Принцип, будова та характеристики п’єзоелектричного керамічного приводу PZT

П’єзоелектричний керамічний актуатор — це пристрій, який використовує зворотний п’єзоелектричний ефект п’єзоелектричної кераміки для застосування електричного поля у відповідному напрямку п’єзоелектричної кераміки для створення відповідного зміщення та сили. Коли до поляризованої п’єзоелектричної кераміки подається напруга, вона подовжується в напрямку поляризації (поздовжній ефект) і вкорочується у напрямку вертикальної поляризації (латеральний ефект). П’єзоелектричний керамічний привод має ламінований тип із використанням п’єзоелектричних поздовжніх ефектів і вигнутий тип подвійної діафрагми з використанням п’єзоелектричних поперечних ефектів.

Оскільки п’єзоелектричний привід є пристроєм для контролю переміщення та джерелом живлення, використовуваний матеріал повинен бути здатний генерувати велику деформацію та напругу під невеликим електричним полем, а ефективність перетворення електричної енергії в механічну енергію є високою, тому найважливішим є використання П'єзокруглий дисковий перетворювач . М’який матеріал з великою константою d, таким як зростаюче електричне поле (приблизно 1 МВ/м), створює велику деформацію (Δl/l приблизно 10 -2 ) і напругу (приблизно 9,8 МПа). З іншого боку, змінна відповіді велика, а вимоги до діелектричної міцності та механічної міцності також високі. В даний час матеріали, що використовуються в п'єзоелектричних керамічних приводах, - це в основному п'єзоелектричні керамічні матеріали на основі титанату цирконата свинцю (PZT).

3.1 Ламінований п'єзоелектричний керамічний драйвер

Незважаючи на те, що п’єзоелектричний керамічний драйвер має згадану вище відмінну продуктивність, важко налаштувати контур керування, оскільки напруга керування досягає 1 кВ або більше. Якщо кілька шарів укладають паралельно, відстань між внутрішніми електродами може становити приблизно 10 мкм. Напругу керування можна зменшити до рівня менше 100 В. Для деформації, спричиненої п’єзоелектричним поздовжнім ефектом, п’єзокераміка має деформацію приблизно 0,3 мкм, а багатошаровий ламінат може бути деформований на кілька десятків мікрометрів.

3.2 П'єзоелектричний керамічний драйвер з подвійною діафрагмою

Ламінований тип є кращим за характеристиками відгуку та генеруючої сили П'єзокерамічний диск із PZT-матеріалу має недолік у тому, що величина зміщення невелика. Тому, щоб отримати зміщення в кілька сотень мікрометрів, необхідно використовувати подвійний тип вигину діафрагми. Тип згинання подвійної діафрагми полягає в тому, щоб стиснути дві п’єзоелектричні кераміки разом. Коли один шматок розтягується, інший шматок вкорочується, і деформація пропорційна прикладеному електричному полю. Тип згинання подвійної діафрагми ділиться на два види: послідовний і паралельний. порівнюються основні риси обох. З таблиці видно, що паралельний п’єзоелектричний тип вигину подвійної діафрагми має велику величину зміщення для тієї самої напруги.

3.3 п'єзоелектричний керамічний драйвер

1) Використовуючи техніку ламінування товстої плівки, тверда речовина П'єзоелектричний дисковий кристал , який цілісно спечений, отримують без сполучного.
2) Завдяки впровадженню процесу IC та технології ізоляції внутрішні електроди відповідають поперечному перерізу компонента, а розподіл напруги є рівномірним, що підвищує межу пошкодження.
3) Шар п’єзоелектричної кераміки тонший, а крок електродів можна зменшити приблизно до 10 мкм, що забезпечує керування низькою напругою.
4) Впровадження технології HIP (технологія спікання ізостатичного гарячого пресування) дозволяє досягти високої щільності, а механічна міцність збільшується приблизно на 30% порівняно зі звичайними спеченими тілами.
5) Привід напруги, відсутність електромагнітного шуму.
6) Зміна переміщення з часом, невеликий дрейф і хороша температурна стабільність) Його можна масово виробляти, а вартість застосування п'єзоелектричного керамічного драйвера низька

4.1 Механічні застосування

Отримано практичну друкуючу головку для ударного матричного принтера, яка являє собою комбінацію ламінованого п’єзоелектричного приводу та механізму посилення переміщення. Ця головка принтера має напругу живлення 90 В, збільшення зміщення приблизно в 30 разів і зміщення клеми приблизно 600 мкм. Він може досягати високошвидкісного друку 100 слів/с або більше, а також має низьке енергоспоживання та низьке тепловиділення. Крім того, він також використовується в надточних пристроях позиціонування для виробництва напівпровідників і надточної обробки. Зміщення в основному в субмікронному діапазоні. Враховуючи гістерезис і лінійність, слід звернути увагу на замкнутий контур керування.

4.2 Застосування в потужності

Застосування в таких силових агрегатах, як п’єзоелектричні вентилятори, п’єзоелектричні клапани, п’єзоелектричні насоси та ультразвукові двигуни, головним чином пов’язано з низьким енергоспоживанням і точним керуванням п’єзоелектричними приводами. Переміщення цих пристроїв має становити кілька сотень мікрометрів, і часто використовується тип вигину подвійної діафрагми, а п’єзоелектричний клапан, який використовується для регулювання потоку, близький до практичного.

4.3 Оптичні програми

В даний час застосування п'єзоелектричних керамічних актуаторів в нових областях, таких як оптичні системи зв'язку, такі як визначення крихітного положення лазерного дзеркала, волоконно-оптичний док-стикувальний пристрій і контролер поляризації волокна, широко проводяться.

4.4 Застосування в датчиках

Порівняно зі звичайним датчиком тиску, ламінований п’єзоелектричний привод може отримати велику вихідну напругу з невеликим тиском і, таким чином, може використовуватися як високочутливий датчик тиску та датчик прискорення.