Червячный двигатель
 |
Червячный двигатель — это устройство, которое использует пьезоэлектрические приводы для перемещения вала с до нанометра точностью .
В своей простейшей форме червячный двигатель использует три пьезоактуатора (2 и 3, см. рисунок 1), установленных внутри трубки (1) и последовательно электрифицированных для захвата вала (4), который затем перемещается в линейном направлении. Движение вала происходит за счет выдвижения бокового пьезоэлемента (2), давящего на два сцепляющихся пьезоэлемента (3).
Операция
[ редактировать ]Процесс приведения в действие червячного двигателя представляет собой шестиэтапный циклический процесс после фазы первоначального расслабления и инициализации. Первоначально все три пьезоэлемента расслаблены и нерастянуты. Для инициализации червячного двигателя сначала электризуется пьезо-муфта сцепления, ближайшая к направлению желаемого движения (которая затем становится пьезоэлектрической муфтой переднего хода), после чего начинается шестиступенчатый цикл следующим образом (см. Рисунок 2):
Шаг 1. Выдвижение бокового пьезо.
Шаг 2. Выдвижение пьезо заднего сцепления.
Шаг 3. Расслабление пьезофрикциона передней муфты.
Шаг 4. Релаксация латерального пьезо.
Шаг 5. Выдвижение пьезо муфты переднего хода.
Шаг 6. Расслабление пьезо заднего сцепления.
Электрификация пьезоактюаторов осуществляется путем подачи на них высокого напряжения смещения в соответствии с «шестиэтапным» процессом, описанным выше. Для перемещения на большие расстояния последовательность из шести шагов повторяется много раз в быстрой последовательности. Как только двигатель переместится достаточно близко к желаемому конечному положению, его можно переключить в дополнительный режим точного позиционирования. В этом режиме муфты получают постоянное напряжение (одна высокая, другая низкая), а затем боковое пьезоэлектрическое напряжение регулируется до промежуточного значения под постоянным контролем обратной связи для получения желаемого конечного положения.
Поведение этого пьезоэлектрического двигателя без питания является одним из двух вариантов: нормально заблокировано или нормально свободно . Обычно свободный тип обеспечивает свободное перемещение при отсутствии питания, но все же может быть заблокирован путем подачи напряжения.
Использование
[ редактировать ]Сканирующая туннельная микроскопия
[ редактировать ]Червячный двигатель обычно используется в сканирующих туннельных микроскопах (СТМ). СТМ требует контроля сканирующего наконечника в нанометровом масштабе вблизи материала, который он наблюдает. Этот контроль можно осуществить, подключив сканирующий наконечник к валу червячного двигателя. Червячный двигатель, в свою очередь, позволяет осуществлять управление в направлении, нормальном к плоскости наблюдаемой поверхности материала. Движение по поверхности обычно называют движением в плоскости xy, тогда как движение по нормали к поверхности обычно называют движением в направлении z. Перемещение сканирующего наконечника с помощью червячного двигателя контролируется вручную или автоматически путем подключения двигателя к системе обратной связи .
Патч-зажим
[ редактировать ]Червячный двигатель можно использовать для фиксации биологических клеток. Этот метод чаще всего выполняется с помощью оптического микроскопа и микроманипулятора со стеклянной пипеткой. Червячный двигатель особенно идеален для зажима заплат, поскольку он обеспечивает оператору практически мгновенное, точное, плавное и предсказуемое движение без дрейфа.