В результате пьезопакеты стали выдерживать высокочастотные циклы на максимальный шаг с частотой в килогерцовом диапазоне или генерировать механические импульсы мощностью около 100 киловатт со скважностью приблизительно микросекунд.

Ниже приведен пример конструкции подачи управляющего напряжения через токосъемные электроды высоковольтных бескорпусных пьезоактюаторов: «противоударные» компании APC International Ltd. (рисунок 25) и стандартные паяемые (рисунок 26).

Электроды из фольги Рис.25 Пьезоактюаторы с противоударной системой электродов Электроды из тонких паяемых пластин Рис.26 Пьезоактюаторы с обычной системой электродов Противоударная конструкция, в которой электроды из фольги «обертывают» пьезопластины, имеет меньшую массу и высокую гибкость, которая предупреждает повреждение электродной секции от ударных нагрузок. Преимущества: отсутствие усталости материала проводников, очень высокая надежность при высоко динамичной работе. Стандартная конструкция боковых лепестков электродов с массивным припоем имеет более высокую жесткость. В ней выше риск возникновения усталости металла в режиме высокой динамики.

Мощная электроника для управления актюаторами в таких режимах должна обеспечивать необходимую скорость нарастания тока заряда для получения требуемого ускорения актюатора. Причем нельзя допускать заметных флуктуаций тока, так как они вызывают высокое механическое напряжение колебательной моды, которые невозможно компенсировать даже предварительным механическим напряжением пьезокерамики. Последствиями флуктуаций может стать возбуждение внутреннего механического напряжения пакета пьезоэлементов, которое чревато поломкой пьезоэлементов. В связи с этим импульсные генераторы для управления актюаторами снабжают системой контроля не выходного напряжения, а заряда или тока, что позволяет улучшить выходные параметры управляющего тока.

б) Работа в статическом режиме. На первый взгляд режим работы в условиях постоянного или квазипостоянного напряжения кажется не таким критичным. Но практика показывает, что при некоторых обстоятельствах стандартные актюаторы могут быть подвержены коррозии поверхности пакета, которая может привести к долговременной постепенной деградации пьезопакета, и, в конечном счете, к короткому замыканию пьезоактюатора. Этот процесс может быть ускорен высокой влажностью, температурой и повышенными уровнями управляющего напряжения. Во избежание этого применяются разные методы защиты покрытия актюаторов, вплоть до применения керамических защитных слоев (конструкция «утопленных электродов»).

Долговременная стабильность рабаты пьезоактюаторов может быть обеспечена также при выполнении следующих правил во время их производства и эксплуатации:

- для снижения величины управляющего напряжения следует использовать более длинные пьезопакеты, - не следует держать пьезоактюатор под напряжением без осуществления работы, актюатор должен быть выключен, если он не используется, - средняя величина управляющего напряжения должна быть как можно ниже, - во избежание высоких пиковых напряжений для управления лучше использовать режим частичного двухполярного управления, - нельзя брать «голые» пьезопакеты руками, не допускать их прямого контакта с водой и электролитами, - для чистки использовать только 100% изопропан.

5. РАБОТА В СТАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ Величина накопленной энергии электрически заряженного пьезоактюатора определяется уравнением E = C · U2. Любое изменение величины заряда пьезокерамики, а значит позиции актюатора, требует определенной величины тока, которая выражается следующим уравнением, определяющим зависимость между током и напряжением:

(5.1) I= Q/ t=C· U/ t Где:

I – электрический ток [А] Q – заряд [К (А·сек)] С – емкость [ф] U – напряжение [В] t – время [сек] Для работы в статике необходимо обеспечить только необходимый уровень токов утечки. Высокое внутреннее сопротивление снижает токи утечки до уровня микроампер и даже ниже. Даже если внезапно отключить пьезоактюатор от электрической цепи, то заряженный актюатор не совершит внезапное перемещение, а будет возвращаться в разряженное положение очень медленно.

Для медленного перемещения пьезоактюатора необходимо обеспечить очень низкий уровень тока утечки. Например: усилитель с выходным током 20мкА может обеспечить в течение 1 секунды полный ход пьезоактюатора, имеющего заряд 20нф.

Значение емкости пьезоактюатора обязательно указывается в технической спецификации на него, и измеряется в условиях слабых сигналов (при температуре 20С, напряжении 1В, на частоте 1кГц, без нагрузки). Изменение амплитуды сигнала, температуры и нагрузки может увеличить емкость пьезоактюатора почти на 200% от номинала.

6. РАБОТА В ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ 6.1 Динамические силы Каждый раз, когда к пьезоэлементу прилагается управляющее напряжение, он меняет свои размеры. Благодаря инертности массы пьезоактюатора (включая любую дополнительную нагрузку на него), быстрое перемещение будет генерировать силу (сжатия или растяжения), действующую на пьезоэлемент. Максимальная сила, которая может генерироваться, равна блокирующей силе.

Максимальная сила, способная ускорить массу пьезоактюатора с дополнительной нагрузкой может быть выражена следующим уравнением:

Fmax ± L0 · КЕ (6.1) Где:

Fmax – максимальная генерируемая сила [Н] (Fmax = FВ) номинальный ход актюатора без воздействия внешней L0 – нагрузки или блока [м].

КЕ - жесткость пьезоактюатора [Н/м] Сила растяжения может быть компенсирована, например, за счет использования пружины предварительного механического напряжения. Величина силы предварительного напряжения должна быть на уровне 20% от предельной величины сжимающей нагрузки. В то же время предварительная нагрузка должна быть согласована с жесткостью актюатора, и не должна превышать 10% ее величины.

В случаях, когда в динамическом режиме внешняя нагрузка велика или тяжела по сравнению с пьезоактюатором, то рекомендуется применять направляющую систему. Без такой системы велика вероятность вибрации, что может повредить пьезокерамику.

Пример такой системы приведен на рис. 27.

Рис.27 Пример направляющей системы.

Пиковые силы, генерируемые под воздействием синусоидального управляющего напряжения, могут быть определены по следующей формуле:

Fdyn ± 42 · meff · ( L / 2) · f2 (6.2) Где:

Fdyn – динамические силы, возникающие под воздействием синусоидального управляющего напряжения с частотой f [Н] meff – эффективная масса [кг]. Для закрепленного с одного конца пьезоактюатора meff = m/3, где m – масса актюатора, а для закрепленного с одного конца пьезоактюатора с дополнительной нагрузкой m’eff = m/3 + М, где М – масса дополнительной нагрузки (см. рис.28) L – перемещение (ход) актюатора между пиками напряжения [м].

f - частота управляющего синусоидального напряжения [Гц] Рис.28 Эффективная масса актюатора, закрепленного с одного конца.

Величина максимально допустимых динамических сил должна быть продумана во время выбора рабочей частоты управляющего напряжения. Например, величина динамической силы при рабочей частоте управляющего сигнала 1000Гц, ходе пьезоактюатора между пиками напряжения 2мкм и нагрузке в 1кг должна лежать в пределах ±40Н.

6.2 Резонансная частота В общем, резонансная частота любой пружинно-массовой системы является функцией ее жесткости и эффективной массы.

Резонансная частота ненагруженного актюатора может быть вычислена по следующей формуле:

fm = 1/2 · КЕ / meff (6.3) Где:

fm – резонансная частота ненагруженного актюатора [Гц] meff – эффективная масса [кг]. Для закрепленного с одного конца пакетного пьезоактюатора meff = m/3, где m – масса актюатора с учетом массы движущего адаптера (сферический толкатель, штырь с резьбой, плоский толкатель).

КЕ - жесткость пьезоактюатора [Н/м] Именно резонансная частота не нагруженного актюатора с жестко закрепленным одним концом обычно приводится в спецификациях на пьезоактюаторы.

В системах позиционирования пьезоактюаторы работают хорошо на частотах ниже собственного резонанса. Из-за не идеальных свойств упругости пьезокерамики теоретические результаты расчетов по вышеуказанной формуле не вполне соответствуют действительному поведению пьезоактюаторной системы в условиях сильных управляющих сигналов. А если пьезоактюатор нагрузить, то его резонансная частота падает в соответствии со следующим уравнением:

fr = fm · meff / m’eff (6.4) Где:

fr – резонансная частота нагруженного актюатора [Гц] fm – резонансная частота ненагруженного актюатора [Гц] meff – эффективная масса [кг].

m‘eff – эффективная масса для закрепленного с одного конца пьезоактюатора с дополнительной нагрузкой, m’eff = m/3 + М, где m – масса актюатора с учетом массы движущего адаптера (сферический толкатель, штырь с резьбой, плоский толкатель), М – масса дополнительной нагрузки (см. рис.26) [кг].

Из формулы 6.4 следует, что для удвоения резонансной частоты необходимо либо увеличить в 4 раза жесткость системы, либо снизить эффективную массу на 25% от ее реального значения. Следует также иметь в виду, что, пока резонансная частота пружины предварительного механического напряжения выше резонансной частоты самого актюатора, до тех пор внешняя нагрузка не будет оказывать значительного влияния на резонансную частоту актюатора.

Фазовая характеристика пьезоактюаторной системы может быть приближенно выражена системой второго порядка и описана следующим уравнением:

2 · arctg (f / fm ) (6.5) Где:

– фазовый угол [град] f – рабочая частота [Гц] fm – резонансная частота без нагрузки [Гц] 6.3 Скорость срабатывания Скорость срабатывания является одной из отличительных характеристик пьезоактюаторов. Быстрое изменение управляющего напряжения вызывает быстрое изменение позиции. Эта отличительная черта имеет большое значение особенно в динамических режимах работы в таких устройствах, как, сканирующие микроскопы, системы стабилизации изображения, виброкомпенсаторы, генераторы ударных волн, переключатели клапанов, затворов и.т.д.

Пьезоактюаторы могут достигать своего номинального перемещения приблизительно за 1/3 периода резонансной частоты в случае, если контроллер сможет обеспечить необходимый уровень тока. Но это может привести к значительной ошибке, если не принять компенсационных мер в цепи обратной связи, например, с помощью узкополосного режекторного фильтра.

Минимальное время срабатывания пьезоактюатора определяется по формуле (при наличии усилителя обеспечивающего необходимый уровень тока и скорости нарастания выходного напряжения):

tmin 1 /3 fm (6.6) Где:

tmin – минимальное время срабатывания [сек] fm – резонансная частота без нагрузки [Гц] Например, пакетный пьезоактюатор с резонансной частотой 10кГц может пройти свой номинальный ход за 30 микросекунд.

6.4 Работа в линейной динамике Пьезоактюаторы способны обеспечивать ускорения до нескольких тысяч g, и поэтому идеальны для использования в динамических режимах. Вместе с тем существуют некоторые ограничения динамической работы пьезоактюаторов:

- скорость нарастания выходного напряжения [В·сек] и максимальный ток усилителя ограничивают рабочую частоту пьезоактюаторной системы;

- если усилитель способен обеспечить необходимый уровень электрической мощности, то максимальная рабочая частота может быть лимитирована возникающими динамическими силами (см.

параграф 6.1);

- при продолжительной работе выделяемое тепло также может ограничить рабочую частоту.

- в режиме работы в цепи с обратной связью максимальная рабочая частота также может ограничиваться фазовым или амплитудным откликом системы. Чем выше резонансная частота всей пьезоактюаторной системы, тем больше фазовая и амплитудная реакция, а значит выше максимальная рабочая частота.

Нижеприведенные уравнения описывают взаимосвязь между выходным током усилителя, напряжением и рабочей частотой.

При среднем значении тока для долгосрочного синусоидального управления:

Iа f · C · Up-p 7) При пиковом токе для синусоидального управления:

Imаx · f · C · Up-p (6.8) Максимальная рабочая частота при управлении волной треугольной формы (пилообразное напряжение), как функция выходного тока усилителя:

fmax Imаx / 2 C · Up-p (6.9) Где:

Iа* – среднее значение выходного тока усилителя (указывается в спецификации блока питания) [А] Imаx* – пиковое значение выходного тока усилителя (указывается в спецификации блока питания) [А] Q – заряд [К или (А·сек)] f – рабочая частота [Гц] fmax – максимальная рабочая частота [Гц] С**– емкость пьезоактюатора [ф] Up-p – напряжение полной амплитуды [В] Примечания * - источник питания должен обеспечить необходимый уровень тока.

** - при работе с большим уровнем сигнала необходимо добавить запас в размере 70% от уровня, необходимого при работе с малыми сигналами.

Следующие уравнения описывают взаимосвязь между реактивной мощностью, емкостью актюатора, рабочей частотой и управляющим напряжением.

Средняя мощность драйвера для пьезоактюатора в режиме обеспечения синусоидального управления выражается следующим уравнением:

Ра f · C· Umаx · Up-p (6.10) Пиковая мощность драйвера в режиме обеспечения синусоидального управления:

Рmаx ·f · C· Umаx · Up-p (6.11) Где:

Р а – среднее значение мощности [Вт] Рmаx – пиковое значение мощности [Вт] С**– емкость пьезоактюатора [ф] (см. ** выше).

f – рабочая частота [Гц] Up-p – напряжение полной амплитуды [В] Umаx – номинальное напряжение усилителя [В] Существенным фактором является способность источника питания обеспечить необходимый уровень тока.

6.5 Динамический коэффициент по току Вместо проведения расчетов требуемой мощности драйвера для конкретных условий эксплуатации пьезоактюатора легче рассчитать уровень управляющего тока, так как он растет линейно с ростом частоты и напряжения (ходом). Для этого был специально введен Токовый Коэффициент при Динамической Работе (ТКДР) – это ток, который должен обеспечивать усилитель для перемещения пьезоактюатора на единицу его хода при частоте 1 Гц. Этот коэффициент используется при управлении пьезоактюатора синусоидальным напряжением в разомкнутой цепи. При работе в режиме обратной связи следует увеличивать этот ток на 50%.

ТКДР обычно указывается в технической спецификации на актюаторы.

Например, чтобы выбрать драйвер для пьезоактюатора с частотой 50Гц и ходом за полную амплитуду напряжения в 30мкм, необходимо умножить ТКДР актюатора на частоту и ход (50 х 30) и сравнить результат со средним значением выходного тока усилителя.

Если требуемый ток меньше или равен выходному току усилителя, то это означает, что усилитель может быть использован в работе с данным пьезоактюатором.

6.6 Работа в режиме переключений Использование пьезоактюаторов в качестве генераторов ударной волны, для управления клапанами и в коммутации вполне обосновано. Пьезоактюаторы могут производить перемещения с высокой скоростью и способны обеспечивать ускорения до нескольких тысяч g. Простейшим примером биполярного электронного драйвера для пьезоактюатора может служить большая емкость, которая медленно заряжается и затем быстро разряжается через пьезокерамику.

Нижеприведенное уравнение связывает приложенное напряжение (которое согласовывается с шагом) и время:

U(t) = Uo + Up-p · (1 – e –t/RC) (6.12) Где:

U0 – стартовое напряжение [В] Up-p – напряжение полной амплитуды источника питания [В] R – выходное сопротивление источника питания [Ом] С– емкость пьезоактюатора [ф] t – время [сек] Напряжение растет или падает по экспоненте в соответствии с постоянной времени RC цепи. В квазистационарных условиях перемещение пьезоактюатора пропорционально изменению напряжения. Но в действительности, динамика пьезоэлектрических процессов не может быть описана простым уравнением. Если управляющее напряжение растет слишком быстро, то имеет место резонанс, и как результат резонирование и проскок позиции. Более того, неважно, удлиняется или укорачивается пьезоактюатор, на пьезокерамику воздействуют динамические силы. Эти силы генерируют положительное или отрицательное напряжение в пьезоэлементе, которое накладывается на управляющее напряжение.

Пьезоактюатор может произвести свой номинальный ход примерно за 30% периода резонансной частоты, если блок питания сможет обеспечить необходимый уровень тока.

Ниже приведена зависимость времени заряда пьезокерамики от постоянного тока (случай линейного усилителя):

t C · (Up-p / I mаx ) (6.13) Где:

t – время [сек] С– емкость пьезоактюатора [ф] Up-p – напряжение полной амплитуды источника питания [В] Imаx* – пиковое значение выходного тока усилителя [А] Если электроника имеет низкую емкость, то лимитирующим фактором может быть скорость нарастания выходного напряжения источника питания. Для быстрейшего позиционирования использование пьезоактюатора в режиме переключений является не лучшим решением из-за вероятности проскоков. Современная технология «управляющей программы» позволяет решить проблемы резонансов в пьезоактюаторе и в актюаторной системе.

Пьезоактюаторы становятся все более популярными в силу способности обеспечить экстремально высокий уровень ускорения.

Это особенно важно для устройств управления диаграммой направленности (антенн) и стабилизации оптики. Однако, не всегда механизмы, которыми управляют пьезоактюаторы, способны повторить их ускорение. Быстрое приведение в действие наномеханизмов может повлечь за собой резонирование пьезоактюатора и любого элемента системы. Время, необходимое для затухания этого резонирования может быть во много раз большим по сравнению со временем, затраченным на ход актюатора. В производственном нанопозиционировании, где предъявляются высокие требования к увеличению производительности перемещения, временным параметрам и ужесточаются требования к точности, эта проблема становится еще большее актуальной.

Рис.29 Кривая срабатывания недемпфированного рычажно усиленного актюатора (с низкой резонансной частотой) на быстрое изменение управляющего напряжения. Такая реакция актюатора может быть устранена путем управления с помощью технологии «микропроцессорной управляющей программы» или позиционного сервоуправления.

Классическая технология сервоконтроля не способна решить эту проблему, особенно в случаях, когда резонансы вызваны извне системы сервоцепи. Например, если резонирование происходит за счет блока сканирования пьезоактюатора во время смены направления его хода. Часто эту проблему решают за счет снижения частоты сканирования, чем приносится в жертву преимущества пьезопривода. Запатентованная американской компанией Convolve, Inc. технология «управляющей программы», которая работает в режиме прямой связи в масштабе реального времени, позволяет компенсировать как внутренние, так и внешние резонансы, и таким образом установить фазу схватывания.

6.7 Выделение тепла при работе в динамике Пьезокерамика является реактивной емкостной нагрузкой, что требует увеличение тока заряда и разряда с увеличением рабочей частоты. Величину мощности пьезоактюатора, которая тратится на выделение тепла при его гармоническом возбуждении Р (произведение кажущейся мощности на коэффициент мощности, cos ) может быть рассчитана по следующей формуле:

Р /4 · tg · f · C· U2p-p (6.14) Где:

Р – мощность, затрачиваемая на нагрев пьезоактюатора [Вт] tg – диэлектрический фактор (приблизительно равен коэффициенту мощности, cos при малых углах и ) f – рабочая частота [Гц] С– емкость пьезоактюатора [ф] Up-p – напряжение полной амплитуды источника питания [В] При описании потерь мощности на нагревание для пьезоактюаторов обычно пользуются не коэффициентом мощности (cos ), а коэффициентом диэлектрических потерь (tg ), характерным для диэлектрических материалов. Для стандартных пьезокерамических актюаторов коэффициент диэлектрических потерь в условиях слабых сигналов обычно составляет величину 0,01 – 0,02.

Это означает, что до 2% электрической мощности потребляемой актюатором преобразуется в тепловую энергию. Для сильных сигналов эта доля составляет около 8 – 12% в зависимости от частоты, амплитуды, температуры окружающей среды и т.п. Поэтому, максимальная рабочая температура может лимитировать динамику пьезоактюатора. При больших амплитудах и высоких частотах необходимо применять принудительное охлаждение пьезоактюаторной системы. Для этого на пъезокерамике устанавливается температурный датчик.

Для пьезоактюаторов, работающих на высоких частотах, используется, так называемый, усилитель регенерации энергии, блок схема которого приведена на рис. 30.

Рис.30 Блок-схема усилителя регенерации энергии для работы в условиях высокочастотного управления.

В этом случае вместо рассеивания реактивной энергии на нагрев конструкции, пьезоактюатор потребляет только активную составляющую подаваемой энергии.

7. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ АКТЮАТОРОВ 7.1 Температура С точки зрения температуры следует учитывать два основных момента: линейное температурное расширенное и температурную зависимость пьезоэффектов.

Линейное температурное расширенное. Температурная стабильность пьезокерамики выше по сравнению с большинством других материалов. На рисунке 31а показано поведение нескольких типов пьезокерамики типа ЦТС.

Рис.31а Линейное температурное расширение нескольких обычных типов ЦТС пьезокерамики Рис.31б.Изменение температуры оказывает незначительное влияние на линейное расширение высокотемпературной пьезокерамики. Это, а также относительно низкий уровень выделяемого тепла, позволяет такой пьезокерамике прекрасно работать в динамических режимах.

Данные кривые показывают поведение только пьезокерамики.

Так как пьезоактюатор и актюаторная система в сборе состоит из разных материалов, то их температурное расширение будет оказывать свое воздействие на всю систему.

Температурная зависимость пьезоэффектов. Пьезоактюаторы работают в широком диапазоне температур. Как известно, пьезоэффект в ЦТС пъезокерамике наблюдается практически до температуры равной 0 по Кельвину, вместе с тем магнитуда пьезоэлектрических коэффициентов температурно зависима. В жидком гелии величина расширения пьезокерамики падает приблизительно на 10-20% по сравнению с таковым при комнатной температуре.

Пьезокерамику можно деполяризовать частично или полностью, если ее нагреть до температуры, превышающей максимально допустимую рабочую температуру. Величина температуры, при которой наступает деполяризация, зависит от температуры Кюри и от типа используемой в актюаторах пьезокерамики. Пьезокерамика метаниобата свинца позволяет повысить рабочую температуру, например, при температуре Кюри 450С допускается максимальная рабочая температура до 350С. Но такой тип пьезокерамики не подходит для построения пьезоактюаторов по другим показателям.

ЦТС пьезокерамика, которая применяется для изготовления пьезоактюаторов, обычно имеет максимальную рабочую температуру приблизительно равную половине температуры Кюри. Если точка Кюри равна, например, 360С, то максимальная рабочая температура не должна превышать 160-180С.

Следует иметь в виду, что для пьезоактюатора, работающего в цепи обратной связи, температурные изменения в пределах допустимых норм, оказывают в меньшей степени влияние на его работу по сравнению с режимом разомкнутой цепи. Идеальную точность актюатор обеспечивает в том случае, если он работает при температуре равной калибровочной температуре. Обычно, калибровка пьезоактюатора производится при температуре +22С, и эта температура не указывается в спецификации. Если калибровка производится при иной температуре, то тогда она указывается в технической спецификации на актюатор.

7.2 Влажность Полимерные материалы, применяемые для изготовления изоляции в пьезоактюаторах, весьма чувствительны к влажности.

Молекулы воды, диффундируя через полимерный слой, могут вызвать короткое замыкание пьезоэлектрических слоев. Для использования пьезоактюаторов в условиях повышенной влажности применяются водонепроницаемые конструкции или встроенные воздуходувные сушилки.

В последнее время были разработаны пьезоактюаторы, которые не имеют полимерных изоляционных материалов. В них используется только керамический изоляционный материал, поверх которого можно наносить любую дополнительную полимерную изоляцию. В результате, нет заметной вакуумной дегазации и чувствительности к атмосферной влажности. Такие актюаторы имеют более широкий температурный рабочий диапазон.

Сравнительные тесты, проводимые при напряжении постоянного тока 100 вольт, температуре окружающей среды +25°C и влажности 70%, показывают, что у обычных актюаторов ток утечки начинается через несколько (6-8) часов. Это указывает на ухудшение изоляции, а, следовательно, на снижение срока службы. У пьезоактюаторов с керамическим изоляционным материалом ток утечки не был отмечен на протяжении 10.000 часов.

7.3 Инертные газы При эксплуатации пьезоактюаторов в среде инертных газов рекомендуется снижать уровень максимального рабочего напряжения. Рекомендуется также использовать полу-синусоидальное питание, так как в этом случае можно обеспечить рабочее напряжение на низком уровне. Пьезоактюаторы с керамическим изоляционным материалом хорошо зарекомендовали себя при работе в среде инертных газов, таких как гелий.

7.4 Вакуум Пьезоактюаторы могут работать в условиях давлений ниже 100Па (около 1 торра). Когда пьезоактюаторы используются в условиях вакуума, следует учитывать диэлектрическую стабильность и вакуумную дегазацию.

Напряжение пробоя диэлектрика в удельном газе является функцией давления, времени и расстояния между электродами.

Воздух демонстрирует высокие изоляционные свойства в диапазоне давлений от атмосферного до очень низкого. При давлении в 1000Па (~ 10 торр) минимальное напряжение пробоя составляет около 300В.

Поэтому, в вакууме следует применять пьезоактюаторы с номинальным рабочим напряжением не выше 150В. Высоковольтные пьезоактюаторы с номинальным напряжением 1000В и толщиной диэлектрического слоя от 0,2мм до 1,0мм не рекомендуется применять при давлениях в диапазоне 100 50.000Па (~1 500 торр).

Для пьезоактюаторов, предназначенных для работы в условиях вакуума, все материалы подбирают с минимальным уровнем дегазации, включая кабели и соединения. Несмотря на это, процесс вакуумной дегазации протекает по-разному, в зависимости от конструкции и типа пьезоактюатора.

8 ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПЬЕЗОАКТЮАТОРОВ 8.1 Пакетная осевая конструкция Пакетный осевой актюатор, как было указано выше, состоит из пакета пьезокерамических дисков, между которыми проложены тонкие металлические электроды. Максимальное управляющее напряжение должно быть пропорционально толщине пьезокерамических дисков. Большинство высоковольтных актюаторов (500В, 1000В) имеют толщину пьезокерамического слоя от 0,4мм до 1мм. Низковольтные пакетные актюаторы (120В, 150В) имеет слои пьезокерамики от 25мкм до 100мкм, причем пьезокерамические слои спечены вместе с электродами, образуя монолитный пакет.

Рис.32 Конструкция высоковольтного и внешний вид низковольтного пакетных актюаторов.

Пакетные актюаторы могут выдерживать большие нагрузки и демонстрируют наибольший ход по сравнению с мощными пьезоактюаторами других конструкций. Стандартные конструкции пакетных актюаторов способны выдерживать нагрузки до 100.000Н, а с предварительным механическим напряжением – могут также работать в двухтактном режиме («тяни-толкай»).

Более подробно характеристики пакетных актюаторов рассмотрены выше.

Пакетные пьезоактюаторы применяются для статического и динамического прецизионного позиционирования, в оборудовании для тестирования дисководов, в оптонике (стекловолоконной оптике), настройке лазеров, метрологии и интерферометрии, адаптронике (системах активного контроля рабочих характеристик конструкций, например станка-гексапода), точной, адаптивной и микромеханике, системах активного контроля и компенсации вибрации, коммутирующих системах. В зависимости от целей использования пьезоактюаторы могут быть выполнены в следующем специальном исполнении:

а). Криогенное исполнение.

Низковольтные и высоковольтные пьезоактюаторы могут производиться в исполнении, которое позволяет работать в криогенных условиях, даже при температуре ниже температуры жидкого гелия.

б). Для работы в вакууме.

Следует отметить, что стандартные пьезоактюаторы могут работать в условиях высокого вакуума без ограничений. Для работы в сверхвысоком вакууме материалы, из которых актюаторы изготавливаются, должны быть адаптированы, т.е. иметь очень низкие значения скорости газовыделения.

в). Определение позиции актюатора.

Большинство пьезоактюаторов могут работать с тензодатчиком (датчиком деформаций) в совокупности с мостом сопротивлений для определения их позиции. Использование системы регулирования с обратной связью позволяет обеспечить линейность характеристик перемещения актюаторов. Гистерезис и крип актюаторов компенсируется, что позволяет их применение в решении задач прецизионного позиционирования.

Рис.33 Блок схема подключения моста сопротивлений для определения позиции пьезоактюатора.

г). Встроенная система определения силы Знать действительный баланс сил в пьезоактюаторе очень важно, особенно при его взаимодействии с динамической нагрузкой.

Используя дуалистический характер поведения пьезокерамики (прямой и обратный пьезоэффект), можно обеспечить прекрасную возможность определения баланса сил. На практике электрически выделяют в «рабочем» пьезопакете небольшую его часть. Эта небольшая часть пьезопакета подключается к прибору, регистрирующему заряд или напряжение, что позволяет получать информацию об изменении величины механического напряжения в пьезопакете.

Рис.34 Схема построения пьезоактюатора со встроенным датчиком силы.

д). Встроенная система темростабилизации Как было рассмотрено выше, стабильность работы пьезоактюаторов обеспечивается их стабильными температурными параметрами. С этой целью разрабатываются различные системы.

Часто применяется принудительное воздушное охлаждение, радиаторные конструкции корпуса и т.п.

предлагает модификацию APC International Ltd.

пьезоактюаторов со встроенной системой термостабилизации “TermoStable”. Главным аспектом данной системы является обеспечение эффективной теплопередача от пьезопакета корпусу актюатора, и далее в окружающую среду. Благодаря этому не допускается повышение температуры в любой точке пьезопакета, которое могло бы привести к его повреждению от перегрева при развитии актюатором максимальной мощности.

Измерения показывают, что при нагреве пьезоактюатора минимальное отличие в температуре пьезопакета и корпуса составляет около 10С. Это означает, что: во-первых, нет необходимости измерять температуру пьезопакета с помощью внутренних устройств, а достаточно замерять температуру корпуса;

во-вторых, нет необходимости создавать внутри актюатора систему охлаждения, что не потребует увеличения его размеров.

Если поместить такой пьезоактюатор с термостабилизацией в медный корпус, то значительная часть выделяемого тепла уходит к основанию актюатора, и поглощается вспомогательными механизмами. Размеры такого актюатора соизмеримы с размерами стандартного актюатора.

Пьезоактюаторы по технологии термостабилизации: слева в медном корпусе, справа в «радиаторном» корпусе для принудительного воздушного охлаждения е). Антикоррозийное исполнение Иногда пьезоактюаторы используются в механических устройствах, предназначенных для работы в специфических условиях агрессивной среды, как например, в инжекторах подачи дизельного топлива. Иногда актюаторы работают в прямом контакте с агрессивной средой. Все это может повлечь нарушение изолирующего слоя и последующий выход актюатора из строя. Для этого используются разные специальные покрытия пьезопакетов и корпуса актюаторов, выдерживающие воздействие органических жидкостей и агентов. Применяются разные металлы для изготовления корпусов, такие как нержавеющая сталь, сплав железа с никелем, алюминий, титан и т.п.

8.2 Сравнение низковольтных и высоковольтных актюаторов а). Материалы, размеры Низковольтные пьезопакеты с совместно спеченными слоями. Если ранее для низковольтных пьезоактюаторов проблемой был подбор подходящей пьезокерамики, то сейчас эта проблема снята за счет применения технологии совместного спекания тонких слоев пьезокерамики с нанесенными электродами в одном пакете. Для этой технологии в принципе подходит любой тип ЦТС пьезокерамики.

Низковольтные и высоковольтные элементы обладают одинаковыми пьезомеханическими параметрами, когда применяются соответствующие пьезоматериалы и управляющие сигналы.

Размеры низковольтных пьезоактюаторов обычно имеют малые или средние величины с поперечным сечением, как правило, не более 10мм х 10мм. Увеличение этого сечения ведет к значительному росту цены. Кроме этого, увеличение размеров низковольтных актюаторов требует большого увеличения управляющего тока, сопоставимого по величине с током эквивалентного высоковольтного актюатора. В этом случае соотношение цены и выгоды оказывается не в пользу низковольтных актюаторов.


Высоковольтные пьезопакеты с дискретными слоями (пьезоэлементами). Для их изготовления используют любые типы ЦТС пьезокерамики. Разработка и производство высоковольтных пьезоактюаторов не стандартных размеров гораздо проще по сравнению с низковольтными. Для пьезоактюаторных систем, рассчитанных на большие размеры актюаторов с высокой мощностью, огромной нагрузкой, большой блокирующей силой и большим максимальным шагом, используются только высоковольтные пьезоактюаторы.

б). Электрические свойства.

Структура слоев пьезопакета и применяемый пьезоматериал определяют электрическую емкость пьезоактюаторов. Низковольтные актюаторы имеют значительно большее количество пьезокерамических слоев по сравнению с высоковольтными актюаторами такой же длины. В результате они имеют более высокую электрическую емкость. Но, в то же время, энергия, требуемая для их заряда, одинакова для следующих двух случаев:

- когда эти два типа актюаторов изготовлены из одного пьезоматериала, имеют одинаковые размеры и форму, имеют величины управляющего напряжения 200В и 1000В, а величина емкости низковольтного пьезоактюатора в 25 раз выше емкости высоковольтного;

- когда величина управляющего тока, например равная 1 амперу, необходима для получения определенного отклика для высоковольтного актюатора с максимальным напряжением управления 1000 Вольт, а для эквивалентного 200 вольтового она в раз больше.

Для получения соответствующего отклика пьезоактюатора на практике должно выполняться следующее важное правило: при любом снижении управляющего напряжения должно быть обеспечено эквивалентное увеличение уровня тока в цепи. Пьезоактюаторы больших размеров, при низковольтном управлении, в режиме включения могут требовать величины тока в цепи равной нескольким сотен ампер.

в). Температурные диапазоны.

Для низковольтных пьезоактюаторов максимальная рабочая температура составляет 160С 180С, для высоковольтных этот предел равен 220С. Криогенные температуры выдерживают оба типа.

г). Совместимость с вакуумом Оба типа актюаторов могут работать в условиях нормального вакуума. Однако, для сверхвысокого вакуума в диапазоне Тора следует делать определенную модификацию, так как приложенное электрическое поле может вызвать тлеющий разряд. В этих условиях низковольтные актюаторы могут работать во всем диапазоне управляющих напряжений, в то время, как для высоковольтных следует снижать их величину.

д). Работа в среде инертного газа Следует соблюдать меры предосторожности при работе пьезоактюаторов в среде, содержащей гелий или аргон. Процессы разряда могут привести к воспламенению, ведущему к повреждению изоляции. Если это сопровождается выделением большой мощности или большим током в цепи, током, то происходит бесповоротное локальное повреждение пьезокерамики или изоляции. В связи с этим, пьезоактюаторы в среде инертных газов должны управляться пониженным напряжением.

8.3 Многослойные монолитные осевые пьезоактюаторы В последние годы широкое применение получили так называемые многослойные (ко-спеченые) монолитные актюаторы.

Они изготавливаются из пьезокерамических слоев толщиной менее миллиметров вплоть до 20-40мкм. Основные положения технологии их производства изложены в параграфе 2.4.2 В силу очень малой величины пьезокерамических слоев напряженность электрического поля около 1кВ/мм может быть легко достигнута при управляющем напряжении даже ниже 50 вольт. Поэтому их еще часто называют низковольтными. Удельный ход актюатора на единицу длины или толщины приблизительно такое же, как и у «классических»

актюаторов, в связи с чем, многослойный актюатор в этом преимуществ не имеет. Отличие состоит лишь в том, что тот же эффект достигается при очень низких уровнях управляющего напряжения.

Многослойные пьезоактюаторы подразделяются на:

- осевые актюаторы (d33 -мода) - поперечные актюаторы (d31 -мода) - сдвиговые и псевдо-сдвиговые актюаторы (d31 -мода) - многослойные изгибные актюаторы Так называемые низковольтные пакетные осевые актюаторы (d -мода) с совместно спеченными слоями (ко-спеченные или иначе монолитные) впервые появились около 20 лет назад. С того времени технология их производства усовершенствовалась, и в настоящее время существуют две основные концепции в технологии:

- открытая изоляция пьезопакета «ОСИ» (“on-stack insulation”) - закрытая изоляция пьезопакета «ИСИ» (“in-stack insulation”) Не смотря на то, что на первый взгляд эти две технологии отличают, казалось бы, только электрическую конфигурацию пьезопакета, они придают значительные отличия механическим параметрам и надежность структуре пьезопакета, благодаря электромеханической связи через пьезоэлектрический эффект. «ОСИ»

структура показывает значительное превосходство в параметрах актюации и легче в обращении по сравнению с монолитными актюаторами, изготовленными по другим технологиям. В настоящее время многослойные монолитные пьезоактюатор, построенные по технологии «ОСИ» пользуются наибольшим спросом в силу их более высоких характеристик, их универсальности и пригодности к применению в различных областях. Они в основном применяются для работы в температурном диапазоне ниже +100С.

Различные виды низковольтных ко-спеченных пьезоактюаторов.

Несколько лет назад потребности сверхвысокого впрыска (инжекции) дали очередной импульс в совершенствовании параметров низковольтных пакетных ко-спеченных пьезоактюаторов и развитии технологии их производства. В первую очередь это коснулось диапазона рабочих температур, который увеличился до +150С. Были разработаны специальные монолитные актюаторы по технологии изоляции пьезопакета) с «ИСИ» (закрытой использованием специальной высоко-температурной с высокой деформацией пьезокерамики ЦТС. Такие инжекторные пьезоэлементы оптимизированы для работы в режиме переключений с временем нарастания импульса менее 100мксек и количеством циклов до 1010.

8.3.1 Низковольтные монолитные пакетные «ОСИ»-актюаторы Как было указано выше, такой тип монолитных пакетных актюаторов в настоящее время находит наиболее широкое применение. Отличительной особенностью в их производстве является наплавление на пьезопакет тончайшего слоя стекла в тех местах, где внутренние слои электродов выходят на поверхность, с целью изоляции друг от друга электродов противоположной полярности. Слои стекла не прилегают друг к другу плотно и не создают сплошного не гибкого слоя стекла (см. рис 35).

внутренний электрод пьезокерамика стекло-изоляция электрод питания Рис. Главными особенностями «ОСИ» технологии являются обеспечение:

• Возможности 100% покрытия электродами каждого слоя пьезокерамики, что позволяет увеличить максимальный шаг и блокирующую силу актюатора.

• Однородности деформации по всему объему пьезокерамики, отсутствия значительных напряжений на границах пьезокерамических слоев, приводящих к появлению трещин в керамике или электрическому разрушению актюатора.

• Отсутствия значительной неоднородной напряженности, приводящих к нарушению плоскостности торца пьезоактюатора (что важно для когерентно-оптических систем).

• Высокой электрической надежности. По сравнению с актюаторами, изготовленными по технологии «ИСИ», «ОСИ» актюаторы обладают полнейшей (100%) поверхностью пьезокерамики без боковых срезов или выемок. В связи с чем, нет риска разрыва электродов питания в срезах или выемках на боковых поверхностях пьезопакета.

Благодаря отсутствию элементов структуры актюатора, вызывающих растягивающие напряжения в пьезокерамике, «ОСИ» актюаторы могут работать с высоким уровнем деформации без обеспечения предварительного механического напряжения (в случае отсутствия внешних растягивающих сил).

Боковые поверхности покрываются «ОСИ»-актюаторов полимерными материалами. Это покрытие защищает пьезокерамику от неквалифицированного обращения с ними, механического повреждения или воздействия химических веществ.

Различные виды защитного покрытия По спецификации заказчика могут наноситься специальные покрытия, выдерживающие криогенные температуры, вакуум и сверхнизкий вакуум, погружение в безводные растворы. Полимерное покрытие обладает большей гибкостью по сравнению с пьезокерамикой, в связи с чем отсутствует эффект нанесения ущерба пьезоактюации.

С другой стороны, более толстый слой покрытия действует как элемент жесткости и износостойкости, делая пьезопакет мене чувствительным к изгибающим или наклоняющим силам.

Эксперименты показывают, что пьезопакет с покрытием выдерживает в два раза большую нагрузку на перелом, по сравнению с таким же пьезопакетом, но без покрытия.

8.3.2 Низковольтные монолитные пакетные «ИСИ»-актюаторы «ИСИ» пакетные монолитные актюаторы (с закрытой изоляцией пьезопакета) имеют более простую систему построения электрической части, известную еще со времен 70-х годов 20 века, когда появились первые актюаторы.

Подобно структурам поверхность «ОСИ» «ИСИ пьезоактюаторов покрывается полимерами. Необходимая электрическая изоляция осуществляется внутри пьезопакета. Для этого поверхность слоев пьезокерамики металлизируется не полностью. Небольшая изоляционная полоска обеспечивает электрическое разделение внутреннего электрода от внешнего электрода противоположной полярности (см. рис 36).

внутренний электрод изолирующая полоса Рис. Легко можно увидеть, что пьезокерамика пакета активна только частично, и имеется резкий переход от активной части пьезокерамики к пассивной. В связи с этим существует пограничная область перехода от активной к пассивной пьезокерамике, в которой создаются растягивающие напряжения в момент активации и расширения пьезопакета (см. рис 37).

внутренний электрод изоляционный промежуток Зоны с растягивающими напряжениями Рис. Эти растягивающие напряжения потенциально могут привести к механическому повреждению пьезокерамики и электрической поломке актюатора в процессе долговременной работы. Это связано с тем, что в таких актюаторах не применяются специальные меры по предупреждению трещин пьезопакета.


а) Ограничение толщины монолитных многослойных пьезоактюаторов.

Отмечено, что растрескивание пьезокерамики в обычных дискретных пьезоактюаторах не происходит при условии очень малой толщины слоев пьезопакета. Оптимальная толщина слоя составляет 2 3мм. Если набирать пьезопакет актюатора из монолитных многослойных пьезопакетов толщиной 2-3мм (т.н. «пьезо-чипов»), то можно конструировать более длинные пьезопакеты (см. фото внизу).

Пакетный актюатор, собранный из многослойных монолитных пьезо-чипов.

Механические свойства таких пакетных актюаторов зависят до определенной степени от качества клеевого соединения пьезо-чипов.

б) Снижение механического напряжения пьезопакета с помощью компенсационных швов.

Для изготовления монолитных многослойных актюаторов с длиной более 3мм в пакете в критической активно/неактивной зоне пьезокерамики изготавливаются компенсационные швы - вырезы параллельно слоям керамики (см. рис. 38).

внутренний электрод слой пьезокерамики боковые вырезы электрод питания электрод питания Рис.38 Монолитный «ИСИ»-пьезопакет с боковыми вырезами, снижающими механическое напряжение керамики.

Однако, такие монолитные с «ИСИ»-пьезопакеты компенсационными швами более чувствительны к изгибающим силам, так как вырезы являются точками, в которых начинается растрескивание и последующее разрушение пьезокерамики. В связи с этим, разработка любого страхующего механизма целесообразна для оптимизации осевой прочности «ИСИ»-пьезоактюаторов. Особое внимание следует этому уделять для пьезопакетов со значительном соотношением длины к размеру основания (диаметра).

в) Механическое предварительное напряжение.

В дополнение к вышеуказанной технологии проблемы внутреннего механического напряжения «ИСИ»-пьезоактюаторов решаются также с помощью применения значительного осевого предварительного напряжения или осевой предварительной нагрузки даже для условий низко динамического или статического режима работы.

г) Разрушение электродов питания.

Электроды питания «ИСИ»-пьезоактюаторов должны быть заложены в продольные прорези на боковых стенках пьезопакета. В простых конструкциях пьезопакетов во время работы в условиях высоких напряжений или динамики боковые питающие электроды подвержены увеличенной вероятности разрыва вблизи границ боковых прорезей. Это может привести к повреждению электрической схемы пьезоактюатора. Во избежание этого электроды питания в боковые прорези пьезопакета закладываются не в натянутом положении, а делаются петли с определенной степенью свободы, которые при увеличении деформации пьезопакета не позволяют электроду натягиваться. Данной проблемы не существует у пьезоактюаторов, изготавливаемых по «ОСИ» технологии, у которых нет боковых питающих электродов.

д) «Утопленные» электроды.

Технология «утопленных» электродов известна давно - с момента появления низковольтных пьезоактюаторов.

Рис. 39 Многослойный осевой актюатор с утопленными электродами.

Активная зона электрода изолирующий пояс электрод питания Рис. 40 Чертеж «утопленного» электрода В пьезопакетах с «утопленным» электродом не требуется дополнительного покрытия для предотвращения электрокоррозии электродов для работы в условиях загрязняющих веществ. Однако, такая схема внутренних электродов приводит к уменьшению активного слоя пьезокерамики, и тем самым к снижению параметров, а также к увеличению риска растрескивания пьезокерамики в пограничном активно/неактивном слое пьезокерамики.

8.3.3 Низковольтные бескорпусные ко-спеченные кольцевые пьезоактюаторы Как и прямоугольные монолитные актюаторы, кольцевые монолитные пьезоактюаторы могут изготавливаться по технологиям «ОСИ» и «ИСИ». Отличительной четой является их цилиндрическая форма с отверстием внутри. Очевидно, что такая конструкция позволяет использовать центральную осевую часть пьезоактюатора для встраивания во внутрь оптических элементов.

Кольцевой монолитный актюатор Кроме этого, кольцевые монолитные актюаторы имеют определенные пьезомеханические преимущества перед прямоугольными. При условии одинакового пьезокерамического объема, определяемого одинаковой площадью активного сечения пьезопакета и его длины, оба типа монолитных актюаторов имеют одинаковую электрическую емкость и одинаковое потребление энергии. Но кольцевые актюаторы при этом имеют более высокую жесткость по отношению к изгибающим нагрузкам (из-за большего диаметра), а также более низкий уровень температуры самонагрева во время динамической работы (за счет большей площади поверхности, которая определяет лучшее охлаждение).

8.3.4 Рекомендации по соединению монолитных актюаторов с пьезомеханикой Контакт между монолитным актюатором и механической системой осуществляется через его торцевую поверхность. Ниже показаны примеры схем не правильного и правильного соединения для линейно управляемых механических систем.

Рис. В первом случае соединение на правильное, и может привести к повреждению актюатора. Второй и третий вариант показывают правильное соединение с помощью сферического и плоского толкателей.

Для поворотных механизмов целесообразно использовать сферический толкатель, так как плоский толкатель повышает риск повреждения пьезопакета (см рис. 42).

Рис. Наиболее распространенной ошибкой в построении актюаторной системы является соединение плоского толкателя пьезоактюатора с плоской поверхностью ведомого механизма. Даже незначительное отклонение от параллельности может привести к возникновению локального напряжения, следствием которого может стать повреждение пьезокерамики, особенно в условиях больших нагрузок.

Для монолитных пьезоактюаторов с плоским толкателем обычно используется клеевое соединение между актюатором и ведомым механизмом. В этом случае для температурных диапазонов от -20С до +60С должны использоваться высококачественные эпоксидные клеи. Температура затвердевания должна быть как можно ниже во избежание появления температурных напряжений, когда коэффициенты теплового расширения присоединенных элементов значительно отличаются. Толщина клеевого слоя должна быть довольно тонкая (50мкм), чтобы избежать смягчение качества повторения перемещений. Для жестких условий, как например, очень высокая или очень низкая температура, вакуум и т.п. рекомендуются специальные адгезивы и клеевые технологии.

С другой стороны слишком твердые или слишком тонкие слои клея усиливают т.н. «зажимающий эффект пьезомодуля d31», что может повлечь затруднение или даже блокирование осевой деформации, особенно для «пьезо-чипов». Для когерентной оптики может наступить нежелательное отклонение оптического элемента (см. рис. 43).

активированный слой пьезокерамики подложка Рис. Только тогда, когда не происходит d31-планарного зажима, тонкий пьезо-чип обладает максимальным d33-осевым расширением и планарным сдвигом.

При монтаже монолитных пьезоактюаторов в металлические конструкции следует уделять особое внимание их электрической изоляции. С другой стороны, имея полимерное покрытие, они могут работать в среде неводных растворов, таких как дизельное топливо, трансформаторное масло, силиконовое масло. Это также позволяет их охлаждение с помощью таких сред. Для тропических условий и высокой влажности монолитные пакетные актюаторы изолируются с помощью капсулирования в металлическую фольгу (см. фото внизу).

Такая технология появилась около 2 лет назад, и обеспечивает нормальную работу пьезоактюаторов при температуре окружающей среды +20С и относительной влажности 85%.

Другие особенности крепления бескорпусных актюаторов см. в параграфе 9.2.

8.4 Другие типы многослойных пьезоактюаторов.

8.4.1 Многослойные поперечные актюаторы сжатия (d31 -мода) Максимальный ход таких актюаторов является функцией длины слоев пьезокерамики, в то время как количество слоев, включенных параллельно, определяет жесткость и силу, развиваемую актюатором.

Рис. 44 Многослойный поперечный актюатор (сжатия).

Рис. 45 График зависимости хода многослойного актюатора сжатия от управляющего напряжения Актюаторы сжатия применяются в оптонике, нанопозиционировании, для биомедицинских целей, электрофизиологии.

8.4.2 Многослойные сдвиговые актюаторы Сдвиговые актюаторы способны генерировать большую блокирующую силу при значительном сдвиге. Кроме этого, они обладают стабильностью при управлении биполярным напряжением, в связи с чем, среднее положение соответствует нулевому значению управляющего напряжения (см. рис 46).

Рис.46 Деформация пьезокерамики в сдвиговом актюаторе.

Сдвиговые актюаторы находят применение в качестве пьезоэлектрических линейных моторов, а также как одноосевые и двухосевые позиционирующие элементы. Ниже приведен пример компактного многовекторного сдвигового актюатора компании Physic Instrumente типа РХ155.

Эти устройства исключительно компактны и обеспечивают субнанометрическое разрешение и сверхбыструю реакцию на управляющий сигнал. Производятся в четырех версиях в зависимости от направления сдвига по ординатам: X, XY, XZ и XYZ. Величина сдвига – до 10мкм. Обладают исключительной надежностью, наработка на отказ более 109 циклов.

Основанные на сдвиговом пьезоэффекте, актюаторы версий X и XY обладают почти удвоенной величиной сдвига по сравнению с обычными актюаторами при одинаковой напряженности электрического поля. Обладают высокой резонансной частотой, что позволяет использовать в динамических режимах работы по осям X и Y. Комбинация значительного сдвига и низкой электрической емкости обеспечивает прекрасные динамические характеристики при пониженном уровне мощности блока управления.

Сдвиговые актюаторы компании PI с размерами от 3мм х 3мм до 165мм х 16мм Возможны модификации, работающие при сверхнизком вакууме (до 10-9 hPa) и низкой температуре (до температуры жидкого гелия).

Производятся также не магнитные актюаторы, а также т.н. версии «незатененного раскрыва».

Используются актюаторы версии РХ155 в нанопозиционировании, точной механике, устройствах активной компенсации вибрации, производстве полупроводников и их тестировании, линейных моторах, устройствах сканирования, атомарной микроскопии, настройке лазеров.

8.4.3 Многослойные псевдо-сдвиговые актюаторы Исследователи Пенсильванского центра PennState University (США) собрали пакет из поляризованных прямоугольных пьезокерамических пластин, склеив их противоположные концы неэластичным токопроводящим клеем, и приклеив один из концов нижней пластины к основанию (см. рис. 47а). Пустоты между пьезокерамическими пластинами для стабильности были заполнены тонкими пластиковыми пластинами. Пьезокерамические пластины были подключены друг к другу параллельно с помощью токопроводящего вяжущего материала.

Пьезокера мика пластик клей направление поляризации а б (-) в (+) Рис.47 Многослойный псевдо-сдвиговой актюатор: а – исходное положение, б – отрицательное напряжение на нижней пластине, в – положительное напряжение на нижней пластине Если к нижней пластине приложить электрическое поле противоположное направлению поляризации, то остальные пластины попеременно подвергаются воздействию положительного или отрицательного электрического поля, в результате они соответственно удлиняются или сокращаются, но все в одном направлении. В результате актюатор осуществляет сильное сдвиговое движение в плоскости, перпендикулярной направлению крепления пластин (рис. 47б). Конечный результат напоминает действие сдвигового актюатора, откуда и произошло название устройства.

Если поменять полярность напряжения, приложенного к нижней пластине, то пакет отклонится в другую сторону (рис. 47в). При подаче переменного тока актюатор вибрирует как сдвиговой вибратор.

Удлинение le или сокращение ls каждого слоя может быть определено по следующей формуле:

le = d31 E3 (8.6) ls = - d31 E3 Где:

d31 - пьезоэлектрический модуль E3 - электрическое поле, приложенное в направлении поляризации - длина пьезокерамической пластины l Общее отклонение ltot приклеенной и свободной верхней пластины выражаются следующими уравнениями соответственно (n количество пластин в пакете):

ltot = (n - 1) d31 E3 (8.7) ltot = n d31 E3 Исследователи добились величины перемещения более, чем микрон на актюаторе, состоящем из 18 пластин размером 25,57мм х 4,02мм х 0,51мм (l x w x t) каждая. Перемещение может быть увеличено, а управляющее напряжение может быть снижено при сохранении напряженности электрического поля постоянной за счет уменьшения толщины пластин и увеличения их количества.

Устройства такого типа могут заменить простые осевые актюаторы во многих случаях, включая использование в качестве моторов, клапанов и насосов, для определения параметров потока и управления им и т.п.

8.4.4 Многослойные изгибные актюаторы Многослойные изгибные актюаторы можно изготавливать следующими тремя способами:

- путем наклеивания поперечного многослойного актюатора (d31 мода) на пассивную подложку, например металлическую ленту, - путем комбинации поперечного многослойного актюатора (d31 мода) со слоем неполяризованной пьезокерамики, - путем комбинации слоев пьезокерамики со сложной электродной структурой таким образом, чтобы слои расширялись и сжимались подобно классическому биморфному элементу.

На рисунке 48 показан многослойный изгибной актюатор, сконструированный путем чередования электродов и слоев поляризованной пьезокерамики, что дает возможность слоям расширяться или сжиматься так же, как это происходит в отдельном двухслойном элементе.

Рис.48 Многослойный изгибной актюатор Подобно осевым и поперечным многослойным актюаторам многослойный изгибной актюатор требует гораздо меньшего управляющего напряжения по сравнению с двухслойным эквивалентным актюатором. Сравнительные характеристики многослойного изгибного актюатора, состоящего из пьезокерамических слоев, и обычного двухслойного актюатора приведены в таблице:

Параметр Многослойный Двухслойный актюатор актюатор Отклонение Малое (10мкм) Большое (300мкм) Сила Большая (1000Н) Слабая (1Н) Скорость реакции Быстрая (10мкс) Медленная (1мс) Больше (10 11циклов) Меньше (10 8 циклов) Долговечность Коэффициент Большой (k33 = 70%) Малый (k33 = 10%) электромеханичес кой связи Общие положения и уравнения для обычного изгибного актюатора относятся и к многослойным актюаторам.

Недавно были разработаны многослойные актюаторы, которые изгибаются по ширине в отличие от обычных двухслойных изгибных актюаторов, у которых отклонение происходит в толщинном направлении. По сравнению с двухслойными изгибными актюаторами обычных размеров, такие многослойные актюаторы демонстрируют значительно более высокую резонансную частоту, при том, что величина их шага больше в два раза, а блокирующая сила превосходит в 27 раз. Такие характеристики делают многослойные изгибные актюаторы весьма перспективными для использования в системах серво контроля отслеживающего механизма магнитных головок драйвера жесткого диска компьютера.

8.5 Поперечные актюаторы (сжатия) Поперечные актюаторы (d31 -мода) иначе называют ламинарными актюаторами сжатия. Активный материал этих актюаторов представляет собой полоски (слои) пьезокерамики. Ход в таких актюаторах происходит в направлении, перпендикулярном направлению поляризации и приложенному электрическому полю. С увеличением управляющего напряжения увеличивается величина сжатия пьезокерамики. Коэффициент деформации d31 (величина отрицательная) описывает относительное изменение длины. Его абсолютное значение равно 50% от величины пьезомодуля d33.

Рис. 49 Конструкция ламинарного актюатора сжатия.

Максимальный ход таких актюаторов является функцией длины слоя пьезокерамики. Ход ламинарного актюатора может быть определен по следующей формуле:

L d31 · L · U/ d (8.1) Где:

L – ход актюатора [м].

d31 – коэффициент деформации (перемещение перпендикулярно направлению поляризации) [м/В] L – длина пьезокерамики в направлении приложенного электрического поля [м].

U – рабочее напряжение [В] d – толщина пьезокерамического слоя [м] Актюаторы сжатия применяются в оптонике, нанопозиционировании, для биомедицинских целей, электрофизиологии.

8.6 Цилиндрическая (трубчатая) конструкция Монолитный пьезокерамический полый цилиндр (трубка), является еще одним видом пьезоактюатора. Стенки цилиндра снаружи и изнутри покрываются электродами, и он работает на основе поперечного (трансверсального) пьезоэффекта.

Рис.50 Цилиндрический пьезоактюатор Электрическое напряжение, приложенное между внешним и внутренним электродами, вызывает осевое и радиальное сжатие пьезокерамики. Осевое сжатие можно рассчитать по следующей формуле:

L d31 · L · U/d (8.2) Где:

L – ход актюатора [м].

d31 – коэффициент деформации (перемещение перпендикулярно направлению поляризации) [м/В] L – длина пьезокерамического цилиндра [м].

U – рабочее напряжение [В] d – толщина стенки цилиндра [м] Радиальная деформация является результатом наложения увеличения толщины стенки (формула 8.3) и тангенциальной (направленной по касательной к кривой) деформации (формула 8.4).

d d33 · U (8.3) Где:

d – толщина стенки цилиндра [м] d33 – пьезомодуль (поле и перемещение в направлении поляризации) [м/В] U – рабочее напряжение [В] r/r d31· U/d (8.4) Где:

r – радиус актюатора (какой, внутренний или внешний) [м].

d31 – коэффициент деформации (перемещение перпендикулярно направлению поляризации) [м/В] U – рабочее напряжение [В] d – толщина стенки цилиндра [м] Если внешние электроды цилиндрического пьезоактюатора разделить на четыре 90 сегмента, и приложить дифференциальное управляющее напряжение ± U к противоположным электродам, как показано на рис.37, то это приведет к вращению торца цилиндра.

Такой пьезоактюатор, способный сканировать в плоскостях X и Y, находит широкое применение для изготовления микроскопов со сканирующими образцами и туннельных сканирующих микроскопах.

Рис.51 Принцип работы сканирующего цилиндрического пьезоактюатора Диапазон сканирования можно определить по следующей формуле:

(8.5) Где:

x – диапазон сканировании актюатора по X и Y (для симметричного расположения электродов) [м].

d31 – коэффициент деформации (перемещение перпендикулярно направлению поляризации) [м/В] U – дифференциальное рабочее напряжение [В] L - длина цилиндра [м] ID – внутренний диаметр цилиндра [м] d – толщина стенки цилиндра [м] Внутренние и внешние электроды пьезоцилиндров изготавливаются, как правило, из вжигаемого серебра. Для многоэлектродных наружных поверхностей цилиндров могут использоваться также пленочные медно-никелевые или золотые электроды. Внутренний электрод в стандартных пьезоцилиндрах после поляризации имеет положительный потенциал.

В основном они применяются для микродозирования, в нанолитровых насосах, сканирующих микроскопах, устройствах струйной печати. Цилиндрические пьезоактюаторы не способны выдерживать большие нагрузки или генерировать значительную силу.

Но их высокая резонансная частота позволяет применять их успешно для динамических операций с малыми нагрузками.

Для специальных целей (модуляции луча в оптоэлектронике, сверхоперативные запоминающие устройства и наноманипуляторы) изготавливаются сверхвысоколинейные сканирующие цилиндры.

Такие устройства имеют очень жесткие допуски. Например: допуск 0,025мм при диаметре 0,80м и толщине стенки 0,30мм 8.7 Изгибные элементы в качестве пьезоактюаторов Пьезокерамические изгибные элементы также могут использоваться в качестве актюаторов. Они, как правило, имеют небольшую толщину, относительно большую длину (по сравнению с толщиной) и значительную гибкость.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.