Zasada, budowa i charakterystyka piezoelektrycznego siłownika ceramicznego PZT

Piezoelektryczny siłownik ceramiczny to urządzenie, które wykorzystuje odwrotny efekt piezoelektryczny ceramiki piezoelektrycznej do przyłożenia pola elektrycznego w odpowiednim kierunku ceramiki piezoelektrycznej w celu wytworzenia odpowiedniego przemieszczenia i siły. Po przyłożeniu napięcia do spolaryzowanej ceramiki piezoelektrycznej następuje jego wydłużenie w kierunku polaryzacji (efekt podłużny) i skrócenie w kierunku polaryzacji pionowej (efekt boczny). Piezoelektryczny siłownik ceramiczny jest typu laminowanego, wykorzystującego piezoelektryczne efekty wzdłużne, oraz typu zakrzywionego z podwójną membraną, wykorzystującego piezoelektryczne efekty poprzeczne.

Ponieważ siłownik piezoelektryczny jest urządzeniem do kontroli przemieszczenia i źródłem zasilania, zastosowany materiał musi być w stanie wygenerować duże odkształcenia i naprężenia pod niewielkim polem elektrycznym, a wydajność przetwarzania energii elektrycznej na energię mechaniczną jest wysoka, dlatego najważniejsze jest użycie Przetwornik piezoelektryczny z okrągłym dyskiem . Miękki materiał o dużej stałej d, np. rosnącym polu elektrycznym (około 1 MV/m), wytwarza duże odkształcenie (Δl/l około 10 -2 ) i naprężenie (około 9,8 MPa). Z drugiej strony zmienna odpowiedzi jest duża, a wymagania dotyczące wytrzymałości dielektrycznej i wytrzymałości mechanicznej są również wysokie. Obecnie materiały stosowane w piezoelektrycznych siłownikach ceramicznych to głównie piezoelektryczne materiały ceramiczne na bazie tytanianu cyrkonianu ołowiu (PZT).

3.1 Laminowany piezoelektryczny sterownik ceramiczny

Chociaż piezoelektryczny sterownik ceramiczny ma wyżej wymienione doskonałe parametry, ustawienie pętli sterującej jest trudne, ponieważ napięcie sterujące wynosi nawet 1 kV i więcej. Jeśli wiele warstw jest ułożonych równolegle, odległość między elektrodami wewnętrznymi może wynosić zaledwie około 10 μm. Napięcie sterujące można zmniejszyć do wartości poniżej 100 V. W przypadku odkształcenia spowodowanego piezoelektrycznym efektem wzdłużnym, ceramika piezoelektryczna ma odkształcenie około 0,3 μm, a wielowarstwowy laminat może odkształcić się o kilkadziesiąt mikrometrów.

3.2 ceramiczny przetwornik piezoelektryczny z podwójną membraną

Typ laminowany ma lepszą charakterystykę reakcji i siłę generującą, oraz Dysk piezoceramiczny z materiału PZT ma tę wadę, że wielkość przemieszczenia jest mała. Dlatego, aby uzyskać przemieszczenie kilkuset mikrometrów, konieczne jest zastosowanie gięcia z podwójną membraną. Gięcie z podwójną membraną polega na dociśnięciu do siebie dwóch materiałów ceramicznych piezoelektrycznych. Kiedy jeden element jest rozciągany, drugi jest skracany, a odkształcenie jest proporcjonalne do przyłożonego pola elektrycznego. Typ gięcia z podwójną membraną dzieli się na dwa typy: szeregowy i równoległy. porównywane są główne cechy obu. Z tabeli widać, że rodzaj gięcia równoległego piezoelektrycznego z podwójną membraną charakteryzuje się dużą wielkością przemieszczenia dla tego samego napięcia.

Wyższa wydajność piezoelektrycznego przetwornika ceramicznego 3.3

1) Stosując technikę laminowania grubowarstwowego, ciało stałe Piezoelektryczny kryształ dyskowy , który jest integralnie spiekany, otrzymuje się bez spoiwa.
2) Dzięki wprowadzeniu procesu IC i technologii izolacji elektrody wewnętrzne są zgodne z przekrojem elementu, a rozkład naprężeń jest równomierny, zwiększając w ten sposób granicę uszkodzeń.
3) Piezoelektryczna warstwa ceramiczna jest cieńsza, a podziałka elektrody może zostać zmniejszona do około 10 μm, co umożliwia sterowanie niskim napięciem.
4) Wprowadzenie technologii HIP (technologia spiekania izostatycznego na gorąco) może osiągnąć wysoką gęstość, a wytrzymałość mechaniczna jest zwiększona o około 30% w porównaniu ze zwykłymi korpusami spiekanymi.
5) Napęd napięciowy, brak szumów elektromagnetycznych.
6) Zmiana przemieszczenia w czasie, mały dryft i dobra stabilność temperaturowa) Może być produkowany masowo, a koszt jest niski w przypadku zastosowania piezoelektrycznego sterownika ceramicznego

4.1 Zastosowania mechaniczne

Uzyskano praktyczną głowicę drukującą do igłowej drukarki igłowej, będącą połączeniem laminowanego siłownika piezoelektrycznego i mechanizmu wzmacniającego przemieszczenie. Ta głowica drukarki ma napięcie zasilania 90 V, powiększenie przemieszczenia około 30 razy i przesunięcie końcówki około 600 μm. Może osiągnąć dużą prędkość drukowania wynoszącą 100 słów/s lub więcej, a także charakteryzuje się niskim zużyciem energii i niskim wytwarzaniem ciepła. Ponadto jest również stosowany w ultraprecyzyjnych urządzeniach pozycjonujących do produkcji półprzewodników i ultraprecyzyjnej obróbki. Przemieszczenie mieści się głównie w zakresie submikronowym. Biorąc pod uwagę histerezę i liniowość, należy zwrócić uwagę na sterowanie w pętli zamkniętej.

4.2 Zastosowanie we władzy

Zastosowania w jednostkach napędowych, takich jak wentylatory piezoelektryczne, zawory piezoelektryczne, pompy piezoelektryczne i silniki ultradźwiękowe, wynikają głównie z niskiego zużycia energii i precyzyjnego sterowania siłownikami piezoelektrycznymi. Przemieszczenie tych urządzeń musi wynosić kilkaset mikrometrów, często stosuje się rodzaj gięcia z podwójną membraną, a zawór piezoelektryczny stosowany do kontroli przepływu jest bliski praktyce.

4.3 Zastosowania optyczne

Obecnie szeroko stosowane są piezoelektryczne siłowniki ceramiczne w nowych dziedzinach, takich jak systemy komunikacji optycznej, takie jak określanie najmniejszego położenia zwierciadła lasera, światłowodowy łącznik dokujący i kontroler polaryzacji światłowodu.

4.4 Zastosowanie w czujnikach

W porównaniu z ogólnym czujnikiem ciśnienia, laminowany siłownik piezoelektryczny może uzyskać duże napięcie wyjściowe przy małym ciśnieniu, dzięki czemu może być stosowany jako bardzo czuły czujnik ciśnienia i czujnik przyspieszenia.