тел: (495) 600-40-84

Пьезодвигатели Physik Instrumente

В связи с развитием нанотехнологий, возникла необходимость перемещать микро- и наноструктуры с точностью порядка нескольких нанометров и менее. В современном технологическом и исследовательском оборудовании широкое распространение получили пьезодвигатели. Пьезодвигателями называют устройства, в которых механическое перемещение достигается за счёт обратного пьезоэлектрического эффекта. Материалы, составляющие основу таких приводов, называют пьезоэлектриками. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров пьезоэлектрика при приложении электрического поля.

В настоящий момент сфера применения пьезодвигателей охватывает многие отрасли: микроскопия, робототехника, фототехника, нанометрология, нанолитография, нанопечать, микродозирование и др. Пьезоприводы могут использоваться для вакуумного и криогенного оборудования.

Ниже рассматриваются устройство и технические характеристики различных типов пьезоэлектрических двигателей, разработанных компанией Physik Instrumente. Эти данные помогут Вам сделать оптимальный выбор модели пьезодвигателя для каждого конкретного приложения.

Шаговые пьезодвигатели

Принцип работы и особенности пьезоэлектрических двигателей серии NEXLINE

Пьезоприводы NEXLINE обладают следующими техническими особенностями:

  • Высокое разрешение, которое ограничивается используемой электроникой для управления пьезодвигателем. В режиме работы без обратной связи величина минимального шага достигает значений <1 нм
  • Высокая жёсткость, толкающее усилие до 600 Н, удерживающее усилие достигает 800 Н
  • Меньшие габариты и масса по сравнению с электродвигателем
  • В неподвижном состоянии пьезопривод сохраняет текущее положение с точностью в несколько нанометров, в том числе при выключенном питании.
  • Пьезоприводы не создают магнитные поля и не подвержены их воздействию
  • Активные компоненты пьезоприводов NEXLINE изготовлены из вакуумно-совместимой пьезокерамики
  • Возможность работы в условиях жёсткого УФ излучения
  • Устойчивость к перегрузкам в несколько g
  • Пригодны к использованию в чистых помещения
Принципиальная схема пьезопривода NEXLINE показана на рис.1. Привод состоит из одного или нескольких активных модулей, перемещающих направляющую. Чем больше таких модулей, тем выше развиваемое толкающее усилие.

drawing 1.JPG

Рис.1 Принципиальная схема пьезоэлектрического двигателя серии NEXLINE (вверху), собранный активный модуль пьезодвигателя (слева), линейный пьезоактуатор (справа).

В активном модуле используются два типа пьезоэлементов: линейный и сдвиговый (рис. 1). Линейные пьезоэлементы закрепляются на основании, на которое действует сила преднагрузки. Сдвиговые пьезоэлементы контактируют с подвижной частью, перемещая её в двух направлениях. Таким образом, пьезодвигатели NEXLINE позволяют осуществлять перемещения на большие расстояния с высокой точностью. Схема перемещения изображена на рис.2

PI_NEXLINE_Piezowalk_Principle_Step_1_2_a.jpg

PI_NEXLINE_Piezowalk_Principle_Step_3_4_b.jpg

Рис.2 Схема перемещения пьезодвигателя NEXLINE. Стрелками показано направление деформации каждого из сегментов активного модуля

Величина шага пьезодвигателя зависит от величины нагрузки, а также от направления движения. Эффект гистерезиса, заключающийся в неоднозначности изменения размеров пьезокерамических элементов от направления изменения электрического поля, не позволяет приводу перемещаться с равными шагами. Для компенсации нелинейности и достижения высокой повторяемости перемещения требуется датчик положения.

Существуют три режима работы пьезодвигателя. Ниже представлена таблица, где отмечены основные особенности каждого из них.

Режим полного шага

Наношаговый режим

Непрерывный режим

Перемещение на длинные дистанции

Перемещение на длинные дистанции

Высокодинамичное позиционирование в диапазоне нескольких микрон

Максимальная статическая и динамическая жёсткость

Перемещение с самой низкой величиной вибрации

Величина минимального шага в режиме без обратной связи до одного пикометра

Максимальное блокирующее усилие при выключенном питании

Наиболее равномерное* перемещение

-

Максимальная скорость

Максимальная скорость составляет 60% от скорости в режиме полного шага

-


drawing 2.JPG

*Рис.3 Зависимость движения актуатора с пьезодвигателем NEXLINE от времени для шагового и наношагового режимов.

Рассмотрим более подробно режимы работы пьезодвигателя NEXLINE. 

Режим полного шага

В режиме полного шага существует временной сдвиг между прижимной и сдвиговой фазами, что ведёт к неравномерности движения. На графике ниже показана зависимость приложенного напряжения (для линейного и сдвигового перемещения) от времени и соответствующее изменение координаты направляющей за один цикл работы.

drawing 3.JPG

Рис.4 Изменение координаты подвижной части пьезопривода в зависимости от компонент управляющего напряжения в режиме полного шага

Согласно рис.4 видно, что привод не перемещается в течение периода, когда пьезоактуатор осуществляет линейное движение к направляющей. Движение «ног» двигателя осуществляется попарно. Ход сдвигового пьезоактуатора определяет шаг позиционирования. Стоит отметить, что напряжение, подаваемое на линейный сегмент, всегда максимально в режиме полного шага, вследствие чего развиваемое усилие пьезодвигателя в данном режиме максимально. В режиме без обратной связи пользователь может задавать величину шага и его частоту (время одного цикла), что влияет на развиваемое усилие и скорость перемещения привода. Максимальная рекомендуемая частота шага – 100 Гц для продолжительного использования. Возможно повышение частоты, однако на короткие промежутки времени. Величина шага может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких микрон. В режиме с обратной связью пользователь задаёт скорость перемещения в заданную координату (рекомендуемая скорость – 250 мкм/сек), после чего оптимизация величины шага определяется автоматически контроллером. После достижения указанной координаты пьезодвигатель переходит в режим ожидания, т.е. все величины компонент напряжения достигают нуля, ноги пьезодвигателя находятся в контакте с направляющей. В зависимости от параметров, внешних условий и конкретного приложения при переходе в режим ожидания возможно отклонение в 10 нм от достигнутой координаты. Время при переходе в режим ожидания не превышает 2 сек.

Наношаговый режим

В наношаговом режиме все пьезоэлементы движутся одновременно и находятся в контакте с подвижной частью. В результате актуатор движется равномерно. Ввиду того, что диапазон перемещения сдвиговых пьезоактуаторов не достигает максимальных значений, величина шага и толкающее усилие становится меньше, чем в режиме полного шага

drawing 4.JPG

Рис.5 Изменение координаты подвижной части пьезопривода в зависимости от компонент управляющего напряжения в наношаговом режиме

Аналоговый режим

В аналоговом режиме все ноги пьезодвигателя находятся в контакте с направляющей, при этом деформируется только сдвиговые пьезоактуаторы. Диапазон их смещения определяет величину шага. Максимальное значение величины шага в данном режиме составляет несколько микрон. Минимальный шаг ограничен только шумом усилителя. Переход к аналоговому режиму осуществляется через стадию, когда пьезодвигатель находится в режиме ожидания.

Пьезодвигатели NEXLINE чувствительны к перегреву. Продолжительное позиционирование на предельных скоростях может привести к нагреву активного модуля и к снижению срока службы.

Принцип работы и особенности пьезоэлектрических двигателей серии NEXACT®

Отдельный модуль пьезодвигателя серии NEXACT® состоит из основания, двух пар изгибающихся элементов («ног») и подвижной части («направляющей»), на которую действует сила преднагрузки. Каждая пара ног работает синхронно и состоит из двух пьезопакетов. Вследствие обратного пьезоэффекта пьезопакеты удлиняются/сокращаются и изгибаются, что позволяет перемещать направляющую (рис.6).

drawing 5.JPG

Рис.6 Принципиальная схема работы пьезодвигателей серии NEXACT®
 
Существует два режима работы пьезодвигателя NEXACT®: непрерывный и шаговый (рис.7). В непрерывном режиме все ноги пьезодвигателя прижаты к направляющей. В данной конфигурации направляющая перемещается с высокой скоростью, однако диапазон перемещения составляет несколько микрон, что связано с ограничением величины изгиба пьезопакета. В шаговом режиме первая и вторая пары ног пьезодвигателя работают попеременно. Диапазон перемещения ограничен только длиной направляющей.

drawing 6.JPG

Рис.7 Схема работы пьезодвигателя NEXACT® в непрерывном (слева) и шаговом (справа) режимах

Один цикл работы пьезодвигателя NEXACT® в шаговом режиме состоит из нескольких стадий.

На первой стадии первая пара ног прижимается к направляющей, вторая пара ног отрывается от направляющей (рис.8). На графике по оси абсцисс отмечена величина напряжения, отвечающая за изгиб ноги (Utransport) для перемещения направляющей. Данная величина является разностью между напряжениями, подаваемыми на пьезопакеты (U1-U2 для первой пары ног; U3-U4 для второй пары ног). За счёт разности напряжений между склеенными пьезопакетами происходит их изгиб. По оси ординат отмечена величина напряжения, отвечающая за прижимание пьезопакетов к направляющей (Uclamp), т.е. за их линейное движение перпендикулярно направляющей. Величина Uclamp соответствует половине от суммы напряжений, подаваемых на пьезопакеты (U1+U2/2 для первой пары ног; U3+U4/2 для второй пары ног).

drawing 7.JPG

Рис. 8. Шаговый режим работы пьезодвигателя NEXACT®, стадия 1
На второй стадии первая пара ног изгибается вправо, соответствующей точкой отмечен момент, когда первая пара ног протолкнула направляющую и готова от неё оторваться. В это время вторая пара ног изгибается влево (рис.9) и затем контактирует с направляющей, чтобы продолжить её движение

drawing 8.JPG

Рис. 9. Шаговый режим работы пьезодвигателя NEXACT®, стадия 2

На третьей стадии первая пара ног изгибается влево и контактирует с направляющей для её дальнейшего перемещения, в то время как вторая пара ног, напротив, завершает продвижение направляющей и готова от неё оторваться

drawing 9.JPG

Рис. 10. Шаговый режим работы пьезодвигателя NEXACT®, стадия 3

Четвёртая стадия является эквивалентом первой стадии. Стоит отметить, что пьезодвигатель NEXACT® обладает функцией самоблокировки (self locking), в этом случае все ноги прижаты к направляющей, величина Uclamp максимальна, Utransport – минимальна.

В непрерывном режиме Utransport для всех ног одинаково, её величина варьируется в зависимости от требуемого диапазона перемещения, величина Uclamp подстраивается контроллером автоматически.

В шаговом режиме величина шага определяется Utransport, количество шагов в сек. и величина шага определяет скорость перемещения направляющей.

Исходя из особенностей конструкции приводов серии NEXACT®, увеличение скорости движения ведёт к снижению толкающего усилия в направлении перемещения. Соответствующая зависимость приведена ниже (рис.11)

drawing 10.JPG
Рис. 11. Зависимость толкающего усилия пьезодвигателя NEXACT® и его скорости перемещения

Сравнительный анализ шаговых пьезодвигателей Nexact и Nexline

Характеристика/

Тип пьезодвигателя

Nexline®

Nexact®

Область применения

Позиционирование, высокие нагрузки, диапазон перемещения до нескольких миллиметров

Позиционирование, средние нагрузки, диапазон перемещения до нескольких сантиметров

Тип двигателя

Шаговый пьезодвигатель серии PiezoWalk®

Шаговый пьезодвигатель серии PiezoWalk®

Принцип работы

Перемещение направляющей с помощью линейных и сдвиговых пьезоактуаторов

Перемещение направляющей с помощью изгибающихся пьезоактуаторов

Скорость

От нескольких нм/сек до 2 мм/сек

От нескольких нм/сек до 20 мм/сек

Толкающее усилие

До 600 Н

До 10 Н

Удерживающее усилие при выключенном питании

До 800 Н

До 15 Н

Величина минимального шага в режиме без обратной связи

0.03 нм

0.03 нм

Диапазон управляющего напряжения

От -250 до 250

От 0 до 45 В

Диапазон перемещения

Зависит от длины направляющей

Зависит от длины направляющей

Габариты

Небольшие

Высокая компактность


Вакуумная совместимость

Да, используются соответствующие приложению материал корпуса, датчик, кабели и т.п.

Да, используются соответствующие приложению материал корпуса, датчик, кабели и т.п.

Температура дегазации

До 110 °С

До 110 °С

Работа в условиях чистой комнаты

да

да

Немагнитный корпус

Да, по запросу

Да, по запросу

Устойчивость к радиационному излучению (УФ, рентген)

да

да

Приложения, чувствительные к изменению температуры

Пьезодвигатели работают без выделения тепла в статическом и квазистатическом режимах

Пьезодвигатели работают без выделения тепла в статическом и квазистатическом режимах

OEM исполнение

да

да

Позиционирование в вертикальном положении

да

да

Линейная платформа на основе пьезодвигателя

По запросу

доступна

Контроллер

Настольный цифровой контроллер или модульная система в 19 дюймовой стойке

OEM исполнение, настольный цифровой контроллер или модульная система в 19 дюймовой стойке

Информация о патентах

№ 10148267B4 (Германия)

№ 6,800,984B2 (США)

№4408618B4 (Германия)


Ультразвуковые пьезоэлектрические двигатели


Принцип работы и особенности пьезоэлектрических двигателей серии PILine

Пьезоприводы PILine обладают следующими техническими особенностями:

  • Высокая скорость перемещения – до 500 мм/сек
  • Компактность
  • Самоблокировка при отключении питания, отсутствие выделения тепла в режиме ожидания
  • Отсутствие передаточных механизмов и необходимости в обслуживании
  • Немагнитный и вакуумно-совместимый принцип работы
  • Отсутствие принципиального ограничения по диапазону перемещения
  • Удерживающее усилие до 15 Н, момент до 0.3 Н*м
  • Минимальный шаг в режиме без обратной связи до 50 нм

Принципиальная схема пьезодвигателей линейного и углового типа показана на рис. 12


drawing 12.JPG

Рис. 12. Принципиальная схема линейного (слева) и углового (справа) пьезодвигателей серии PILine.

Основной частью линейного ультразвукового двигателя является пьезокерамическая пластина, поляризованная вдоль направления W (рис.12). На одну сторону пластины нанесены два положительных электрода, другая сторона заземлена. При движении влево или вправо на соответствующий электрод подается управляющий синусоидальный сигнал высокой частоты (в диапазоне от 100 до 200 кГц). Под действием приложенного напряжения, пьезокерамическая пластина деформируется (рис.13), заставляя перемещаться прикрепленный к ней толкатель, изготовленный из оксида алюминия. Вблизи толкателя размещена направляющая. Соприкосновение толкателя с направляющей приводит в движение платформу.

drawing 13.JPG

Рис. 13 Схема деформации пьезопластины при приложении синусоидального напряжения. Показан один цикл колебания пьезопластины.

На рис.12 справа изображена принципиальная схема вращающегося механизма, основанного на двух линейных пьезоприводах.

В более компактных вращающихся пьезоплатформах основной частью двигателя является полый пьезоцилиндр. Направление поляризации пьезоцилиндра перпендикулярно его боковой поверхности. На его внешнюю боковую поверхность нанесены активные электроды, разделённые небольшим зазором. Между электродами сверху на основании приклеены толкатели. Внутренняя сторона заземлена. При подаче синусоидального напряжения на активные электроды (через один) происходит деформация пьезоцилиндра, вследствие чего толкатели перемещают ротор (рис.14). 

drawing 14.JPG
Рис. 14. Принципиальная схема миниатюрного углового пьезодвигателя PILine

Пьезодвигатели PILine являются достаточно надёжными приводами. В зависимости от условий эксплуатации, среднее время работы на отказ составляет примерно 20000 часов или 2000 км. На рис. 15 показана зависимость максимального времени бесперебойной работы, выраженное в процентах, от температуры, при максимальной величине управляющего сигнала. Из графика видно, что при температурах выше 20 °С возникает повышенный износ в связи с увеличением трения толкателя о направляющую.

drawing 15.JPG
Рис. 15 Зависимость максимального времени бесперебойной работы от температуры для пьезодвигателей серии PiLine

На рис.16 изображён график зависимости скорости пьезодвигателя от величины развиваемого усилия в направлении перемещения при различных величинах управляющего сигнала. 

drawing 16.JPG
Рис. 16 Соотношение скорости и силы, развиваемой пьезодвигателем при различных амплитудах управляющего сигнала (40÷100%) для моделей U-264.10/20/30 (слева) и U-264.11/21/31 (справа)

Пьезодвигатели PiLine идеально подходят для приложений, где требуется высокая динамика перемещения. Они способны развивать ускорение в несколько g, а время установки в заданную координату составляет порядка 10 мксек (рис.17).

drawing 17.JPG

Рис. 17. Время разгона пьезодвигателя серии PILine до максимальной скорости в разных направлениях.


Пьзоэлектрические инерционные двигатели серии PIShift

Приводы PiShift имеют следующий ряд особенностей:

  • Отсутствие принципиального ограничения по диапазону перемещения
  • Самоблокировка при отключении питания, отсутствие выделения тепла в режиме ожидания
  • Минимум шума при перемещении
  • Удерживающее усилие до 10 Н, максимальная скорость более 5 мм/сек
  • Простота системы управления
  • Низкая стоимость

Пьезодвигатели серии PIShift основаны на эффекте прерывистого движения (stick-slip effect). Основа привода – пьезоактуатор, к одной стороне которого прикреплён преднагруженный фрикционный элемент. На пьезоактуатор подаётся пилообразный сигнал с контроллера. В процессе нарастания напряжения импульса пьезоэлемент медленно «растягивается» и перемещает направляющую, т.к. толкающее усилие не превышает статической силы трения между направляющей и фрикционным элементом. При резком спаде напряжения происходит быстрое «укорачивание» пьезоактуатора, при этом направляющая остаётся на своём месте, т.к. усилие, развиваемое пьезоэлементом, превышает кинетическое трение, что приводит к проскальзыванию (рис.18). Сравнение толкающей силы с силой кинетического трения обусловлено тем, что в момент начала спада напряжения направляющая продолжает движение по инерции.  

drawing 18.JPG

Рис. 18. Схема движения инерционного пьезодвигателя серии PIShift.

Конструкция пьезопривода накладывает ограничения на области возможного применения. Не допускается подвергать направляющую воздействию боковых сил. Пьезоэлектрический двигатель серии PIShift не предназначен для работы в режиме 24/7. Максимальное время непрерывной работы не должно превышать 10 с, после которого привод должен находиться в покое как минимум такой же промежуток времени. При соблюдении этих условий и эксплуатации при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении, срок службы пьезопривода позволяет пройти дистанцию до 2000 м.

Сравнительная таблица технических характеристик пьезодвигателей

Параметр/Тип двигателя

Шаговый пьезодвигатель (Nexline, Nexact)

Ультразвуковой пьезодвигатель

(PI Line)

Инерционный пьезодвигатель

(PI Shift)

Разрешение

<1 нм

<1 мкм

<1 нм

Скорость

<10 мм/сек

<250 мм/сек;

<1080 °/сек

<10 мм/сек

Диапазон перемещения

Ограничен только длиной направляющей

Ограничен только длиной направляющей

Ограничен только длиной направляющей

Развиваемое усилие

<800 Н

<40 Н

<10 Н

Диапазон управляющего напряжения

55 В (Nexact)

500 В (Nexline)

120 В,

200 В

<48 В

Особенности

· Позиционирование с нанометровым разрешением

· Высокое толкающее/удерживающее усилие

· Перемещение в миллиметровом диапазоне

· Возможность грубой/точной подстройки за счёт различных режимов работы

· Возможность использовать в качестве активной виброизоляции

· Позиционирование с постоянной, низкой скоростью

· Позиционирование с микрометровым разрешением

· Высокая скорость для задач сканирования, быстрая установка в указанную координату

· Возможность позиционирования с постоянной, низкой скоростью

· Позиционирование с нанометровым разрешением

· Низкий уровень шума при перемещении

· Простота управления