Пьезоэлемент — это керамический элемент, который расширяется или сжимается при подаче электрического заряда, создавая линейное перемещение и усилие. Несколько пьезоэлементов могут накладываться 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 подается параллельно направлению поляризации. При подаче напряжения в направлении поляризации возникает напряжение или смещение. Перемещение пьезоэлемента равно величине приложенного напряжения, умноженной на пьезоэлектрический коэффициент. (Пьезоэлектрический коэффициент, d₃₃, зависит от эффективности материала при преобразовании электрической энергии в механическую.) Поскольку пьезоприводы механически соединены последовательно, общее перемещение пьезопривода, расположенного в стопке, является результатом перемещения одного элемента, умноженного на количество элементов в стопке.

ΔL = n * d₃₃ * В

ΔL = изменение длины (м)

n = количество пьезослоев

d33 = продольный пьезоэлектрический коэффициент (м/В)

V = рабочее напряжение (В)

Общее смещение составного привода обычно составляет от 0,1 до 0,15% от длины привода.

Комбинированные пьезоприводы обычно классифицируются как низковольтные (ниже 200 В) или высоковольтные (до 1000 В), что соответствует максимальному входному напряжению для максимального хода. Величина напряжения, которое может быть приложено, определяется материалом и толщиной каждого элемента. Зависимость между электрическим полем и управляющим напряжением определяется 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 с уменьшением толщины слоя.

Жесткость привода оказывает существенное 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, комбинированные пьезоприводы имеют плотность усилия в диапазоне 30 Н/мм², что позволяет им создавать полезные усилия в десятки тысяч Ньютонов. Важно отметить, что в стационарном режиме работы (без движения, с постоянной силой) ток не подается и питание не требуется. Составные приводы также способны сохранять свое положение при отключении питания и могут делать это без выделения тепла.

Составные пьезоэлектрические приводы часто испытывают как сжимающие, так и растягивающие усилия, особенно при высокодинамичных движениях. Прочность на растяжение составного привода в значительной степени определяется методом, используемым для соединения отдельных элементов, и, как правило, на порядок ниже прочности на сжатие. Предварительная нагрузка на привод, превышающая прилагаемую растягивающую нагрузку, гарантирует, что привод всегда будет находиться в состоянии сжатия и сможет работать в условиях высокой динамики и в двух направлениях.Для успешной интеграции пьезопривода с многослойным покрытием требуется, чтобы любые прилагаемые усилия были только осевыми и сжимающими. Производители, как правило, предлагают различные варианты крепления, которые помогают предотвратить усилия изгиба, сдвига или кручения.

Пьезоэлектрические преобразователи напрямую преобразуют электрическую энергию в механическую за счет пьезоэлектрического эффекта, что означает, что у них нет движущихся частей, которые вызывают трение или износ. Таким образом, их производительность ограничена только внешними механическими и электрическими компонентами. Они обеспечивают чрезвычайно быстрое время отклика и высокую скорость разгона, что делает их особенно полезными для синусоидальной работы. Многослойные пьезоприводы способны работать в таких условиях, 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