Пьезоэлементы — это керамические элементы, которые меняют форму под воздействием электричества или (при механической нагрузке) вырабатывают электроэнергию.

Производители перерабатывают и прессуют порошок свинца, цирконата, титаната (PZT) и обжигают его в кварц. Затем они смешивают керамику с сегнетоэлектрическим материалом для изготовления электродов.

Наконец, производители воздействуют электромагнитными полями на пьезоэлементы для выравнивания и поляризации материала.

Открытые Пьером и Жаком Кюри в конце 1800-х годов, пьезоэлементы названы в честь греческого слова, обозначающего пресс — пьезоэлементСупруги Кюри обнаружили, что при сжатии кристаллов тартрат калия-натрия (также называемая солью рошели по месту ее первоначального приготовления) создает электрическое напряжение, и этот электризующий пьезокристалл деформируется. Сегодня в инженерных системах используются другие пьезокристаллы, невосприимчивые к влажности, но способность изменять форму — это то, что сегодня используется во всех пьезотехнологиях.

Пьезоэлементы входят в состав множества преобразователей и сенсоров, и их применение, пожалуй, наиболее известно. Однако некоторые конструкции пьезоэлементов действуют как твердотельные пьезодвигатели для перемещения нагрузок на короткие расстояния.

Самый основные пьезодвигатели генерируют движение, расширяясь пропорционально напряжению. В данном случае используются три варианта пьезодвигателей: с наборным, срезным и трубчатым приводом. Первые создают большие усилия, но только до 20 мкм или около того. Вторые (часто используемые в медицине и раздаче лекарств) могут перемещаться на несколько миллиметров, но с меньшим усилием.

Немного более сложными являются пьезодвигатели с регулировкой изгиба с усилителями движения для длинных и прямых перемещений. Движение пропорционально напряжению привода; многоосевые ступени перемещают предметы вверх на пару миллиметров и более.

Пьезодвигатели ультразвукового трения они оснащены колеблющимися пластинами, которые действуют как статор, приводя в движение ползун или ротор за счет трения. Они обеспечивают неограниченное быстрое перемещение, иногда в течение 0,8 мс с момента ввода команды, хотя разрешение составляет всего 60 нм или около того.

Обратите внимание, что некоторые источники называют ультразвуковые пьезомоторы пьезодвигатели со стоячей волной за то, как они передают движение. Единственный недостаток ультразвуковых пьезодвигателей заключается в том, что они полагаются на трение для продвижения скольжения или вращения ротора, что существенно ограничивает разрешение примерно до 38 нм.

Для шаговые пьезодвигатели Производители объединяют несколько пьезоэлементов, чтобы получить приводы весом более 100 фунтов. Двигатели совершают более длинные ходы, чем большинство других вариантов, и делают это быстро (в некоторых случаях в течение 0,8 мс). Пьезошаговые двигатели также могут достигать пикометрового разрешения при прямом пьезоуправлении, что называется колеблющийся.

“Усовершенствованные средства управления обеспечивают все более строгие характеристики благодаря пьезоэлектрическим каскадам, которые обеспечивают высокую пропускную способность при различных степенях свободы. Это позволяет создавать передовые микроскопы, превосходящие предел Рэлея; полупроводниковую литографию, которая отслеживает закон Мура вплоть до атомного масштаба; производство кремниевой фотоники; и геномные анализаторы”. Штефан Форндран из said Physics Instrumentsв недавнем заявлении для журнала Design World.

Как уже упоминалось, в ультразвуковых пьезоэлектрических двигателях керамический материал вибрирует со скоростью несколько нанометров за раз, создавая линейное или вращательное движение со скоростью 550 мм/сек.

Электрический ток возбуждает пьезокерамическую пластину (которая действует как статор двигателя) через электроды. Это вызывает колебания с собственной частотой материала — некоторым количеством килогерц. Пластина снабжена фрикционным толкателем, который перемещает ее по наклонной траектории с заданной частотой. С каждым циклом колебаний двигатель приводится в движение. Два основных преимущества ультразвуковых пьезоэлектрических двигателей заключаются в том, что:

1) Они являются эффективной заменой миниатюрным шпинделям с электродвигателями

2) Они делают ходы с разрешением до 50 нм

Лучшим вариантом пьезодвигателя для более длинных ходов являются степперы. Они оснащены набором отдельных пьезоэлементов, которые выполняют последовательность расширений и сокращений. Каждый цикл перемещает присоединенный груз всего на несколько микрометров, но при средней частоте вращения от 500 до 3000 Гц скорость вращения двигателя достигает 12 мм/сек. Шаговые пьезодвигатели, которые могут быть полезны для сканирования, также могут выдерживать воздействие внешних магнитных полей.

Ротационный ступенчатые пьезодвигатели переключают закрепленные в рамке кристаллы в разные состояния. Один набор кристаллов блокирует ротор, в то время как второй набор перемещается для перемещения третьего. Затем элементы управления отпускают первый набор кристаллов и втягивают третий. Затем оба набора блокировок возвращаются в исходное положение.

В отличие от, линейный ступенчатые пьезодвигатели переключают закрепленные на раме комплекты кристаллов между режимами блокировки и перемещения. Обычно один комплект движется, в то время как два других фиксируются. Это позволяет увеличить скорость выходного каскада даже до 1100 мм/сек.

Подробнее о пьезоэлементах и двигателях изСоветы по управлению движением Техническая библиотека пьезодвигателей:

Пьезоэлектрические позиционеры обеспечивают точное управление при нанопозиционировании

Вращающийся двигатель на пьезоножках LR17 от MICROMO

Системы быстрой пьезофокусировки, представленные на выставке BIOS

Новый C-867 от Physik Instrumente, оснащенный линейными пьезоэлектрическими приводами

Newport Corp выпустила новый пьезодрайвер XPS-DRVP1

Physik представляет новые пьезошаговые приводы

Керамический линейный пьезодвигатель от Physik Instrumente

Статья, посвященная повышению разрешения изображений с помощью пьезоэлектрических механизмов

Миниатюрный линейный ползун с пьезодвигателем

Каталог и справочное руководство по нанопозиционированию и пьезотехнологиям