Không chỉ sử dụng hai lớp áp điện với nhau mà cịn có thể thay một lớp áp điện bằng một loại vật liệu khác. Qing-Ming Wang [12] và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu đánh giá và tính tốn đối với các cấu trúc bimorph, unimorph và triple layer benders. Hai ví dụ cổ điển về thiết bị áp điện là các cấu hình bimorph và unimorph được sử dụng rộng rãi cho cảm biến âm thanh, loa, rơle, micropumps, micropositioners, và nhiều ứng dụng khác. Trong nghiên cứu của mình Wang [12] đã kết luận rằng bimorph, unimorph và ba lớp uốn có thấp hơn hằng số điện mơi hơn vật liệu áp điện do tác dụng kẹp của từng thành phần trong các thiết bị. Đối với uốn cong một lớp và uốn ba lớp, hằng số điện môi của chúng cũng thay đổi theo tỷ lệ độ dày của đàn hồi và các lớp áp điện. Một hằng số điện mơi lớn nhất có thể được quan sát ở các tỷ lệ độ dày nhất định đối với uốn cong ba lớp, trong khi đối với đơn nguyên uốn cong, hằng số điện môi giảm theo độ dày đơn điệu tỷ lệ. Việc sử dụng một lớp đàn hồi cứng hơn dẫn đến hằng số điện môi thấp hơn ở cả hai chiều và uốn cong ba lớp.
Hình 16. Cấu trúc bimorph, unimorph và triple layer benders, (a) bimorph bender trong chuỗi kết nối, (b) bimorph bender trong kết nối song song, (c) triple layer bender, (d) unimorph
bender, (e) thiết bị cầu vồng [12]
Ngay trong năm nay Zhang và nhóm của ơng đã phát triển động cơ quay quán tính hai bậc tự do được đề xuất sử dụng bộ kích hoạt áp điện hai chiều (PEA) [13]. Các tấm áp điện được chồng lên nhau hai lớp với hai bộ áp điện được kích hoạt trái hướng sẽ làm cho chân đỡ khối cầu dịch chuyển theo trục x, đối với trục y cũng được lắp một bộ tương tự, kết quả là cơ cấu này có thể di chuyển được theo hai hướng vng góc nhờ việc di chuyển của khối cầu. Q trình mơ tả chuyển động của chân đỡ khối cầu nhơ các tấm áp điện được diễn tả trên hình 12.
Hình 17. Động cơ quay qn tính hai bậc tự do và sự bố trí các tấm bimorph piezo [13]
Hình 18. Mơ tả ngun lý hoạt động của động cơ của Zhang [13]
2.3. Stick-slip actuators
2.3.1. Tổng quan về Stick-Slip actuators
Nếu xét hiện tượng này trong các hệ trượt macro, dính- trượt bị coi là yếu tố gây nhiễu. Do đó đã có rất nhiều mơ hình, cơng cụ phân tích và các phương pháp ổn định được phát triển để điều khiển các hệ động lực học với ma sát. Nhưng trong các hệ micro, hiện tượng này có thể được tận dụng để thành một nguyên lý kích hoạt, gọi là chuyển động dính-trượt. Nếu các lực tác động lên phần tử chấp hành (PTCH) có thể được điều khiển cả về độ lớn lẫn phương chiều thì hồn tồn có thể thu được chuyển động dính-trượt lặp đi lặp lại theo một hướng định sẵn.
Hình 19. Sơ đồ ngun lý chuyển động dính-trượt [3]
Sơ đồ trên bao gồm PTKH được làm từ vật liệu áp điện và được gắn với nửa cầu tạo tiếp xúc điểm với PTCH. Tín hiệu điện dùng để kích hoạt chuyển động dính-trượt có dạng răng cưa bao gồm hai pha: pha tăng chậm và pha giảm nhanh. Tín hiệu điện được đưa vào PTKH khiến cho những điểm tiếp xúc sẽ chuyển vị theo dạng tín hiệu điện. Chính vì thế, trong một chu kì, PTKH sẽ có hai trạng thái: dãn chậm và co lại nhanh. Pha tăng chậm được thể hiện trong hình 1.2b, khi này PTCH cùng di chuyển với PTKH, do chuyển động chậm nên lực do quán tính của PTCH nhỏ hơn nhiều so với lực ma sát tĩnh giữa hai phần tử nên độ dịch chuyển của hai phần tử là như nhau. Pha này còn được gọi là pha dính. Trong hình 9.2c, PTKH co lại nhanh, gia tốc lớn dẫn tới sau một khoảng thời gian xác định, lực quán tính của PTCH lớn hơn lực ma sát tĩnh. Trong pha này, ở một khoảng thời gian xác định ban đầu, hai phần tử vẫn dính với nhau do lực quán tính chưa đủ lớn kết hợp với các yếu tố như độ nhấp nhô bề mặt, vật liệu là không cứng tuyệt đối – tạo ra một khoảng dịch chuyển gọi là bước lùi (back step). Sau đó, khi lực qn tính đủ lớn, PTCH không theo kịp chuyển động của PTKH và bị trượt trên phần tử này. Do đó, pha giảm nhanh cịn gọi là pha trượt. Sau một chu kì dính-trượt, PTCH thực hiện được một bước dịch chuyển/chuyển vị.
Mỗi bước chuyển vị thu được sau mỗi chu kì là rất nhỏ do giới hạn về độ biến dạng của vật liệu áp điện, tuy nhiên, theo lý thuyết thì khoảng làm việc của
thiết bị là không giới hạn. Hơn thế nữa, khi làm việc ở chế độ quét (Scaning mode), độ dịch chuyển nhỏ đem lại nhiều ưu điểm khi đáp ứng được yêu cầu độ chính xác cao. Một vài cơ cấu tương tự có thể kể đến mơ hình của Zhang [14] thiết kế năm 2018 và mơ hình của Xu [15] thiết kế năm 2020 với đặc điểm là sử dụng cơ cấu tam giác để gây chuyển động. Nguyên lý của cơ cấu là trình kẹp chặt trong giai đoạn' stick' và một hành động giải phóng trong giai đoạn 'slip' [14]. Ngồi ra có thể sử dụng các cơ cấu khớp mềm như hình 12.Sự co giãn của vật liệu áp điện làm cho thanh trượt dính và trượt đi một đoạn ∆s sự lặp lại của các bước này sẽ làm cơ cấu di chuyển.
Hình 21. Mơ hình Stick-slip actuator của Xu [15]
2.3.2. Một số các hiện tượng của cơ cấu Stick- Slip a. Hiện tượng chuyển vị đầu
Khi thiết bị hoạt động, tại vùng tiếp xúc ln có hai chế độ ma sát: chế độ
chuyển vị đầu, đơi khi cịn gọi là chế độ vi trượt, và chế độ trượt. Chế độ chuyển
vị đầu của tiếp xúc ma sát giữa hai bề mặt được mơ tả như hình dưới [16].
Hình 22. Biến dạng của các nhấp nhơ và chuyển vị đầu dưới tác dụng của ngoại lực
Khi tác dụng lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến lên hai vật để chúng tiếp xúc với nhau, luôn xuất hiện những tiếp xúc tế vi giữa các nhấp nhơ tại bề mặt tiếp xúc (Hình 22a). Ở chế độ ma sát chuyển vị đầu, lực giữ giữa các nhấp nhơ chiếm ưu
thế do vậy lực ma sát giống như một hàm của chuyển vị hơn là của vận tốc. Điều này là do các nhấp nhô biến dạng đàn hồi dẻo, phụ thuộc vào tải đặt lên từng cặp nhấp nhơ tiếp xúc, khiến chúng có ứng xử giống như các lị xo phi tuyến (hình 22b). Biến dạng đàn hồi gây ra dịch chuyển chuyển vị đầu, trong khi biến dạng dẻo gây ra ma sát tĩnh, khi lực tiếp tuyến Fe tăng đến một mức độ nào đó, các dịch chuyển chuyển vị đầu cũng sẽ tăng theo khiến cho các tiếp xúc nhấp nhơ bị phá vỡ, từ đó dẫn tới hiện tượng trượt hồn tồn. Sau đó ma sát sẽ chuyển sang chế độ trượt, lực ma sát trở thành hàm theo vận tốc. Tại thời điểm chuyển giữa hai chế độ ma sát, lực ma sát có giá trị Fba (còn gọi là lực tới hạn/break away force)- khi lực tiếp tuyến Fe lớn hơn Fba thì sẽ gây ra chế độ ma sát trượt; đồng thời, giá trị chuyển vị chuyển vị đầu tối đa trước khi các tiếp xúc nhấp nhô bị phá vỡ được gọi là khoảng tới hạn - zba
b. Hiện tượng biên độ 0
Cụm từ “Biên độ 0” biểu thị biên độ biến dạng nhỏ nhất của “Phần tử kích hoạt” (bằng vật liệu áp điện) mà khơng gây ra chuyển động cho “phần tử chấp hành”. Nói cách khác, dưới mức biên độ này, chuyển vị tương đối giữa hai phần tử không thể vượt qua được các biến dạng tiếp xúc mà phần tử chấp hành chỉ dao động quanh vị trí ban đầu do biến dạng đàn hồi của các nhấp nhơ bề mặt tại vùng tiếp xúc. Hình dưới mô tả chuyển vị của phần tử chấp hành với các giá trị biên độ kích hoạt khác nhau, từ đó cho ta thấy rõ hiện tượng biên độ 0.
Khi giá trị biên độ đạt tới 16nm, PTCH bắt đầu dịch chuyển, trong trường hợp này, Biên độ 0 có giá trị bằng 16nm. Giá trị biên độ liên quan tới mức điện áp cấp vào, vì vậy giá trị điện áp tương đương giá trị biên độ 0 được gọi là giá trị điện áp điều khiển tối thiểu. Hiểu biết về hiện tượng này giúp cải thiện và tối ưu hiệu suất của các thiết bị, ví dụ: tối thiểu hóa được biên độ 0 sẽ giúp giảm mức điện áp tối thiểu cấp vào, từ đó giảm bớt được chi phí liên quan tới vật tư [17].
c. Hiện tượng vi dao động
Hiện tượng vi dao động sau pha trượt cũng được giải thích qua chế độ ma sát chuyển vị đầu, sau khi kết thúc pha trượt, các liên kết giữa các nhấp nhơ được hình thành trở lại khi giá trị biên độ nhỏ hơn hoặc bằng biên độ 0. Do đó, ở pha dính, PTCH chuyển động dưới tác động của lực ma sát chuyển vị đầu. Do các tiếp xúc tế vi biến dạng đàn hồi, chúng ứng xử giống các lị xo có biến dạng ban đầu. Điều này khiến PTCH dao động như trong một hệ khối lượng-lò xo-cản. Các vi dao động này sẽ được dập tắt sau một khoản thời gian. Tuy nhiên nếu thiết bị hoạt động ở tần số cao, những vi dao động này có thể chưa được dập tắt hoàn toàn trước khi pha trượt tiếp theo bắt đầu. Điều này sẽ gây ra sự hỗn loạn trong chuyển vị của PTCH và hiệu suất thiết bị. Do vậy các phương pháp giảm vi dao động là vô cùng cân thiết. Trong thực tế, dao động của PTKH cũng góp phần gây ra vi dao động, nên nếu lựa chọn vật liệu cho PTKH có độ cứng cao hơn nhiều so với độ cứng của tiếp xúc, vi dao động sẽ chỉ bị gây ra bởi biến dạng đàn hồi tại các tiếp xúc là chủ yếu.
2.4. Tube actuators
Cơ cấu Tube actuators là cơ cấu thường có hình trụ gồm các tấm áp điện có điện cực hai phía khác nhaucó khả năng giãn dài theo trục thẳng đứng hay theo hướng tâm của trục áp điện [16]. Bộ kích hoạt ống Piezoceramic của dịng ống áp điện là bộ kích hoạt nguyên khối, co theo hướng tâm và dọc trục ngay khi đặt điện áp giữa điện cực bên trong và bên ngồi. Bộ kích hoạt ống Áp điện thường được sử dụng trong kính hiển vi đầu dị qt để cung cấp chuyển động quét động trong hoạt động vòng hở và làm bộ kéo giãn sợi. Hơn nữa chúng được sử dụng cho các nhiệm vụ định lượng nhỏ trong máy bơm nanoliter hoặc máy in phun.
Hình 24. Tube actuators
Thông thường, các hành động không chỉ giới hạn ở các hướng một chiều, và các đường chuyển động phức tạp liên quan đến nhiều bậc tự do được yêu cầu cho hầu hết các ứng dụng. Theo truyền thống, động cơ điện từ để tạo ra chuyển động nhiều bậc tự do, nhưng trong phạm vi hẹp và không gian hạn chế, một động cơ siêu âm sẽ cho thấy sự linh hoạt hơn để thiết kế các chuyển động đa bậc tự do [17]. Nhóm của Chen và cộng sự [18] đã báo cáo một vi động cơ siêu âm 2 mmbậc tự do
bao gồm một tinh thể đơn PIN-PMN-PT với các kích thướ 2 × 2 × 9 , như trong Hình 13A. Guo và cộng sự [19] tiếp tục đưa ra một siêu âm 3- DOF nhỏ động cơ có ống PZT đường kính ngồi 5, 1 và 15 mm, độ dày và chiều dài của tường, tương ứng. Hình 13B cho thấy cấu hình được thiết kế của động cơ siêu âm 3 bậc tự do. Takemura và cộng sự [20] thiết kế một động cơ khá phức tạp cấu trúc và đa bậc tự do, như trong Hình 17C.
Hình 25. Cơ cấu 2 bậc tự do, 3 bậc tự do, và toàn bậc do bằng vật liệu áp điện [18]
2.5. Bulk actuators
Các cơ chế khác có thể được sử dụng cho các thành phần hoạt động nhưng việc sử dụng bộ kích hoạt màng áp điện là rất phổ biến. Việc thiết lập thông thường của một bộ kích hoạt màng, trong đó tấm áp điện được phân cực theo chiều dày, sử dụng hiệu ứng áp điện ngang. Đặt điện áp điều khiển vào hai điện cực bề mặt trên mỗi mặt của màng áp điện dẫn đến biến dạng co lại trong mặt phẳng làm việc, vng góc với hướng phân cực, do hiệu ứng áp điện. Mặc dù thiết kế này thích hợp cho nhiều ứng dụng, nhưng hiệu ứng này là đẳng hướng trong mặt phẳng cơ cấu truyền động và không cho phép tách các biến dạng dọc và ngang, điều này có thể cần thiết cho một số ứng dụng. Hiệu ứng ngang cũng yếu hơn (khoảng 50%) so với hiệu ứng áp điện sơ cấp, xảy ra theo hướng phân cực. Có nhiều con đường
khác nhau đến thiết bị truyền động IDE áp điện, dựa trên màng áp điện số lượng lớn hoặc vật liệu composite với sợi áp điện. Cả hai khái niệm đều được trình bày sau đây.