Существует несколько способов, с помощью которых пьезокерамика может быть использована для создания линейного движения, обеспечивая любое сочетание высокой скорости, длительного хода и высокой силы. Двумя распространенными типами являются линейные шаговые двигатели и линейные ультразвуковые пьезодвигатели. Оба используют обратный пьезоэлектрический эффект для приведения в действие стержня или толкателя и создания линейного движения, но способ, которым они используют и обуздывают движение от пьезоэлементов, отличается.

То пьезоэлектрический эффектэто преобразование приложенной механической силы во внутреннюю электрическую энергию. Обратный (он же обратный или поперечный) пьезоэлектрический эффект преобразует приложенную электрическую энергию во внутреннее механическое напряжение.

Линейные шаговые двигатели основаны на скоординированном движении нескольких пьезоэлементов, которые установлены в ряд и действуют как пары “ножек”. При подаче электрического заряда ноги совершают два движения: разгибание/втягивание и сгибание в стороны.

Чтобы создать линейное движение, одна пара ног “захватывает” продольный стержень за счет трения, перемещая его вперед по мере того, как ноги вытягиваются и сгибаются. Когда первая пара ног освобождается, за дело берется следующая пара. Ножки линейных шаговых двигателей перемещаются всего на несколько микрон за раз, но они работают на частоте от сотен до тысяч Герц, обеспечивая непрерывное линейное движение.

Ультразвуковые пьезодвигатели используют одну пьезоэлектрическую пластину. Когда прикладывается электрический заряд, пластина возбуждается на своей резонансной частоте, заставляя ее колебаться. Эти колебания, в свою очередь, создают ультразвуковые волны в пьезоэлектрической пластине.

Муфта, или толкатель, прикреплена к плите и предварительно натянута на продольный стержень (также называемый направляющим). Ультразвуковые волны заставляют пластину расширяться и сжиматься эллиптическим образом, что позволяет муфте продвигать стержень вперед, создавая полезное линейное перемещение.

Хотя как линейные шаговые, так и линейные ультразвуковые пьезодвигатели генерируют движение путем перемещения продольного стержня, принципы их работы дают им разные эксплуатационные характеристики. Линейные шаговые двигатели могут достигать разрешения на уровне пикометра, в то время как разрешение для ультразвуковых версий обычно находится в диапазоне от 50 до 80 нм. Но линейные ультразвуковые двигатели могут развивать гораздо более высокие скорости – от 500 мм/ с до 1 м/с – чем линейные шаговые двигатели, максимальная скорость которых обычно составляет около 15 мм/с. Обе версии способны к неограниченному перемещению, но длина приводной тяги определяет ход. Как для шагового, так и для ультразвукового исполнения максимальный ход обычно составляет от 100 до 150 мм.

Линейные шаговые пьезодвигатели могут генерировать как толкающее/ тянущее, так и удерживающее усилие (выключение питания) в диапазоне 10 Н, в то время как линейные ультразвуковые пьезодвигатели обычно ограничены 3-4 Н толкающими/тянущими и 2-3 Н удерживающими усилиями. Обе версии являются самоблокирующимися и могут выдерживать номинальную нагрузку в условиях отключения питания без выделения тепла.

Линейные ультразвуковые пьезодвигатели обычно используются в механизмах автофокусировки камер, а также в устройствах для обработки изображений, сканирования и метрологии. Линейные шаговые пьезодвигатели часто используются для привода линейных ступеней и в оборудовании для полупроводниковой литографии.

Автор изображения: MICROMO