Piezoelektrické akčné členy

Priamy piezoelektrický jav je ten, pri ktorom deformácia vyvolaná me­chanickou silou je príčinou elektrickej polarizácie kryštálu, úmernej me­chanickej sile.

Nepriamy (inverzný) piezoelektrický jav je ten, pri ktorom polarizácia kryštálu vyvolaná elektrickým napätím zapríčiňuje prostredníctvom me­chanickej deformácie zmenu vonkajších rozmerov kryštálového výbru­su (obr. 1).

V podstate ide o konverziu elektrickej energie na mechanickú alebo naopak, a teda pre použitie týchto materiálov ako akčných členov je potrebné aplikovať na ich elektródy elektrické napätie definovanej veľkosti a modulácie. Podľa polarity aplikovaného elektrického napä­tia nastáva u akčného prvku expanzia alebo kontrakcia v smere pola­rizačnej osi [2, 3, 4, 5].

VLASTNOSTI PIEZOELEKTRICKÝ AKČNÝCH ČLENOV

V súčasnosti sa používajú piezoelektrické keramické materiály na báze pevných roztokov PbTiO3, PbZrO₃ atď., a pre tieto materiály bežne po­užíva názov PZT (Lead-Zirconate-Titanate) keramika. Tieto akčné členy majú veľmi nízku reakčnú dobu (rádovo μs), čo umožňuje konštrukciu akčných členov pracujúcich pri vysokých frekvenciách. Dosahujú veľkú silu (až stovky N) a excelentnú charakteristiku odozvy, preto sú vhodné pre akčné členy a pri konštrukcii miniatúrnych polohovacích zariadení.

Piezoelektrický akčný člen sa musí prevádzkovať pri teplote nižšej ako Curieho teplota, pri ktorej sa objavuje fázová premena kryštálovej štruk­túry a materiál stráca pri tejto teplote piezoelektrické vlastnosti. Nevý­hodou piezokeramiky je malé posunutie a pomerne veľká hysteréza, kto­rú je nutné kompenzovať vhodným riadením. Piezoelektrické materiály majú široké aplikačné využitie, najmä ako senzory tlaku, ako aj osciláto­ry, detektory zvuku, generátory ultrazvukového žiarenia, polohovacie za­riadenia atď. [1, 2, 3].

TYPY PIEZOELEKTRICKÝCH AKČNÝCH ČLENOV

Na aktiváciu kryštálu piezo materiálu akčného člena je potrebné veľké elektrické pole pomocou veľkého elektrického napätia (1 000 V) avšak dosiahne sa tým len malá zmena jeho rozmerov (menej než μm). Z hľa­diska dosiahnutia maximálneho zdvihu piezoelektrického akčného čle­na sú dostupné:

1. Priame piezoelektrické akčné členy (direct piezoactuator) (obr. 2), kde vlastná deformácia akčného člena dosahuje maximálne 100 µm [2, 3, 6].

2. Piezoelektrické akčné členy so zväčšovacím mechanizmom (ampli-fied piezoactuator) (obr. 3), kde výsledný zdvih akčného člena je dosiahnu­tý pomocou zväčšovacieho mechanizmu spojeného s piezoelektrickým akčným členom, pričom je možné dosiahnuť oveľa väčší zdvih (rádovo v mm) [7].

Zväčšovací pomer výstupného zdvihu a zdvihu vlastného piezo materiá­lu je napríklad 20 až 50. Na tento účel sa využívajú rôzne pákové mecha­nizmy a rámy na báze poddajných pružinových kĺbov. Tieto typy akčných členov boli vyvíjané práve pre aplikáciu v raketoplánoch a boli testované v kryogenických teplotách [7].

Pomerne veľkou skupinou piezoelektrických akčných členov sú piezo­motory [6, 8]. Tieto typy akčných členov sú navrhnuté tak, aby bol od­stránený problém s malou deformačnou aktivitou piezo materiálov.

Lineárny piezo motor (obr. 4) SQUIGGLE motors [8] má miniatúrne roz­mery 1.8 x 1.8 x 6 mm. Rýchlosť pohybu je od 1 µm/s do 10 mm/s, pričom presnosť polohovania je rádovo v nanometroch. Maximálna sila na výstu­pe tohto akčného člena je do 5N.

Squiggle piezomotor je tichý a nemagnetický, pričom je schopný pracovať vo vákuu a aj pri kryogenických teplotách.

SQUIGGLE motor vibruje v režime tzv. „hula hoop“, a tak vzniká posuv­ný pohyb pohybovej skrutky. Tieto vibrácie sú vyvolané pomocou defor­mácie piezoelementov (obr. 5) spôsobujú priehyb pohybovej matice a jej pohyb po závitovej tyči. Závitová tyč tak rotuje a posúva sa veľkou axiál­nou silou [8].

Squiggle motor je integrovaný spolu s polohovým snímačom a mikropro­cesorom na účely presného polohovania do modulu s názvom M3 Micro­-Mechatronic Module Design Platform (obr. 6). Tento modul obsahuje okrem Squiggle piezomotora ešte aj polohový snímač a mikroprocesor, s ktorým je možné komunikovať pomocou rozhraní I2C, SPI a USART. Modul M3 je aplikovaný aj na zaostrovanie minikamery (obr. 7) [8].

Význam piezoelektrických akčných členov je najvýraznejší v miniatúr­nych systémoch, kde je jeho účinnosť oveľa lepšia než u konvenčných elektromagnetických pohonoch. Miniatúrne rozmery týchto akčných členov ich predurčujú na aplikácie v miniatúrnych sústavách, a preto sa očakáva ich masívne používanie v najrôznejších aplikáciách.

Tento článok bol vytvorený v rámci realizácie projektu „Centrum výskumu riadenia technických environmentálnych a humánnych rizík pre trvalý roz­voj produkcie a výrobkov v strojárstve“ (IMTS:26220120060), na zákla­de podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európ­skeho fondu regionálneho rozvoja. Príspevok bol spracovaný aj s prispením grantovej agentúry VEGA 1/1205/12 „Numerické modelovanie mechatronic­kých sústav“, VEGA 1/0085/12 „Nové stratégie efektívneho merania na sú­radnicových meracích strojoch s niekoľkými snímacími systémami“ KEGA č. 005STU-4/2012 2012 Virtuálne laboratórium 3D merania geometrických veličín a APVV-0091-11 Využitie metód experimentálneho a numerického modelovania pre zvyšovanie konkurencieschopnosti a inovácie mechanických a mechatronických sústav.

LITERATÚRA

[1] DOVICA, M.: Komponenty a moduly mini– a mikromechanizmov. Typopress Košice, TU v Košiciach, SjF, 2002. 151 s. ISBN 80-7099-878-4

[2] MAŤAŠOVSKÁ, T.: Piezoelektrické akčné členy a mikrostroje. Učebné texty. 1. vyd., Košice: TU-SjF, 2004. 61 s.

[3] KELEMEN, M.: Komponenty a moduly mechatronických systémov. 1. vyd., Košice: TU, 2004. 119 s. ISBN 80-8073-212-4.

[4] OSTERTAGOVÁ, E.: Modelling using polynomial regression. In: Pro-cedia Engineering. Vol. 48 (2012), p. 500-506. ISSN 1877-7058

[5] OSTERTAGOVÁ, E.: Aplikácia MATLAB-u pri riešení niektorých úloh korelačnej a regresnej analýzy. In: Transfer inovácií. č. 13 (2009), s. 200-202. ISSN 1337-7094

[6] UCHINO, K., GINIEWICZ, J. R.: Micromechatronics. Marcel Dekker, Inc. 2003. New York, Basel. ISBN 0-8247-4109-9,

[7] CEDRAT TECHNOLOGIES. Am-plified piezoelectric actuator [online]. [cit. 2013-03-02]. Dostupné na inter-nete: .

[8] New Scale Technologies, Inc.. SQUIGGLE micro motor technology [online]. [cit. 2013-03-02]. Dostupné na internete: .

TEXT/FOTO ING. TATIANA KELEMENOVÁ, PHD., PROF. ING. MIROSLAV DOVICA, PHD., DOC. ING. MICHAL KELEMEN, PHD., STROJNÍCKA FAKULTA, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, KATEDRA BIOMEDICÍNSKEHO INŽINIERSTVA A MERANIA, KATEDRA APLIKOVANEJ MECHANIKY A MECHATRONIKY