V ビーム アクチュエータの電気熱機械モデリング

序章

微小電気機械システム (MEMS) デバイスは、作動源に基づいて、静電、電磁気、圧電、電熱の 4 つの主なタイプに分類できます。

電熱作動は、ジュール加熱によって引き起こされる熱膨張に基づいています。これは、アクチュエータのビームに電流を流して抵抗加熱を引き起こすことによって実現できます。

電熱アクチュエータは、調整可能な平行板コンデンサ、光変調器、RF MEMS スイッチ、マイクロ操作など、電気入力を機械出力に変換する必要がある多くの応用で役立ちます。これらのアクチュエータは、コンパクトさ、安定性、および低作動電圧下で生成される大きな力を特徴としています。

図 1 -電熱アクチュエータ [1]。

問題の説明

V ビーム電熱アクチュエータの熱的および機械的挙動を検討するために、熱構造解析に連成された静的磁場解析が実行されます。検討対象のモデルは、 各ビームの長さ 26.4 mm、幅 1 mm の 3 組のビームに取り付けられた mm シャトル。梁は、それぞれ幅 6 mm、長さ 30 mm の 2 つのアンカーに取り付けられています。

Z 軸に沿ったサーマル アクチュエータ全体の厚さは 1 mm です。

図 2 - a) V ビーム熱アクチュエータの図面 b) 熱アクチュエータの 3D モデル。

解析設定

EMS の静磁モジュールは、定常状態の熱解析と構造解析に結合されており、温度分布とシャトルの変位を計算して視覚化するために使用されます。

EMS を使用して分析を実行するには、まず、すべての固体に対して適切な材料が選択されます。次に、必要な電磁入力が定義されます。第三に、必要な熱入力が適用されます。次に、構造境界条件が適用され、最後にモデル全体がメッシュ化され、ソルバーが起動されます。

材料

このケース スタディでは、次の材料特性が使用されます (表 1)。

表 1 -材料特性。

部品	密度 （Kg/ )	相対透磁率	電気伝導性 (S/m)	比熱容量 (J/kg.K)	熱伝導率 (W/m.K)	弾性率 (パ)	ポアソン比	熱膨張係数 (1/K)
アルミニウム	2700	1	3.57 E+07	910	235	71 E+09	0.36	23.1 E-06
空気	0	1	0	1000	0.024	不要

電磁入力:

図 3 -印加電流入力。

熱入力:

周囲空気の熱対流は、次のように指定されます。

1. 解析の初期 (周囲) 温度は 303.15 K に設定されています。
2. 周囲空気の対流係数は 15 W/m2K に設定されています。

機械的境界条件:

図 4 に示すように、熱アクチュエータの両方のアンカーに固定境界条件が適用されます。

図 4 -適用された機械的境界条件。

メッシュ生成:

図 5 に示すように、最大温度と変位が予想されるシャトルと 6 つのビームにメッシュ コントロールが適用されます。

図 5 -モデルのメッシュ。

結果

EMS は、結果を 3D プロットおよび曲線として視覚化する可能性を提供します。これらの結果には、印加電流密度、温度および熱流束分布、機械的変位、応力などが含まれます。

表 2 は、解析結果と比較して EMS によって計算された、解析された V ビーム熱アクチュエータの DC 抵抗を示しています。

表 2 - 分析値と比較した熱アクチュエータの抵抗。

	EMS	分析（参照）
電気抵抗 ( )	5.59 E-04	5.73 E-04

[1]


[1]

[1]

I=40 A (電流強度)

Ra =4.96E-04 （耐周囲温度）

Ac =1553.6 m (対流域)

hc=15 W/ .K(対流熱伝達係数)

k=3.9.10-3 1/℃（温度係数）

図 6 -適用された電流密度のプロット。

図 6 は、V ビーム熱アクチュエータの電流密度分布を示しています。

図 7 -温度分布のプロット。

図 7 は、最大値 63.8 °C を達成する V ビーム サーマル アクチュエータの温度分布を示しています。

図 8 - Y 変位プロットのプロット。

この場所に電流が集中しているため、ビームには最高温度 63.8 °C が発生します。変位の場合、シャトルは Y 軸に沿って 0.163 mm の最大機械的たわみを経験します。

表 3 は、EMS と参照の間の温度と変位の相関を示しています。

表 3: EMS と参考文献 [1] の比較表。

結論

この解析は、アクチュエータに電流を流したときのアクチュエータの熱的および機械的応答の正確な検討を提供しました。実際、マイクロアクチュエータは、エネルギーを微動を生成できるアクションに変換するデバイスです。微動は、MEMS 内の要素を配置するために使用されます。

EMS解析ソフトウェアを使用して得られた、V ビーム電熱アクチュエータの動作の数値解析結果は、参考文献 [1] とよく一致することがわかりました。

参考文献

[1]. Radu-Stefan Chiorean, “Electro-Thermo-Mechanical Modeling of V-beam Actuator”,8th international conference interdisciplinarity in engineering INTER-ENG 2014,9-10 october 2014, Tirgu-Mures, Romania.