Aktuator piezoelektryczny

Aktuator piezoelektryczny (ang. Piezo motor) to komponent wykonawczy, który korzysta z wielu elementów piezoelektrycznych do generowania ruchu. Działa na zasadzie zmiany kształtu materiału piezoelektrycznego pod wpływem pola elektrycznego. Jego działanie przypomina silnik krokowy, z tą różnicą, że zamiast uzwojeń wykorzystuje drgania materiału piezoelektrycznego.

Historia

Od momentu odkrycia zjawiska piezoelektrycznego podejmowano próby wykorzystania go do generowania ruchu obrotowego. Jednym z pierwszych silników tego typu był wynalazek Alexandra Meissera, opatentowany w 1927 roku. Jego konstrukcja składała się z podstawy z piezoelektryka, do której przymocowane były dwa asymetryczne ramiona oraz wał. Drgania piezoelektryka powodowały obrót wału. Kolejny silnik, wykorzystujący zjawisko piezoelektryczne, został opatentowany w 1942 roku przez Alfreda L.W. Williamsa oraz Waltera J. Browna. W tym przypadku ruch spiralny generowany przez piezoelektryki był przekształcany w ruch obrotowy za pomocą koła zębatego.

W latach 60. XX wieku miały miejsce dalsze postępy w dziedzinie silników piezoelektrycznych. W 1964 roku zaprezentowano silnik stworzony przez Ławrinienkę w ZSRR, który składał się z płaskiego materiału piezoelektrycznego, o który opierał się rotor i poruszał w jednym kierunku. W tym samym roku w USA przedstawiono konstrukcję Stephena W. Tehona, opartą na cylindrycznym piezoelektryku połączonym z wałem. Na bazie wcześniejszych konstrukcji zaproponowano kilka nowych rozwiązań przez Władimira Wiśniewskiego.

Dalsze badania umożliwiły stworzenie współczesnych aktuatorów piezoelektrycznych, które, w przeciwieństwie do wcześniejszych modeli, miały zdolność poruszania się w obu kierunkach.

Rodzaje aktuatorów piezoelektrycznych

Ogólna zasada działania

Funkcjonowanie aktuatora piezoelektrycznego opiera się na odwrotnym efekcie piezoelektrycznym. Piezoelektryk jest zasilany zmiennym polem elektrycznym o bardzo wysokiej częstotliwości. W wyniku działania tego pola, w zależności od jego polaryzacji, materiał ten zmienia swoją grubość, długość lub szerokość. Ruchy te mają amplitudę rzędu μm, a ich intensywność zależy od stałej piezoelektrycznej aktuatora w danym kierunku. Zasada ta jest podobna do funkcjonowania silnika krokowego, gdzie sygnał powoduje ruch na określoną odległość, a dzięki wysokiej częstotliwości sygnałów ruch wydaje się płynny i szybki. Aby zwiększyć oscylacje, wykorzystuje się wiele warstw piezoelektryka oraz rezonujące materiały ceramiczne. Istnieją trzy główne typy silników piezoelektrycznych.

Podstawowy wzór na zmianę kształtu piezoelektryka:

{\displaystyle \vartriangle l=ld{\frac {U}{b}}}

Δl – zmiana długości (szerokości, grubości) piezoelektryka [m]

l – długość (szerokość, grubość) bazowa piezoelektryka [m]

d – stała piezoelektryczna dla zamiany kształtu elementu w danym kierunku [m/V]

U – przyłożone do piezoelektryka napięcie [V]

Aktuator typu „slip-stick”

Jest to najprostszy model aktuatora tego typu. Składa się z stosu piezoelektryków, do których przymocowany jest element styczny oraz ruchomy element zwany sliderem. Ruch tego aktuatora składa się z dwóch faz:

Faza „stick”: Stos piezoelektryków powoli się rozszerza w prostoliniowy sposób z powodu stopniowo narastającego napięcia. Dzięki tarciu, razem z punktem styku na końcu piezoelektryka przemieszcza się slider.
Faza „slip”: Szybki spadek napięcia powoduje gwałtowne skurczenie się stosu piezoelektryków. Z powodu inercji slider nie porusza się razem z cofającym się punktem stycznym.

Konstrukcje te generują nieprzyjemny hałas podczas fazy „slip”, ponieważ punkt styczny nadal styka się z sliderem podczas kurczenia się piezoelektryka. Inne wady to generowanie wibracji i zużycie punktów kontaktowych, co ogranicza ich żywotność oraz trudności w ustaleniu finalnej pozycji z precyzją do μm z powodu błędu przesunięcia.

Aktuator inercyjny

Aktuator inercyjny to rozwinięcie aktualnego typu „slip-stick”. Również składa się z stosu piezoelektryków oraz slidera, jednak punkt styczny został rozwinięty do ramienia stycznego, a piezoelektryk nie porusza się po linii prostej, lecz odgina się od płaszczyzny slidera.

Faza „stick”: Stos piezoelektryków powoli się rozszerza, a ramię styczne ma kontakt ze sliderem, przez co poruszają się razem.
Faza kurczenia się piezoelektryka: Podobnie jak w przypadku aktuatora „slip-stick”, następuje szybki spadek napięcia. W tej fazie ramię nie ma kontaktu ze sliderem i wraca do poprzedniej pozycji.

Wprowadzenie takiego rozwiązania pozwala wyeliminować problem hałasu oraz zużycia punktu stycznego w fazie kurczenia się piezoelektryka.

Aktuator piezoelektryczny krokowy

Typowy aktuator tego rodzaju składa się z co najmniej trzech piezoelektryków. Minimum dwa z nich (A i B) mają punkty kontaktowe z sliderem, natomiast trzeci (C) generuje ruch slidera i jest połączony z piezoelektrykiem B. Ruch tego aktuatora zachodzi w czterech fazach:

Piezoelektryk A kurczy się, co powoduje brak kontaktu ze sliderem. Piezoelektryk B rozszerza się i ma kontakt z sliderem, podczas gdy piezoelektryk C nie jest zasilany.
Gdy piezoelektryk B styka się ze sliderem, zaczyna się rozszerzać piezoelektryk C. Dzięki tarciu między sliderem a punktem stycznym piezoelektryka B, obydwa elementy poruszają się razem.
Piezoelektryk A rozszerza się i blokuje slider przed dalszym poruszaniem się. Piezoelektryk B kurczy się, co powoduje brak kontaktu ze sliderem.
Piezoelektryk C kurczy się, przez co także piezoelektryk B cofa się. Slider jest zablokowany przez piezoelektryk A.

Tego typu aktuatory, ze względu na złożone fazy ruchu, są wolniejsze od modeli „slip-stick” czy inercyjnych.

Aktuator kroczący piezoelektryczny

(ang. Walking piezo motor)

Aktuator ten jest wariantem aktuatora piezoelektrycznego krokowego. Składa się z co najmniej dwóch par połączonych piezoelektryków, które mają dwa stopnie swobody: pionowy i poziomy. Istnieją dwa główne sposoby realizacji tego aktuatora.

W pierwszym z nich, jeden z piezoelektryków pary jest przymocowany do konstrukcji nośnej z jednej strony, a z drugiej do drugiego piezoelektryka, który porusza się w pionie. Drugi piezoelektryk ma kontakt ze sliderem i przesuwa go w poziomie.
Ruch aktuatora składa się również z czterech faz:

Pionowy piezoelektryk w pierwszej parze rozszerza się, podczas gdy jego odpowiednik w drugiej parze kurczy się.
Poziomy piezoelektryk z pierwszej pary, mając kontakt ze sliderem, porusza się, podczas gdy jego odpowiednik wykonuje identyczny ruch w przeciwnym kierunku, nie dotykając slidera.
Pionowy piezoelektryk w drugiej parze rozszerza się, gdy jego odpowiednik w pierwszej parze kurczy się.
Poziomy piezoelektryk z drugiej pary, mając kontakt ze sliderem, porusza się, podczas gdy jego odpowiednik w pierwszej parze wykonuje identyczny ruch w przeciwnym kierunku, nie dotykając slidera.

Zaletą tego typu aktuatorów jest znacznie większa siła, jaką mogą przyłożyć w porównaniu do aktuatorów krokowych.

Aktuator „bimorph”

(ang. bending piezo motor, bimorph piezo motor)

Ten aktuator składa się z dwóch równolegle połączonych piezoelektryków. Dzięki temu piezoelektryki mogą się kontrolowanie wyginać, a nie tylko prostoliniowo rozszerzać. Ruch tego aktuatora zachodzi w trzech fazach:

Pierwszy piezoelektryk rozszerza się, podczas gdy drugi, nie zasilany, powoduje odgięcie całej konstrukcji.
Pierwszy piezoelektryk powoli się kurczy. Kiedy oba piezoelektryki osiągną podobną długość, zaczyna rozszerzać się drugi piezoelektryk, a pierwszy przestaje być zasilany.
Po maksymalnym rozszerzeniu drugiego piezoelektryka, zaczyna się on kurczyć, wracając do pierwotnego stanu.

Ten typ aktuatorów jest również wykorzystywany jako część kroczących aktuatorów piezoelektrycznych.

Aktuator piezoelektryczny ultrasoniczny

W tym rodzaju aktuatorów piezoelektrycznych ruch jest generowany przez eliptyczne oscylacje punktu kontaktowego, które są efektem działania piezoelektryka. Wyróżniamy dwa rodzaje aktuatorów ultrasonicznych:

Z falą biegnącą: Piezoelektryk faluje, co powoduje, że punkty kontaktowe piezoelektryka poruszają się w parze ze sliderem. Drgania są wzmacniane przez odpowiednio dobrany materiał ceramiczny, a piezoelektryk umieszczany jest pod dłuższym odcinkiem slidera, aby zwiększyć liczbę punktów kontaktowych. Tego rodzaju aktuatory są często wykorzystywane do generowania ruchu obrotowego, gdzie piezoelektryk znajduje się pod całym sliderem, pełniąc rolę wirnika.
Z falą stojącą: Punkty stykowe nie zmieniają swojego położenia. Piezoelektryk wykonuje eliptyczne ruchy, przesuwając slider. W tym przypadku do działania wystarczy jeden punkt stykowy ze sliderem. Piezoelektryk wygina się podobnie jak w przypadku aktuatora „wyginającego się”.

Aktuatory ultrasoniczne oscylują z bardzo dużymi częstotliwościami (stąd ich nazwa) i dzięki temu nie generują hałasu słyszalnego dla ludzi. Umożliwiają również ruch z precyzją na poziomie nm i, w przeciwieństwie do konstrukcji typu „slip-stick”, nie mają błędu przesunięcia.

Inne konstrukcje

Wyżej wymieniona lista nie wyczerpuje wszystkich możliwych konstrukcji aktuatorów piezoelektrycznych. Ze względu na ich niewielkie rozmiary, mogą być one łączone w bardziej złożone struktury z większą ilością stopni swobody.

Zastosowanie

Aktuatory piezoelektryczne znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, gdzie wymagane są:

Precyzja rzędu μm lub nm
Brak dużego pola magnetycznego generowanego przez urządzenie
Małe wymiary
Brak wymogu dużego przesunięcia
Brak wymogu zastosowania dużej siły

Aktuatory te są wykorzystywane w obiektywach aparatów i kamer, a także w urządzeniach medycznych i innych technologiach.

Bibliografia

https://patents.google.com/patent/US1804838A/en

https://patents.google.com/patent/US2439499A/en

https://www.mdpi.com/2076-0825/5/1/6/htm

Karl Spanner, Burhanettin Koc: „Piezoelectric Motors, an Overview” (https://xeryon.com/technology/how-do-piezo-motors-work/)

R. Ryndzionek, Ł. Sienkiewicz, W. Szłabowicz, M. Grzywacz, M. Ronkowski: Politechnika Gdańska, Gdańsk, Dalkia Energy & Technical Services, SINAPTEC Ultrasonic Technology – Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne „PRZEGLĄD WYBRANYCH TOPOLOGII AKTUATORÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH”

R. Ryndzionek: „Koncepcja, realizacja i analiza aktuatora piezoelektrycznego do sterowania położeniem fotela w samochodzie osobowym”