Princip, struktura a vlastnosti piezoelektrického keramického aktuátoru PZT

Piezoelektrický keramický aktuátor je zařízení, které využívá inverzní piezoelektrický efekt piezoelektrické keramiky k aplikaci elektrického pole ve vhodném směru piezoelektrické keramiky pro vytvoření odpovídajícího posunutí a síly. Když se na polarizovanou piezoelektrickou keramiku přivede napětí, dojde k jejímu prodloužení ve směru polarizace (podélný efekt) a zkrácení ve směru vertikální polarizace (laterální efekt). Piezoelektrický keramický aktuátor má vrstvený typ využívající piezoelektrické podélné efekty a zakřivený typ s dvojitou membránou využívající piezoelektrické příčné efekty.

Vzhledem k tomu, že piezoelektrický aktuátor je zařízení pro řízení posuvu a zdroj energie, použitý materiál musí být schopen vytvářet velké napětí a napětí pod malým elektrickým polem a účinnost přeměny elektrické energie na mechanickou je vysoká, takže nejdůležitější je použít piezo kulatý kotoučový měnič . Měkký materiál s velkou konstantou d, takové rostoucí elektrické pole (asi 1 MV/m), vytváří velké napětí (Al/l asi 10-2) a napětí (asi 9,8 MPa). Na druhé straně je proměnná odezvy velká a požadavky na dielektrickou pevnost a mechanickou pevnost jsou také vysoké. V současnosti jsou materiály používané v piezoelektrických keramických aktuátorech převážně piezoelektrické keramické materiály na bázi zirkoničitanu titaničitého (PZT).

3.1 Laminovaný piezoelektrický keramický budič

Přestože piezoelektrický keramický budič má výše zmíněný vynikající výkon, je obtížné nastavit regulační smyčku, protože budicí napětí je až 1 kV nebo více. Pokud je více vrstev naskládáno paralelně, může být vzdálenost mezi vnitřními elektrodami jen asi 10 μm. Napájecí napětí lze snížit na méně než 100V. Pro deformaci způsobenou piezoelektrickým podélným jevem má piezokeramika deformaci asi 0,3 μm a vícevrstvý laminát může být deformován o několik desítek mikrometrů.

3.2 piezoelektrický keramický budič s dvojitou membránou

Laminovaný typ je lepší v charakteristikách odezvy a generování síly a Piezokeramický disk z materiálu PZT má nevýhodu v tom, že velikost posunu je malá. Proto, aby bylo dosaženo posunu několika set mikrometrů, je nutné použít typ ohýbání dvojité membrány. Typ ohýbání dvojité membrány je stlačit dvě piezoelektrické keramiky k sobě. Když je jeden kus natažen, druhý kus je zkrácen a deformace je úměrná použitému elektrickému poli. Typ ohýbání dvojité membrány se dělí na dva typy: sériové a paralelní. hlavní rysy obou jsou porovnány. Z tabulky je patrné, že typ paralelního piezoelektrického ohýbání dvojité membrány má při stejném napětí velký posun.

3.3 piezoelektrický keramický výkon měniče

1) Pomocí techniky laminace tlustým filmem pevná látka krystal piezoelektrického disku , který je integrálně slinutý, se získá bez pojiva.
2) Zavedením procesu IC a izolační technologie jsou vnitřní elektrody v souladu s průřezem součásti a rozložení napětí je rovnoměrné, čímž se zvyšuje mez poškození.
3) Piezoelektrická keramická vrstva je ztenčená a rozteč elektrod může být snížena na přibližně 10 μm, což umožňuje nízkonapěťové řízení.
4) Zavedení technologie HIP (technologie sintrování izostatickým lisováním za tepla) může dosáhnout vysoké hustoty a mechanická pevnost se zvýší asi o 30% ve srovnání s běžnými slinutými tělesy.
5) Napěťový pohon, žádný elektromagnetický šum.
6) Změna posunu v průběhu času, malý posun a dobrá teplotní stabilita) Může být hromadně vyráběn a náklady jsou nízké pro aplikaci piezoelektrického keramického ovladače

4.1 Mechanické aplikace

Byla získána praktická tisková hlava pro impaktní jehličkovou tiskárnu, která je kombinací vrstveného piezoelektrického ovladače a mechanismu pro zesílení posunu. Tato tisková hlava má napájecí napětí 90 V, zvětšení výtlaku asi 30krát a posunutí svorek asi 600 μm. Může dosáhnout vysokorychlostního tiskového výkonu 100 slov/s nebo více a má nízkou spotřebu energie a nízkou tvorbu tepla. Kromě toho se také používá v ultra-přesných polohovacích zařízeních pro výrobu polovodičů a ultra-přesné obrábění. Posun je většinou v submikronovém rozsahu. S ohledem na hysterezi a linearitu je třeba věnovat pozornost řízení v uzavřené smyčce.

4.2 Aplikace v moci

Aplikace v pohonných jednotkách, jako jsou piezoelektrické ventilátory, piezoelektrické ventily, piezoelektrická čerpadla a ultrazvukové motory, jsou způsobeny především nízkou spotřebou energie a přesným ovládáním piezoelektrických aktuátorů. Zdvih těchto zařízení musí být několik set mikrometrů a často se používá typ ohýbání dvojité membrány a piezoelektrický ventil používaný pro řízení průtoku je téměř praktický.

4.3 Optické aplikace

V současné době se široce uplatňuje aplikace piezoelektrických keramických aktuátorů v nových oblastech, jako jsou optické komunikační systémy, jako je určování malé polohy laserového zrcadla, dokovací spojka pro optické vlákno a regulátor polarizace vlákna.

4.4 Aplikace v senzorech

Ve srovnání s obecným tlakovým senzorem může laminovaný piezoelektrický aktuátor získat velké výstupní napětí s malým tlakem, a proto může být použit jako vysoce citlivý tlakový senzor a senzor zrychlení.