Зависимость резонансной частоты и емкости актюатора от размеров

Тип актюатора	Геометрические размеры	Расчетные значения
D	d	L	a	в	Резонансная частота, кГц	Емкость, мкФ
мм	мм	мм	мм	мм
Пакетный	D	-	L	-	-	N/L
Кольцевой	D	d	L	-	-	2N/(D-d)
Прямоугольный	-	-	L	а	в	N/L

Примечание:ε^T₃₃ — диэлектрическая проницаемость пьезоматериала;

N — частотная постоянная пьезоматериала

Работа пьезоактюаторов возможна в двух режимах: однополярный и биполярный режимы.

При биполярном режиме величина напряжения противоположной полярности обычно составляет 20% от величины максимального положительного напряжения. При биполярном режиме работы возможно увеличение хода и усилия на 30% (в таблице 1 эти значения указаны для биполярного режима).

Пьезоактюаторы изготавливаются путем сборки пьезокерамических дисков и колец с металлизированными поверхностями в пакет, в котором для внешних соединений используются металлические межсекционные электроды.

Жесткая конструкция формируется либо с помощью высококачественных клеевых материалов, либо путем пайки твердым припоем. Отдельные пьезоэлементы соединены между собой параллельно электрически, что позволяет создать устройство, обладающее максимальной деформацией. Толщина диска и кольца 0,25–0,5 мм, количество слоев 7–40 шт. Материал электродов — серебро и серебряно-палладиевый сплав — наносится методом трафаретной печати на керамическую поверхность (толщина слоя 6–12 мкм).

Для повышения механической прочности, стойкости к климатическим воздействиям и температурным перегрузкам пьезокерамические изделия помещаются в корпус из меди или ее сплавов, обеспечивающий лучший теплосъем. При помещении пьезокерамического актюатора в корпус с целью повышения жесткости конструкции и, соответственно, повышения эксплуатационных параметров и надежности, с помощью специальных устройств (пружин или гибких элементов) осуществляется предварительное механическое нагружение в осевом направлении (предварительное усилие) — усилие сжатия от 50 до 1500 Н. Предварительное нагружение позволяет работать при подаче положительного и отрицательного напряжения, исключает наклон концевых поверхностей актюатора и обеспечивает их параллельность при установке в изделиях.

Конструкция высоковольтных бескорпусных прямоугольных актюаторов представляет собой прямоугольный брус. Актюаторы изготавливаются из моноблока пьезокерамического материала по технологии изготовления пьезоизделий. На боковую поверхность наносятся серебряные электроды (толщина слоя 6–12 мкм), к которым припаиваются провода. Максимальные габариты определяются возможностями существующего техпроцесса изготовления пьезокерамических изделий.

Конструкция низковольтных кольцевых актюаторов представляет моноблок из пьезокерамического материала в виде полого цилиндра, на боковые поверхности которого нанесены серебряные электроды.

Картриджный вариант пакетного актюатора имеет конструктивную особенность, позволяющую выполнять простое крепление актюатора к механической системе с помощью резьбового соединения для фронтального монтажа.

Картриджные актюаторы предназначены для работы в оптико-механических устройствах. С помощью резьбы осуществляется грубая юстировка зеркала, а точная настройка осуществляется пьезовоздействием. Чувствительность — точность перемещения стандартных конструкций актюаторов от 0,01 до 0,1 нм (см. рис. 2.9).

Эксплуатация пьезоактюаторов в промышленной аппаратуре в течение пяти лет показала их высокую надежность: частота отказа — менее 1%.

а) б)

Рис. 2.9. Зависимости основных параметров пьезоактюаторов от напряжения: а) зависимость перемещения (хода); б) развиваемой силы.

Зависимость хода и развиваемой силы от напряжения имеет ярко выраженный гистерезис — различие величины при возрастании и падении напряжения. Данное явление определяется свойствами пьезоматериала. Типовые пьезоматериалы имеют гистерезис 15x20%.

Как видно на рис. 2.9б величина развиваемого усилия уменьшается с увеличением значения свободного перемещения практически линейно.

В устройствах прецизионного позиционирования необходимо исключить явление гистерезиса в пьезоактюаторах. Это возможно либо путем замены пьезоматериала, либо путем активной стабилизации пьезоактюатора с применением систем управления с обратной связью.

В настоящее время для стабилизации параметров актюаторов используются электрострикционные материалы. Электрострикционный материал (ниобат магнезия свинца — титаната свинца типа РМN-РТ) позволяет получить такие же перемещения и усилия, как и при применении пьезокерамического материала при малой петле гистерезиса ~ 1%.

Электрострикционные актюаторы обладают внутренней стабильностью и способны точно возвращаться в нулевую точку. Получение аналогичных характеристик в пьезоактюаторах возможно только при применении активной обратной связи с установкой датчиков позиционирования для определения действительного положения.

Основным недостатком электрострикционных актюаторов является зависимость их эксплуатационных параметров от температуры окружающей среды. Оптимальный температурный диапазон 15–35 °С, максимальное значение параметров при температуре 25 °C.

Высокие значения пьезомодуля (d₃₃ > 2000 нКл/Н) и диэлектрической проницаемости электрострикционного материала (Т₃₃ = 15000–20000, тогда как для пьезокерамики ε^Т₃₃ = 1500–3000) более чем на порядок повышают емкость электрострикционных актюаторов, увеличивая потребление тока, и при этом почти на порядок снижают быстродействие.

По этой причине они в основном используются в квазистатическом режиме работы и нашли свое применение в оптической и электронной промышленности в устройствах квазистатических перемещений при стабильных условиях с оптимальным поддержанием температуры окружающей среды +25 °С (± 0,5 °С).

В настоящее время осуществляется широкое внедрение актюаторов в различные области науки и техники, сформулированы основные требования к актюаторам в перспективных приборных разработках для электронной, химической, фармацевтической, автомобильной промышленности.

Основные области применения:

• прецизионная техника: современные пневматические и гидравлические клапаны с быстродействием до 10 мкс;
• интеллектуальное управление работой двигателя: предварительный впрыск топлива в двигателях автомобилей и последующее управление аналоговой схемой основного впрыска;
• системы оптической оптоволоконной линии связи — стыковка и подстройка оптических волокон, волоконных лазеров;
• прецизионный контроль и точное позиционирование технологического оборудования в электронном производстве;
• автоюстировка и подстройка лазерных зеркал, интерферометров, приводы для адаптивной оптики;
• управление и компенсация вибрации станков, транспортных средств (активное демпфирование вибрации рамы самолетов).

Рис. 2.10. Конструкция многослойного актюатора

Широкое внедрение актюаторов сдерживает их относительно высокая стоимость и габариты, что связано со сложностью их компоновки в изделиях.

В последние годы созданы недорогие многослойные актюаторы — альтернатива пакетным актюаторам.

Многослойные актюаторы (рис. 3) состоят из чередующихся тонких слоев пьезокерамики и электродов. Толщина керамического слоя обычно 20–100 мкм. В многослойном актюаторе каждый слой соединен с последующим слоем электрически параллельно. Перемещение, создаваемое структурой, является суммой перемещений всех слоев.

Преимущество конструкции заключается в том, что для заданного уровня деформации требуется напряжение в N раз ниже (N — количество слоев, обычно от 10 до 40), чем в монолитном исполнении с теми же размерами. Многослойные актюаторы изготавливают по стандартной технологии многослойных конденсаторов. На начальном этапе формируется пакет из тонкослойных пластин или шайб.

При большом давлении пакет уплотняется и спекается при высокой температуре. Образуется многослойный керамический блок с параметрами, близкими к теоретическому пределу монолитной керамики. В отличие от пакетных актюаторов, многослойные актюаторы имеют более высокую жесткость и деформацию и, соответственно, более высокую резонансную частоту и быстродействие. Они способны развивать значительные усилия пропорционально площади сечения (сечение 1x1 мм² может создать усилие до 1000 Н).

В настоящее время сформулированы основные области применения многослойных актюаторов:

• системы впрыска топлива — управление клапанами с быстродействием ~ 1–10 мс при максимальном ходе 3–5 мкм и усилием до 5 кН;
• системы гашения вибрации, усилие до 100 кН;
• системы торможения и системы подвески автомобиля;
• оптико-механические устройства с системой активной стабилизации;
• системы гашения вибрации корпуса и крыла самолета с целью снижения уровня шума до 40–10 дБ и т. д.

Внедрение актюаторов позволит повысить надежность, безопасность и комфорт современных автомобилей, существенно сократить расход топлива за счет оптимизации режим работы двигателя.

В России основным разработчиком и производителем пьезоактюаторов является ОАО «ЭЛПА». В настоящее время с целью удовлетворения современных требований к пьезоактюаторам в ОАО «ЭЛПА» проводятся исследования и разработки новых типов пьезоактюаторов на базе современных технологий.