Пьезоэлемент — это керамика, которая расширяется или сжимается при подаче электрического заряда, создавая линейное движение и силу. Несколько пьезоэлементов могут быть наслоены друг на друга, создавая так называемый многослойный пьезопривод. Эти устройства используют комбинированный эффект расширения каждого элемента для создания полезного движения и силы.

Отдельные пьезоэлементы в составном приводе имеют переменную полярность, и электрическое поле прикладывается параллельно направлению поляризации. При подаче напряжения индуцируется деформация, или смещение, в направлении поляризации. Перемещение пьезоэлемента равно величине приложенного напряжения, умноженной на пьезоэлектрический коэффициент. (Пьезоэлектрический коэффициент, d₃₃, относится к эффективности материала при преобразовании электрической энергии в механическую.) Поскольку они механически соединены последовательно, общее перемещение сложенного пьезопривода является результатом перемещения одного элемента, умноженного на количество элементов в стопке.

ΔL = n * d₃₃ * V

ΔL = изменение длины (м)

n = количество пьезослоев

d33 = продольный пьезоэлектрический коэффициент (м/В)

V = рабочее напряжение (В)

Общее смещение сложенного привода обычно составляет от 0,1 до 0,15 процента от длины привода.

Комбинированные пьезоприводы обычно классифицируются либо как низковольтные (ниже 200 В), либо как высоковольтные (до 1000 В), что соответствует максимальному входному напряжению для максимального хода. Величина напряжения, которое может быть приложено, определяется материалом и толщиной каждого элемента. Соотношение между электрическим полем и управляющим напряжением задается уравнением:

E = V/th

E = электрическое поле (В/м)

V = приложенное напряжение (В)

th = толщина одного пьезослоя (м)

Таким образом, электрическое поле увеличивается с уменьшением толщины слоя. Аналогично, для данного электрического поля управляющее напряжение должно уменьшаться по мере уменьшения толщины слоя.

Жесткость привода оказывает значительное влияние на создание усилия и определяется модулем упругости пьезокерамического материала, площадью поперечного сечения привода и его длиной.

k_A = (E*A) / l

k_A = жесткость привода (Н/м)

E = модуль упругости (Н/м²)

A = площадь поперечного сечения привода (м²)

l = длина привода (м)

Несмотря на свои небольшие размеры, многослойные пьезоприводы имеют плотность усилия в диапазоне 30 Н/мм², что позволяет им создавать полезные силы в десятки тысяч Ньютонов. Важно отметить, что в установившемся режиме работы (без движения, с постоянной силой) ток не течет и питание не требуется. Штабелируемые приводы также способны сохранять свое положение при отключении питания и могут делать это без выделения тепла.

Сложенные пьезоактиваторы часто испытывают как сжимающие, так и растягивающие усилия, особенно при высокодинамичных перемещениях. Предел прочности при растяжении составного привода в значительной степени определяется методом, используемым для склеивания отдельных элементов, и, как правило, на порядок ниже, чем предел прочности при сжатии. Предварительная нагрузка на привод, превышающая приложенную растягивающую нагрузку, гарантирует, что привод всегда остается в состоянии сжатия и может работать в высокодинамичных двунаправленных условиях.Успешная интеграция многослойного пьезопривода требует, чтобы любые прилагаемые усилия были только осевыми и сжимающими. Производители обычно предлагают различные варианты крепления, которые помогают предотвратить усилия изгиба, сдвига или кручения.

Пьезоэлектрические преобразователи непосредственно преобразуют электрическую энергию в механическую за счет пьезоэлектрического эффекта, что означает отсутствие движущихся частей, вызывающих трение или износ. Таким образом, их разрешающая способность ограничена только внешними механическими и электрическими компонентами. Они обеспечивают чрезвычайно быстрое время отклика и высокие показатели ускорения, что делает их особенно полезными для синусоидальной работы. Многослойные пьезоприводы способны работать в таких средах, как вакуум, криогенные условия и наличие магнитных полей, что делает их пригодными для применения в бытовой электронике, аэрокосмической, автомобильной и полупроводниковой промышленности.

Автор изображения: PI Ceramic GmbH