Пьезодвигатели основаны на пьезоматериалах, представляющих собой керамику, которая меняет форму при воздействии электрического поля, создавая вибрации, вызывающие движение — линейное или вращательное. (И наоборот, пьезоматериалы также могут вырабатывать электричество при механической нагрузке.)Существует несколько принципов, по которым могут работать пьезодвигатели, наиболее распространенными из которых являются использование ультразвуковых колебаний, эффект “прилипания-скольжения” (также называемый инерционными пьезодвигателями) или шагание, которое предполагает комбинирование нескольких пьезоэлементов для получения «шагающего» движения.

Большинству инженеров и дизайнеров, когда они думают о пьезодвигателях, в первую очередь приходят на ум преимущества небольшого размера и высокого разрешения. Но пьезодвигатели также обладают значительным соотношением мощности и габаритов, обеспечивая очень высокий крутящий момент или усилие при своих компактных размерах. Это делает их хорошо подходящими для применения в аэрокосмической промышленности и производстве потребительских товаров, где требуются большие усилия, но пространство имеет первостепенное значение.Благодаря своей низкой инерции пьезодвигатели демонстрируют очень быстрое время отклика, что позволяет быстро запускать и останавливать их. Пьезодвигатели также самоблокируются при отключении питания и могут удерживать положение без смещения, в отличие от серводвигателей, которые постоянно “ищут” положение.

Условия, исключающие использование других технологий, как правило, не являются проблемой для пьезодвигателей. Например, пьезоэлементы могут работать в вакуумных средах, которые являются обычным оборудованием для производства полупроводников и электроники. Кроме того, ультразвуковые и шаговые пьезодвигатели немагнитны и могут работать в сильных магнитных полях, таких как аппараты магнитно-резонансной томографии.Другие области применения, которые хорошо подходят для пьезодвигателей, включают космические компоненты, оборудование для оптического контроля и медицинские приборы.

Помимо преимуществ, рассмотренных выше, каждая технология пьезодвигателей обладает своими уникальными эксплуатационными преимуществами.Ультразвуковые пьезодвигатели могут развивать скорость до 1 м/с и разрешение до 50 нанометров. Шаговые пьезодвигатели имеют практически неограниченную длину хода и могут достигать пикометрового разрешения с помощью принципа, называемого сглаживанием. Инерционные пьезодвигатели, как правило, являются наиболее компактным вариантом и доступны по низкой цене.

Пьезоприводы (не путать с пьезодвигателями) обычно приводятся в движение за счет расширения или сжатия пьезоматериала прямо пропорционально приложенному напряжению. Высокое усилие и быстрая реакция позволяют пьезоприводам заменять соленоиды в клапанах, насосах и дозирующем оборудовании. Пьезоэлементы, в состав которых входят поперечные роликоподшипники или миниатюрные линейные направляющие, обеспечивают высокое разрешение и способность переносить большие нагрузки в компактном корпусе. Ступени также могут быть сложены таким образом, чтобы обеспечить движение по оси X-Y или X-Y-Z.Единственной технологией, способной конкурировать с пьезокаскадами по разрешающей способности и повторяемости, являются воздушные подшипники. И хотя ступени с воздушными подшипниками способны преодолевать большие расстояния, они, возможно, более сложны в интеграции и эксплуатации.

В приложениях, требующих разрешения на микрометровом или даже нанометровом уровне, пьезодвигатели обеспечивают непревзойденное сочетание миниатюрных размеров, большой длины хода, высокой скорости и высокого усилия. Их разрешение и повторяемость конкурируют с пневматическими подшипниками, что также делает их хорошим выбором для одноосных и многоосевых линейных ступенчатых конфигураций. И хотя пьезодвигатели используются в промышленности уже почти четыре десятилетия, они традиционно считались слишком дорогими для всех, кроме самых экстремальных требований. Однако достижения в области пьезоматериалов и методов производства, а также более экономичные средства управления привели к тому, что стоимость пьезодвигателей и приводов достигла уровня, конкурентоспособного по сравнению с другими решениями.