Động cơ áp điện

Nhưng gần đây phổ biến một loại động cơ điện hoàn toàn khác gọi là động cơ áp điện, cấu tạo đơn giản, tinh vi và chính xác, đặc biệt có thể làm rất nhỏ, sử dụng trong công nghẹe cao như ổ đĩa máy tính, đặt sợi quang đúng vị trí, lắp ống thông ở mạch máu...

Động cơ áp điện sử dụng hiệu ứng áp điện để tạo ra chuyển động cơ.

Vật liệu áp điện ngày nay, thí dụ gốm PZT có hệ số chuyển dời cơ điện (h. 1) theo trục mạnh nhất vào cỡ d ₃₃= 500 x 10 ^-12m/V nghĩa là theo trục chính, tác dụng 1 vôn thì thanh áp điện bị co (hay dãn) 500.10 ^-12m nếu tác dụng điện thế 200 vôn chuyển dịch theo trục chính là: 200 x 500 x 10 ^-12m = 0,1mm (phần mười micromet).

Động cơ áp điện

Nếu thanh áp điện đó được tác dụng điện thế xoay chiều có tần số phù hợp với tần số dao động riêng của thanh áp điện, có cộng hưởng xảy ra, mỗi lần điện thế tăng từ 0 đến 200V độ dịch chuyển có thể lớn gấp 10 lần tức là 1mm và thí dụ tần số tác dụng điện thế là 130000 hertz thì dịch chuyển tổng cộng sẽ là:

1mm x 130000 = 130.000mm = 130 mm tốc độ chuyển dịch là 130 mm/giây.

Động cơ uốn lượn trên đầu ngón tay (Bulông áp điện ở ngoài thanh ren dài nằm ngang bên trong).

Như vậy đấy là một động cơ cho chuyển động thẳng, tuỳ thời gian cho tác dụng điện thế có thể điều khiển chuyển động với độc chính xác cỡ nhỏ hơn phần nghìn micromet tức là nanomet.

Người ta có thể làm hai guốc (h 2B) hoặc bốn guốc (h 2C) áp vào thanh truyền, lực guốc đẩy thanh truyền sẽ mạnh hơn gấp đôi, hoặc gấp bốn lần.

Khi cần chuyển động tròn, thay cho thanh truyền người ta làm một cái đĩa quay quanh một cái trục và bố trí guốc đẩy cái đĩa theo chiều của chu vi (h 2D).

Một kiểu động cơ áp điện cho chuyển động thẳng rất phổ biến hiện nay gọi là động cơ uốn lượn (squiggle motor).

Cấu tạo của động cơ này giống như một cái bulông dài vặn thanh tròn có ren (h 3) chỉ bulông là làm bằng vật liệu áp điện còn thanh ren có thể là kim loại hay bất cứ vật liệu cứng nào khác.

Nếu bình thường ta vặn tròn nhưng không dịch chuyển bulông, thanh ren sẽ tiến theo một chiều nào đó tuỳ theo chiều ren và chiều vặn bulông. Nhưng ở đây bulông làm bằng vật liệu áp điện, có thể thiết kế bulông áp điện uốn lượn sao cho răng bên trong của bulông lúc hở ra lúc áp vào răng của thanh ren, khi áp vào lại xoay theo một chiều nào đó tương tự như khi vặn bulông. Kết quả là điều khiển được thanh ren dịch chuyển lên xuống, làm nhiệm vụ của động cơ chuyển động thẳng.

Trên đây chỉ là một vài cơ cấu làm thí dụ để dễ hiểu về nguyên lý làm việc của động cơ áp điện. Ta thấy rõ ràng là ở đây rất ít bộ phận nên dễ làm nhỏ, chuyển động ở đây là nhích từng bước cực nhỏ nên dễ điều khiển chính xác, có thể làm việc với tần số rất cao nên tốc độ chuyển động có thể lớn.

So với động cơ điện thì động cơ điện có đến hàng trăm chi tiết nhỏ: lõi sắt, dây đồng, nam châm vĩnh cửu, trục quay, bánh răng chuyển đổi... nhất là khi cần chính xác phải dùng động cơ bước phức tạp hơn. Với hơn 150 năm kinh nghiệm, việc chế tạo động cơ điện chính xác nhỏ nhất cũng chỉ có thể dùng được để điều chỉnh ống kính máy ảnh làm nhiệm vụ AF (tự động làm nét) và OZ (zoom quang học) cho máy ảnh. Đến máy ảnh nhỏ ở điện thoại di động, không thể có động cơ điện để đáp ứng yêu cầu cả về mặt phải nhỏ (nhỏ bằng một phần tư động cơ điện nhỏ nhất) và phải ít tốn điện.

Động cơ áp điện ngày nay có thể làm nhỏ, đường kính chỉ 1,8 mm chiều dài 4 mm, cơ như hạt thóc, có nhiều ứng dụng. Ta xét vài thí dụ.

Động cơ áp điện (kiểu uốn lượn) đặt bên cạnh ống kính ở máy ảnh điện thoại di động. So sánh kích thước với kim cài giấy ở dưới.

Nhưng ý nghĩa nhất là dùng trong y tế. Thí dụ để tán sỏi thận phải thông qua một cái ống đưa động cơ vào trong thận để tán sỏi. Vì động cơ điện không làm quá nhỏ được nên ống đưa vào đường kính phải to hơn 3 milimet mới đưa lọt động cơ nhỏ nhất. Ống to, dễ làm đau đớn khó chịu cho bệnh nhân.

Nay có động cơ áp điện đường kính chỉ 1,8 mm nên ống đưa vào nhỏ hơn, cỡ dưới 2 mm đường kính, dễ chịu hơn cho bệnh nhân.

Cũng vậy trong nội soi, cuối của ống nội soi đưa vào bên tỏng cơ thể phải có cái gương điều khiển được bằng động cơ để cho ánh sáng đi theo ống dẫn quang phản xạ chiếu rộng ra nhiều chỗ thí dụ chung quanh ống tiêu hoá. Động cơ áp điện nhỏ dùng ở đây rất thuận tiện so với động cơ điện to hơn nhiều.

Ngay ở đồng hồ quartz đeo tay, bộ dao động điện tử dựa trên chuẩn là bản năng dao động thạch anh nhưng khi muốn chuyển sang chỉ thị bằng kim cho dễ đọc và chỉ ngày, chỉ tháng theo kiểu thông thường phải có động cơ bước, các bánh răng chính xác và phức tạp, đặc biệt ở kim phút, kim giây các bánh răng phải quay rất nhanh, dễ hỏng. Bố trí động cơ áp điện thay cho động cơ bước kiểu cũ, chậm hay nhanh đều có thể dùng cách điều khiển điện tử, không dùng bánh xe răng, sẽ rất bền. Hàng năm số đồng hồ điện tử tiêu thụ là cỡ 10 đến 100 triệu nên số lượng động cơ áp điện cần sản xuất rất lớn.

Động cơ áp điện đã thắng thế động cơ điện khi đi vào lĩnh vực tinh vi chính xác.