A piezo meghajtás és amit tudni érdemes róla

Nem csak a földmérési eszközökben, hanem az Élet más területén is találkozhatunk a piezo technika gyakorlati alkalmazásával. Gondoljunk például a motorok fúvókáinak vezérlésére vagy a precíz orvosi eszközök finom mozgatására! Mind mögött ugyanaz a jelenség, a piezo mechanizmus bújik meg. Nem véletlen tehát, hogy a Leica Geosystems is ezt a korszerű technológiát kezdte alkalmazni a felsőkategóriás geodéziai mérőállomásaiban.

A piezo effektus egy nagyszerű fizikai folyamat, mely során mechanikus hatásra elektromágneses erő keletkezik. A jelenség inverzét felhasználva egyes anyagok árammal történő érintkezés következtében mozgásba lendülnek. Az áram hatására nyert – motor közbeiktatása nélkül keletkezett – mozgásenergia felhasználási területeinek potenciálja óriási.

A piezo-elektromosság felfedezése egy érdekes fizikai jelenséghez fűződik, mely feltehetőleg már az ókorban ismert lehetett Ázsiában, Európában pedig „Ceyloni mágnes” néven vált ismertté. Ceylon szigetén – a turmalin kristályok hazájában – figyelték meg ugyanis, hogy a tűz köré tett kristályok a hamuszemcséket, a száraz faleveleket, fűszálakat, magukhoz vonzották. Eleinte a jelenséget a mágnességgel azonosították, pedig valójában elektromos jellegű volt.

A kristálynál fellépő hatás, egy tipikus elektrosztatikus jelenség, mint amikor egy megdörzsölt fésűvel közelítünk kis papírdarabkákhoz, mely magához vonzza azokat. Ugyanez a hatás jelentkezik a „Ceyloni mágnes” esetében is. A melegítés hatására a turmalin-kristály elektromosan feltöltődik, emiatt a kristály egyik lapja pozitív, az átellenes felülete negatív töltésű lesz.

„A XIX. század utolsó évtizedeiben két fiatal francia fizikus, a Curie testvérpár, a 24 éves Jacques és a 21 éves Pierre, figyelmét felkeltette a turmalin–kristálynál tapasztalt piezo-elektromos jelenség. A Curie testvérek, mivel kristályfizikával foglalkoztak, jól ismerték a különböző piro-elektromos kristályok szerkezeti felépítését. A vizsgálataik során arra a megállapításra jutottak, hogy az ion-kristályok egy csoportjánál a melegítés során a kristályrács elemi cellájában olyan alakváltozás jön létre, amely elektromos polarizációt eredményez.” (Kovács Zoltán, 2007)

Lényegében a melegítés következtében a kristály egy sajátos alakváltozást szenved, ez eredményezi a kristály elektromos polarizációját. Jacques és Pierre Curie (1880) arra a gondolatra jutott, hogy a kristály megfelelő alakváltozását el lehet érni hő hatás nélkül is, például mechanikai hatással. Azt tapasztalták, hogy elő lehet idézni a kristály elektromos polarizációját, a kristályra megfelelő irányba gyakorolt nyomó- vagy húzóerővel. A Curie testvérek az általuk felfedezett jelenséget piezoelektromos hatásnak nevezték el.

A Leica Geosystems AG fejlesztőmérnökei ennek a nagyszerű fizikai folyamatnak fordítottját használták fel – először a Leica TS30 mérőállomásban, valamint napjainkban a TS60 és MS60-s szériákban – az ún. inverz piezo-hatást, mely összezsugorítja vagy megnyújtja a kristályos ásványokat azáltal, hogy elektromos potenciálnak teszik ki őket. Ma már a kristályos ásványok helyett kerámiákat alkalmazunk, mint mesterségesen előállítható piezo-elektromos anyagokat.

A kerámia lapmérete, geometriája megváltozik, melynek következtében erőhatás keletkezik. Az ásványok deformációja (méret és irány) függ a kristályos ásvány polarizációjától és az elektromos mező erősségétől. A váltakozó elektromos mező a kristályszerkezet ciklikus változását eredményezi. A ciklikus változások pedig felhasználhatók a működtetés indítószerkezeteként. A műszer direkt paránycsavarjaihoz egy-egy, az átmérő két ellentétes oldalán felszerelt piezo-elektromos kerámiadarabot erősítettek a kerámia körgyűrű gyorsításához és pontos mozgatásához. A kerámia körgyűrű – a rotor – hozzá van illesztve a vízszintes és állótengely forgó részeihez.

Így a piezo technológia lehetővé teszi a gyors és finom mozgatásokat, ugyanakkor jó gyorsulási képességet és alacsony energia felvételt garantál. Az egyes léptetések mértékei a nanométer tartományban helyezkednek el – ami már a méter milliárdodrésze (1×10⁻⁹ m)! A mozgó részek mozgásátviteli vezérlőinek szándékos kiküszöbölése finom mozgatást és nagy strapabírást kölcsönöz a paránycsavaroknak.

A piezo meghajtással ellátott mérőállomásokban nem használnak fogaskerekeket, így nem kell azok kopásától tartani. Mivel a direkt paránycsavarok nem fejlesztenek mágneses mezőt és az nem is hat rájuk, ezért ezek a műszerek korlátozás nélküli használhatók akár olyan, erős mágneses mezővel terhelt munkaterületeken is, mint pl. elektromos erőművek.

Elmondható, tehát hogy a technológia terepen a földmérőknek felméréskor extrém precíz irányzást tesz lehetővé, kitűzésnél pedig szélsőpontosságú ráállást biztosít. A nagy sebesség és gyorsulás olyan előny, mely a prizmakövetésnél mutatkozik meg igazán: a Leica MS60 – köszönhetően a piezo meghajtásnak és az ATRplus-nak – a „befogott” prizmát gyorsan és stabilan képes követni, így csökken a prizmakeresésre fordított idő, valamint olyan helyeken is képesek lehetünk robot (egyemberes) módban mérni, ahol korábban ez elképzelhetetlen volt.

Leica TS30 és MS60, mindkét műszer piezo meghajtással rendelkezik

Mivel a mozgatórendszer nyugalmi állapotban nem vesz fel áramot – azaz technológiából adódóan, az alhidádé és távcső helyzetének megtartása nem igényel energiát – így nem kell az akkumulátorok gyors lemerülésétől tartani.

Jó hír továbbá a felhasználónak, hogy ezek a műszerek mechanikailag szinte elnyűhetetlenek, részei nem igényelnek rendszeres karbantartást! Összefoglalva a piezo-elektromos vezérlésből adódó előnyöket:

• Nagy sebesség (200gon/s vagyis 180º/s) és nagyfokú gyorsulás (400gon/s² vagyis 360º/s²), mely a gyors irányzás mellett biztos és jó hatásfokú prizmakövetést tesz lehetővé, extrém mérési helyzetekben is.
• Nyugalmi állapotban nincs áramfelvétel. Kisméretű, belső akkumulátorokkal is magas üzemidő biztosított.
• Állja az erős igénybevételt. A folyamatos mérést megkövetelő projekteknél – pl mozgásvizsgálatoknál, monitoralkalmazásoknál –, nem kell a műszert időről-időre az állandó mozgás következtében jelentkező kopások miatt szervizelni.

Üdvözlettel,
Leica Geosystems
magyarországi csapata