Principe, structuur en kenmerken van PZT piëzo-elektrische keramische actuator

Een piëzo-elektrische keramische actuator is een apparaat dat gebruik maakt van het omgekeerde piëzo-elektrische effect van piëzo-elektrische keramiek om een ​​elektrisch veld in een geschikte richting van het piëzo-elektrische keramiek aan te leggen om een ​​overeenkomstige verplaatsing en kracht te genereren. Wanneer een spanning wordt aangelegd op het gepolariseerde piëzo-elektrische keramiek, wordt deze verlengd in de polarisatierichting (longitudinaal effect) en verkort in de verticale polarisatierichting (lateraal effect). De piëzo-elektrische keramische actuator heeft een gelamineerd type dat gebruik maakt van piëzo-elektrische longitudinale effecten en een gebogen type met dubbel diafragma dat gebruik maakt van piëzo-elektrische transversale effecten.

Omdat de piëzo-elektrische actuator een apparaat is voor verplaatsingsregeling en krachtbron, moet het gebruikte materiaal grote spanningen en spanningen kunnen genereren onder een klein elektrisch veld, en de efficiëntie van het omzetten van elektrische energie in mechanische energie is hoog, dus het belangrijkste is om te gebruiken piëzo-ronde schijftransducer . Een zacht materiaal met een grote constante d, zo'n toenemend elektrisch veld (ongeveer 1 MV/m), produceert een grote rek (Δl/l ongeveer 10-2) en een spanning (ongeveer 9,8 MPa). Aan de andere kant is de responsvariabele groot en zijn de vereisten voor diëlektrische sterkte en mechanische sterkte ook hoog. Momenteel zijn de materialen die worden gebruikt in piëzo-elektrische keramische actuatoren voornamelijk piëzo-elektrische keramische materialen op basis van loodzirkonaattitanaat (PZT).

3.1 Gelamineerde piëzo-elektrische keramische driver

Hoewel de piëzo-elektrische keramische driver de bovengenoemde uitstekende prestaties levert, is het moeilijk om de regellus in te stellen, omdat de stuurspanning zo hoog is als 1 kV of meer. Als meerdere lagen parallel worden gestapeld, kan de afstand tussen de interne elektroden slechts ongeveer 10 μm bedragen. De aandrijfspanning kan worden verlaagd tot minder dan 100 V. Voor de vervorming veroorzaakt door het piëzo-elektrische longitudinale effect heeft piëzo-keramiek een vervorming van ongeveer 0,3 μm, en een meerlaags laminaat kan met enkele tientallen micrometers worden vervormd.

3.2 piëzo-elektrische keramische driver met dubbel diafragma

Het gelamineerde type is superieur wat betreft responseigenschappen en het genereren van kracht, en Een piëzo-keramische schijf van PZT-materiaal heeft het nadeel dat de verplaatsingshoeveelheid klein is. Om een ​​verplaatsing van enkele honderden micrometers te verkrijgen, is het daarom noodzakelijk een dubbelmembraanbuigtype te gebruiken. Bij het dubbelmembraanbuigtype worden twee piëzo-elektrische keramieken tegen elkaar gedrukt. Wanneer het ene stuk wordt uitgerekt, wordt het andere stuk ingekort en is de vervorming evenredig met het aangelegde elektrische veld. Het dubbelmembraanbuigtype is verdeeld in twee typen: serie en parallel. de belangrijkste kenmerken van de twee worden vergeleken. Uit de tabel blijkt dat het parallelle piëzo-elektrische dubbelmembraanbuigtype een grote verplaatsingshoeveelheid heeft voor dezelfde spanning.

3.3 piëzo-elektrische keramische driverprestatiesuperioriteit

1) Met behulp van een dikke-filmlamineringstechniek wordt een vaste stof verkregen piëzo-elektrisch schijfkristal dat integraal gesinterd is, wordt verkregen zonder bindmiddel.
2) Door het IC-proces en de isolatietechnologie te introduceren, zijn de interne elektroden in lijn met de dwarsdoorsnede van de component en is de spanningsverdeling uniform, waardoor de schadelimiet wordt vergroot.
3) De piëzo-elektrische keramische laag wordt verdund en de elektrodeafstand kan worden teruggebracht tot ongeveer 10 μm, waardoor aansturing op lage spanning mogelijk wordt.
4) De introductie van HIP-technologie (isostatische heetpersingssintertechnologie) kan een hoge dichtheid bereiken en de mechanische sterkte wordt met ongeveer 30% verhoogd in vergelijking met gewone gesinterde lichamen.
5) Spanningsaandrijving, geen elektromagnetische ruis.
6) De verandering van verplaatsing in de loop van de tijd, kleine drift en goede temperatuurstabiliteit) Het kan in massa worden geproduceerd en de kosten zijn laag voor piëzo-elektrische keramische drivertoepassingen

4.1 Mechanische toepassingen

Er is een praktische printkop voor een impact-dot-matrixprinter verkregen die een combinatie is van een gelamineerde piëzo-elektrische actuator en een verplaatsingsversterkingsmechanisme. Deze printerkop heeft een voedingsspanning van 90 V, een verplaatsingsvergroting van ongeveer 30 keer en een terminalverplaatsing van ongeveer 600 μm. Het kan printprestaties op hoge snelheid van 100 woorden/s of meer bereiken, heeft een laag stroomverbruik en een lage warmteontwikkeling. Bovendien wordt het ook gebruikt in ultraprecieze positioneringsapparatuur voor de productie van halfgeleiders en ultraprecieze bewerking. De verplaatsing ligt meestal in het submicronbereik. Met het oog op hysteresis en lineariteit moet aandacht worden besteed aan gesloten-lusregeling.

4.2 Toepassing in de macht

Toepassingen in krachtbronnen zoals piëzo-elektrische ventilatoren, piëzo-elektrische kleppen, piëzo-elektrische pompen en ultrasone motoren zijn voornamelijk te danken aan het lage energieverbruik en de nauwkeurige regeling van piëzo-elektrische actuatoren. De verplaatsing van deze apparaten moet enkele honderden micrometers bedragen, en vaak wordt het dubbelmembraanbuigtype gebruikt, en de piëzo-elektrische klep die wordt gebruikt voor stroomregeling is bijna praktisch.

4.3 Optische toepassingen

Momenteel wordt de toepassing van piëzo-elektrische keramische actuatoren op nieuwe gebieden zoals optische communicatiesystemen, zoals de bepaling van de kleine positie van de laserspiegel, de glasvezel-dockingkoppeling en de vezelpolarisatiecontroller, op grote schaal uitgevoerd.

4.4 Toepassing in sensoren

Vergeleken met een algemene druksensor kan een gelamineerde piëzo-elektrische actuator met een kleine druk een grote uitgangsspanning verkrijgen en dus worden gebruikt als een zeer gevoelige druksensor en een versnellingssensor.