piezoelectric actuator (multilayer piezoelectric ceramic)

Многослойные пьезоэлектрические актуаторы: принцип работы и применение

Пьезоэлектрические актуаторы являются неотъемлемой частью многих промышленных устройств и датчиков в самых разных областях применения. Среди них многослойный пьезоэлектрический актуатор (многослойная пьезокерамика) добился значительного прогресса. Эта статья подробно расскажет о пьезоэлектрических актуаторах и поможет выбрать подходящую модель.

1. Что такое пьезоэлектрический актуатор

Пьезоэлектрический актуатор — это преобразователь, основанный на пьезоэффекте, который преобразует электрическую энергию в механическое перемещение или усилие, и наоборот. Они широко используются как высокоточные позиционирующие механизмы, поскольку позволяют управлять малыми механическими перемещениями на высоких скоростях и обладают преимуществами: высокое усилие, стабильное перемещение и простота использования.

2. Классификация пьезоэлектрических актуаторов

Пьезоактуаторы бывают разных типов:

• Пьезостэки (многослойная пьезокерамика)
• Полосовые актуаторы (изгибающие актуаторы)
• Продольные актуаторы
• Сдвиговые актуаторы
• Трубчатые актуаторы
• Актуаторы сжатия

3. Что такое многослойный пьезоактуатор?

Многослойные пьезоактуаторы обеспечивают малое перемещение с высоким блокирующим усилием. В зависимости от требований конструкции, они могут быть кофайрными или дискретными. Дискретные актуаторы (высоковольтные) имеют композитную структуру, образованную склеиванием готовых пьезокерамических колец или дисков с металлическими электродными фольгами. Обычно диапазон рабочего напряжения составляет от 500 до 1000 вольт.

Кофайрные актуаторы (многослойные), также известные как монолитные стэки, не используют клей. Они создаются путем высокотемпературного спекания цельного стека электродов и керамики с рабочими напряжениями до 200 вольт. Оба типа можно защитить от экстремальных сред и механических нагрузок с помощью покрытий или корпусов из нержавеющей стали.

4. Что такое полосовой актуатор?

Полосовой актуатор, также известный как изгибающий, используется для создания значительного механического отклонения в ответ на электрические сигналы. По сравнению со стековыми актуаторами, это отклонение обеспечивает большое перемещение при минимальном блокирующем усилии.

Этот тип актуатора использует два соединенных тонких пьезокерамических слоя. Они обычно соединены электрически параллельно и совпадают по направлению поляризации. При подаче электрического сигнала один слой сжимается, а другой расширяется, вызывая изгиб актуатора.

5. Что такое продольный актуатор?

Продольные актуаторы, также называемые пьезостэками, формируются путем stacking множества пьезоэлементов друг на друге, так что эффект расширения каждого элемента создает полезное усилие и движение. Эти актуаторы используют пьезоэффект для создания линейного перемещения, которое составляет 0.1-0.15% от длины актуатора. Они имеют высокую плотность мощности, typically в диапазоне 30 Н/мм², и высокую резонансную частоту, что позволяет использовать их в динамических applications.

6. Что такое сдвиговый актуатор?

Эти актуаторы родственны продольным, так как имеют multiple слои пьезоэлементов, но отличаются способом приложения напряжения и типом создаваемого движения. В сдвиговых актуаторах различные элементы поляризованы горизонтально, а электрическое поле прикладывается ортогонально.

Перемещение происходит в горизонтальной плоскости, создавая сдвиговое движение. Эти актуаторы ограничены по высоте due to изгиба и сдвиговых напряжений, хотя часто комбинируются с продольными в multi-axis системах.

7. Что такое трубчатый актуатор?

Трубчатый актуатор включает радиальную поляризацию и использует поперечный пьезоэффект для генерации перемещения. Эти актуаторы испытывают радиальное, осевое или поперечное движение в зависимости от приложенного к электродам напряжения. Они не подходят для генерации усилия, но обеспечивают перемещение на уровне микронов для such applications как накачка, нанопозиционирование и сканирующая микроскопия.

8. Что такое актуатор сжатия?

Плоский актуатор с двумя взаимодействующими пьезоэлементами может создавать движение сжатия. Эти актуаторы используют поперечный пьезоэффект для генерации движения только в одном направлении. Перемещение актуатора сжатия мало, до 20 микрометров, но он может создавать усилие в 100 Ньютонов. При установке на подложку такой актуатор может создавать изгиб: приложенное напряжение заставляет один элемент расширяться, а другой сжиматься.

9. Принцип работы многослойных пьезоактуаторов

При stacking пьезоэлементов величина перемещения усиливается в зависимости от количества элементов в стеке. Перемещение пропорционально высоте стека. Наиболее распространенный актуатор рассчитан на 150 вольт. Более высокие напряжения приводят к большему перемещению. Однако высокие напряжения требуют хорошей изоляции, и использование напряжения выше указанного не повысит производительность, а может повредить оборудование.

Многослойные пьезоактуаторы особенно полезны, так как генерируют большие усилия, а перемещение почти линейно зависит от напряжения. Поэтому высокое усилие не влияет на точность. Большое усилие и малое перемещение позволяют достичь очень точного движения с нанометровой точностью. Усилие является функцией размера стека и пропорционально площади его поперечного сечения.

10. Как выбрать многослойный пьезоактуатор

Перемещение

Каждый пьезоэлемент в актуаторе имеет alternating полярность, и электрическое поле прикладывается parallel к направлению поляризации. При подаче напряжения в направлении поляризации возникает деформация или перемещение. Перемещение элемента равно приложенному напряжению, умноженному на пьезо coefficient (d33, related к эффективности преобразования энергии). Поскольку элементы соединены mechanically последовательно, общее перемещение стека равно перемещению одного элемента, умноженному на их количество.

Общее перемещение typically составляет от 0.1% до 0.15% от длины актуатора.

Напряжение и электрическое поле

Многослойные пьезоактуаторы typically categorized как низковольтные (менее 200 В) или высоковольтные (до 1000 В), что refers к максимальному входному напряжению для максимального хода. Допустимый размер напряжения depends от материала и толщины каждого элемента.

Следовательно, электрическое поле increases с уменьшением толщины слоя. Similarly, для заданного поля driving напряжение должно decrease с уменьшением толщины слоя.

Усилие и жесткость

Жесткость актуатора significantly влияет на генерацию усилия и определяется модулем упругости пьезокерамики, площадью поперечного сечения и длиной актуатора. Несмотря на малые размеры, плотность усилия составляет within 30 Н/мм², позволяя генерировать десятки тысяч Ньютонов полезного усилия. Важно отметить, что в steady-state режиме (без движения, constant усилие) не требуется ток или питание. Актуаторы также сохраняют положение при выключенном питании и не generate тепло.

Прочность на растяжение и предварительная нагрузка

Многослойные актуаторы typically испытывают как сжимающие, так и растягивающие усилия, especially during динамичного движения. Прочность на растяжение depends от метода stacking элементов и typically на порядок ниже прочности на сжатие. Предварительная нагрузка на актуатор больше приложенного растягивающего усилия ensures, что актуатор always remains в сжатии и может работать в высокодинамичных bidirectional applications. Успешная интеграция requires, чтобы приложенная сила была only осевой и сжимающей. Производители typically предлагают различные варианты крепления для предотвращения изгиба, сдвига или кручения.

11. Применение многослойных пьезоактуаторов

Применение многослойных пьезоактуаторов extremely широко, почти безгранично. Они widely used и preferred для механических операций на наноуровне для достижения высоких усилий и extremely точных малых перемещений. Потребительская электроника, промышленность, автомобилестроение, медицина и аэрокосмическая отрасль use пьезоактуаторы для precise и durable результатов.

Микроскопы и телескопы use пьезоактуаторы для очень тонких регулировок. Многие медицинские инструменты, such as ультразвуковые устройства и оптические считыватели, also use их в производстве.

Пьезоактуаторы для автомобилей used в самых разных компонентах. Микрорегулировки used для позиционирования отражателей и линз. Усилие, generated пьезостэками, also used для triggering гидравлических клапанов, топливных инжекторов и насосов, позволяя им открываться и закрываться faster традиционных методов и обеспечивая more precise контроль количества масла или топлива.

Промышленные применения include инструменты, requiring точное движение. Лазерная регулировка, лабораторное оборудование (пипетки и насосы) и полупроводниковые машины use пьезоактуаторы для нанометрового позиционирования. Another common применение — активное подавление вибраций в ветряных турбинах, моторах и другом vibration-sensitive оборудовании. Пьезостэки подавляют нежелательные вибрации, generating противоположное движение. Струйные принтеры also rely на пьезоэффект для инициации печати: при подаче напряжения актуатор generates достаточно энергии для печати.

12. Тенденции в развитии пьезоэлектрических актуаторов

Пьезоэлектрические актуаторы формируют новое направление на стыке электроники и структурной керамики. Области применения делятся на три категории: позиционеры, двигатели и подавители вибраций. Точность изготовления оптических приборов, таких как лазеры и камеры, а также точность позиционирования в производстве полупроводниковых чипов обеспечивается твердотельными актуаторами, достигая точности в 0,1 мкм. Для традиционных электромагнитных двигателей, миниатюрные двигатели размером менее 1 см, обычно требуемые для офисной или заводской автоматизации, сложно производить с достаточной эффективностью. Ультразвуковые двигатели, нечувствительные к размеру и обладающие хорошей энергоэффективностью, демонстрируют отличные результаты в области микродвигателей. Использование пьезоактуаторов для подавления вибраций в космических конструкциях и военной технике также является перспективной технологией.