Bardin a

Működtető MIROPEREMESCHENY NANO és a Systems Management, felügyeleti és biztonsági

Bardin Vitali A. 1. Vasiliev Valerij A. 2
1 Penza State University, egy végzős hallgató a tanszék „eszköz”
2 Penza State University, műszaki tudományok doktora, egyetemi tanár, tanszékvezető „eszköz”

Nano- és mikro elmozdulásokat működtető a DRIVE, ellenőrzés és biztonság SYSTEMS

Bardin Vitalij Anatolievich 1. Vasziljev Valery Anatolievich 2
1 Penza State University, Graduate hallgató a tanszék «Eszköz mérnöki»
2 Penza State University, a műszaki tudományok doktora, egyetemi tanár, osztály vezetője «Eszköz mérnöki»

absztrakt
Cikkünk a kutatás és létrehozása aktuátorok nano- és mikro elmozdulásokat. Ez egy áttekintés és általános jellegűek. Az analízis képet ad a jelenlegi állapotában a fejlesztések terén a működtető vezetni, ellenőrző és biztonsági rendszerek.

A fejlesztés az ellenőrzési rendszerek, vezérlő- és biztonsági használatáért létre nano- és mikrogyártást, nanotechnológia és Microsystem technológia növeli annak szükségességét, eszközök pontos elhelyezését mutatja az ilyen rendszerek. Ebben a tekintetben a ktualnymi a kutatási kérdések és hozzon létre működtetők nano- és mikro-elmozdulások, amely nano- és pikometrovoe állásfoglalást [1 -6].

Vezető külföldi gyártók piezo meghajtó nano- és mikro-elmozdulások Fizika Instrumente (PI. Németország), New Scale Technologies (NST. USA), Cedrat Technologies (Franciaország), a Morgan Technical Ceramics (MTC ElectroCeramics. Nagy Británia) Noliac Group (Dánia) Piezo kinetikája. Inc. (USA), Piezo Systems Inc. (USA), Piezomechanik GmbH (Németország), Piezosystemjena (Németország), Omega Piezo Technologies Inc. (USA), TRS Technologies, Inc. (USA), CeramTec (Németország), Johnson Matthey katalizátorok (Németország), Kinetic kerámia, Inc. (USA), AEI (USA), FERROPERM piezokerámia A / S (Dánia), APC International, Ltd. (USA), a NEC TOKIN Corporation (Japán), EPCOS · A képviselő TDK-EPC Corporation (Japán), Oroszország - JSC "SRI" Elpa „(orosz). [1]

Az elemzés a meglévő és a jövőbeni fejlesztések a gyártók azt mutatja, hogy az ígéretes területek létrehozására nano- és motorok micromovings - használatán alapul a piezoelektromos és piezomagnetikus hatások [7, 8]. Az első hatás a változás lineáris méretei az egyes anyagok az elektromos és a második - a külső mágneses mező. Mindkét reverzibilis piezoelektromos hatás. A szenzorok mechanikus mennyiségekhez közvetlenül piezoelektromos hatás [9- 12]. A piezomotor használata reverz piezoelektromos hatás, ahol alkalmazásának hatására elektromos vagy mágneses mezők változhat a lineáris méretei az anyag. Motorok alapulnak piezoelektromos hatás előnyösebbek, mert nem érzékeny a mágneses mezők és szélesebb alkalmazási területét.

Piezoelektromos hatás figyelhető meg a kristályok nem központjában szimmetria [13]. Egy tipikus piezoelektromos kvarc - egy - SiO 2 (a -kvarts), piezoelektromos tulajdonságok jelennek meg több, mint 1500-vegyületek. Rendelkezik piezoelektromos tulajdonságokkal kerámia: BaTiO 3, PbTiO 3, Pb [Zrx Ti 1-x] O 3, 0≤ x ≤1 (PZT vagy PZT), KNbO 3. LiNbO 3. Litao 3. Na 2 WO 3, ZnO. Ba 2 NANB 5 O 5, Pb 2 KNB 5O 15. függően a piezoelektromos anyag piezomotor (beavatkozószervek) lehet pezokristallicheskimi (alapuló egykristályok) piezokerámia és (alapuló polikristályos piezokerámia). A gyakorlatban piezokerámia aktuátorok szélesebb körben alkalmazható [január 04-16].

Selection for piezomaterials piezomotor végezzük elsősorban a következő paraméterek: a piezoelektromos modulusa az irányba dolgozó törzs, Young-modulusa, együtthatója elektromechanikus csatolás és egy mechanikus minőségi tényező. Ezek határozzák meg a mozgástartomány, és a rugalmas rezonancia tulajdonságait, a hatékonyságot a konvertáló elektromos energiát mechanikai energiává, a foka csillapítás a rezgési folyamatok.

Piezoengine szerkezetileg áll egy burkolóanyag egy vagy több piezoelektromos (piezo működtető) és a különböző elemeket, amelyek segítik a munkát. Hajtás (hajtómű) - általános megnevezése eszközök átalakítani a bemenő energiát mechanikai energiává. A piezo (piezo működtető) - átalakítja az elektromos energiát mechanikai energiává (feszültség és töltés erő és mozgás).

Tervezésekor piezomotor fontolóra piezokerámia hátrányai: nemlinearitás, kúszás (creep - kúszás) - lag válasz a változást a kontroll területen, a hiszterézis - kétértelműség függően a megnyújtás irányában az elektromos mező (legfeljebb 5 - 25% attól függően, hogy az anyag). Ahhoz, hogy csökkentsük a hatását hiszterézis pozicionálásának pontosságát piezomotor kiválasztott piezomaterials kevesebb hiszterézis, és a használt szabályozó rendszer pozíció érzékelők és zárt hurok [17]. Minden esetben figyelembe kell venni az elektromechanikus energiaátalakítási Sobienie piezomotor micromovings nano- és [18].

A működési elve a piezo meghajtás lehet osztani a következő típusú: ütősök (vibropezoprivody), deformáció lépés (lépés) és erőhatást (teljesítmény) motorok [1]. Az első esetben, a mozgatható rész hatása alatt a sokkok továbbítani a piezoelektromos elem és a természetes frekvencia (rezonanciafrekvencia). A második - a mozgatható rész mozog egymás bizonyos lépést változása miatt a feszültség-nyúlás állam az elemek hatására piezoelektromos elemek. Egy harmadik - az erő hatás közvetlenül (vagy egy átviteli karral) továbbítjuk az objektumot a piezoelektromos elem, a megvalósított szögletes vagy lineáris elmozdulás korlátozott tartományban. Attól függően, hogy az alkalmazott területeken piezoelektromos szerkezetek, rendeltetési hely, stb elterjedt következő piezo működtető: csipet hajlító piezokerámia bimorf és multimorfy (divat D31), monoblokk ipaketnye (axiális - divat D33 kereszt - divat D31.), differenciál, hajlítás, feszültség, nyírás, réteges csík beépített karral mozgást erősítő vezetési pezofleksernye, cső [4].

Ábra. Az 1. ábra egy egyrétegű piezo lemezek (D33) piezomaterial. Amikor egy külső elektromos mező és polarizációja azonos irányú, mint a polarizációs iránya a lemez, van egy expanziós vagy piezo vastagsága mentén polarizációs iránnyal. Egyrétegű piezo lemezek (D31) a keresztirányú kontrakció ábrán látható. 2. Itt, a kompressziós előfordul a merőleges irányokban a polarizáció irányát. Ha megváltoztatja a polaritás a mozgás irányát megfordítjuk.

Dupla piezo meghajtó lehet működő nyújtás mellett (3.). Között a piezoelektromos lemezek telepített tömítést egy laminátum, amely mechanikai szilárdság és merevség, de csökkenti mozgást. A kétrétegű meghajtók nevezik szerint piezokerámia-lemezek számának (rétegek). Tény, anyagrétegből szokásosabban kilenc, négy elektróda rétegek, a két piezokerámia réteget, két ragasztóréteget terítünk, laminált. Amikor beállítva párhuzamos működés tömítés, hogy egy kétrétegű, amely lehetővé teszi, hogy csökkentsék a feszültség fele. A kétrétegű aktuátorok általánosan használt mozgást az egyik tengely mentén. Egy tipikus elmozdulás nagyságát ilyen hajtások (3. ábra) a tíz nanométer több tíz mikrométer, és az erők - a tíz több száz newton. Szintén kétrétegű aktuátorok működhet hajlítási (ábra. 4, 5) vagy csavaró (ábra. 6.). Egy többrétegű működtető ábrán látható. 7.

A differenciál tervez piezo működtető piezoelements másrészről dolgozó tömörítés, és a másik - bővíteni, a piezo elemek mechanikusan csatlakoztatva vannak úgy, hogy mozognak a hajtás nagyságú (8. ábra). Az ilyen szerkezetek lehetnek kialakítva az egyes piezoelektromos elemek és a piezoelektromos elemek egy csomag, valamint a bimorf piezoelektromos elemek. A differenciál és a zárványvegyület a piezoelektromos elemek minimalizálása hőmérséklet hiba miatt előfordul, hogy hőtágulása elemek piezomotor tervezés és növelik kétszer az elmozdulás tartományban anélkül, hogy jelentősen növeli az általános méretei és további energiaköltségek.

A hajlítási feszültséget piezo működtető egyesíti a legjobb tulajdonságait kétrétegű többrétegű aktuátorok és aktuátorok. Az ilyen eszközök átalakítani kis vastagságú nyírási többrétegű piezokerámia elem a hajlítási deformáció a két fémlemez burkolóelem. A mechanikai szilárdságot, például transzformációs hajlítási feszítő aktuátorok mutatnak több növekedést nyírási képest többrétegű meghajtások és eléréséhez sokkal nagyobb erő és a teljesítmény a reakciósebesség, míg az egyenértékű hajlítási kétrétegű aktuátorok. Általában ezek az eszközök a rezonancia frekvencia 300 Hz és 3 kHz. Attól függően, hogy az alakja az építési (lásd. Ábra. 9, 10) hajlítási-feszültséget aktuátorok nevezik ellipszoid és Cymbal.

Shear piezo működtető lehet generálni egy nagy reteszelő erő egy jelentős elmozdulás (ábra. 11). Alkalmazunk a piezoelektromos lineáris motorok, valamint egy tengely és a kettős tengely pozícionáló. Réteges csík piezo működtető - kompressziós aktuátorok. Az aktív anyagot a működtető egy piezokerámia csík. Az elmozdulás történik az ilyen működtető merőleges irányban, hogy a polarizációs irány és az alkalmazott elektromos mező (12.).

Tubular piezo működtető azon az elven működik a jelenség a kontrakció a belső keresztmetszete üreges henger piezokerámialemez. Henger fal borított belül és kívül elektródák, és ez alapján működik a keresztirányú piezoelektromos hatás. Között alkalmazott feszültség a belső és külső elektródák, okoz axiális és radiális kompressziós piezoelektromos kerámia.

Irányítható aktuátorok pezofleksernye - komplex pozícionáló eszköz alapján piezo-mozgató abba integrált Flexer. Flexer - olyan eszköz nélkül lényegesen korlátozva van, és a súrlódás, az elv az, amelynek alapja a rugalmas deformáció (hajtogatásához) szilárd anyag, például acél. Ezeket használják azokban az esetekben, amikor szeretne kapni csak közvetlen mozgás mellett egy vagy több tengely (hat tengely) nanométeres eltérés az ideális pályára. Az ilyen eszközök gyakran használják karral mozgást erősítővel, így növelve a maximális löket a piezo működtető közel 20-szor, miáltal ez lehet néhány száz mikron.

Különösen érdekesek azok a léptető piezomotor, amelyeket manipulálni tárgyakat a lépésenkénti mozgás. Ezek széles körben használják a atomerő mikroszkópia és alagútfúró, mivel lehetővé teszik akár nanométeres elhelyezése az objektumot vizsgált. A megkülönböztető jellemzője léptető piezomotor minták jelenléte piezoelektromos elemek, kivéve dolgozik reteszelések, mint amely lehet túl piezoelements [19]. Ilyen piezomotor tartalmazhat egyetlen, a csomag bimorf piezoelektromos működtetőt. A záróeszköz van rögzítve egy mozgatható része a motort a működési ciklus lépést mozgását. Ezek lehetővé teszik, hogy (együttműködve a munkások piezo működtető), és távolítsa el a feszültség-alakváltozás állapotban deformált mobil elemek piezoengine design. Amikor eltávolítja a stressz-deformált állapotában a rögzítőszerkezet mozgatható tag piezomotor hosszúkás tárgy és mozog egy lépéssel. Két vagy három koordináta mozgását össze két vagy három piezo (piezo működtető). Minimális piezo helyettesítéses lépés tulajdonságaitól függ, és méretei a piezoelektromos elemek, az összeg a vezérlő feszültség. Ride piezo csökkenésével növekszik pályát és növeli a ismétlődési frekvenciája vezérlő impulzusok.

Legutóbb aktívan fejlődő rezonáns ultrahang piezoengine, melyek a modern alternatívája egyenáramú motorok, ők is ismertek, mint vibráló motorok. Az előnyök ilyen motorok nagy nanométer felbontású, sebesség és teljesítmény, aránytalan méretüket.

Ábra. 13. ábra az építőiparban a rezgőkör és a piezo Squiggle cég NST [20-23]. A főbb elemek piezo: négyoldalú fém kapcsoló (nemmágneses anyagból) c belső menetes hajtóorsó (féreg) és négy a lemez a piezoelektromos kerámia. piezokerámia lapok vannak erősítve az arcok a fém hüvely, egy féreg becsavart a fém hüvely. Alkalmazása során két fázis feszültségek a szemközti párok piezokerámia lapok, amelyek a mechanikai rezgések, amelyek továbbítják a fém hüvely. Ha van egy fáziseltolódás közötti az alkalmazott villamos feszültségek a határ szomszédos az összekapcsoló felületek és a csavar erők ébrednek kompressziós forgatjuk. Ennek eredményeként, a féreg forog és lineárisan képest elmozdulnak a hüvely. Változtatásával a fáziseltolódás megváltoztathatja az irányt a mozgás csavar (féreg). Ezek piezo működnek rezonanciamódus frekvenciák 30-200 kHz méretüktől függően. Minimális mérete piezo 1,55 x 1,55 x 6 mm-es, a működési hőmérséklet-tartománya mínusz 30 és 70 Celsius-fok, az energiafogyasztás

Oroszországban fokozatosan elkezdik fejleszteni a hosszú távú termelési MEMS, NEMS és nanoszerkezetű anyagok. Azonban ez a folyamat megy elég nehéz, beleértve hiánya miatt a hazai vizsgálat, eljárás és szerelő berendezések nanométeres felbontással.

Ábra. 14. ábra: A design a hazai dorezonansnogo piezoengine létre FSUE FSPC „” Start „őket. MV Protsenko „[3]. Ez a motor egy H alakú csoport piezoelektromos elemek (PE) - két fék PE hegyű kopásálló kerámiák és egy futómű. Fék PE ellenőrzött kvaziprjamougolnyh jelek és vezetés - fogazott. Ennek köszönhetően lehetőség van arra, hogy hajtsák végre az elvet aprító lépésben, és megáll minden olyan intézkedés piezoengine feszültség, amely egy futó láncfűrész.

A terhelhetőség az piezomotor több szintből áll. Az első fék működtetjük, és megszorítja a az egyik végét a meghajtó eszköz. On-mozgató működtető feszültség van, és működik - meghosszabbítani. A második fékező hajtómű, miután a maximális propeller bilincsek azt. Az első fék működtető elejt, és kinyitja mozgató. MOVER amelyből feszültségmentes, tömörített a mozgás irányát, stb

Ha a leírt rendszer piezoengine használata révén számos új tervezési megoldásokat képes minimalizálni a méret piezoengine. A 15. ábra mutatja a modell minta piezoengine.

Előnyök piezomotor: magas hatásfok (akár 90% vagy több), egy nagy erő (nem igényel szűkítő), kis méretei és súlya (képest elektromágneses motorok), munkavégzés lehetőségének kriogén hőmérsékleten és vákuum körülmények, a képesség, hogy egy kis szöget (egység szög másodperc) és lineáris elmozdulások (<1 нм) и др. [1, 3, 24].

Az alkalmazás nagy pontosságú piezo hajtás gyorsan bővülő: nano- és mikromanipulátoros, mikro-robotok, nano- és mikroszkópia, nano- és mikrotechnológiába (mikrolitográfiás), a biotechnológia, a csillagászat, űrkutatás, a mérésügy, vizsgálati eszközök a félvezető ipar, vizsgálatok lemezes tárolóeszközök, lézeres berendezések gerenda (meghajtók lézer rezonátor is), az üzemanyag-elosztó rendszerek a benzin és dízel motorok, vibrációs kompenzátorok stb [1-6].