Когда к пьезоэлектрическому материалу прикладывается напряжение, он генерирует движение и усилие за счет расширения или сжатия материала. Пьезоприводы используют этот эффект, встраивая пьезоэлектрические материалы в полезные устройства для создания очень малых высокочастотных перемещений и создания относительно больших усилий.

Пьезоприводы с регулировкой изгиба оснащены механическими шарнирами (шарнирными соединениями), которые усиливают движение многослойный пьезопривод Соединения сконструированы таким образом, чтобы изгибаться (отсюда и термин “управляемый изгибом»), и их расположение обеспечивает движение, перпендикулярное расширению (или, в некоторых случаях, сжатию) пьезоэлектрического блока. Величина приложенного напряжения определяет величину перемещения пьезоматериала и, следовательно, ход привода.

Наблюдайте за приводом, управляемым изгибом, в движении.

(Видео любезно предоставлено компанией Dynamic Materials and Structures, LLC)

Хотя пьезоматериалы обычно могут перемещаться всего на 0,1 – 0,2% от своей длины, усиление, обеспечиваемое приводами с направляющим изгибом, делает их пригодными для перемещения на расстояние до нескольких миллиметров. Когда требуется еще большая длина хода, в пьезопривод с направляющим изгибом может быть встроен рычаг, обеспечивающий дополнительный уровень усиления движения и позволяющий совершать перемещения до 10 мм. Рычажные механизмы обладают более высокой чувствительностью, чем стандартные пьезоприводы с регулировкой изгиба, благодаря меньшей перемещаемой массе. Однако они обладают меньшей жесткостью, чем стандартные конструкции с регулировкой изгиба.

Несмотря на свои небольшие размеры, пьезоприводы с регулируемым изгибом обычно создают усилие блокировки в сотни Ньютонов, хотя некоторые конструкции обеспечивают усилие в 1000 Н и более. При использовании в системах с замкнутым контуром они могут обеспечивать повторяемость на нанометровом уровне. Уникальным преимуществом конструкции с регулировкой изгиба является то, что она основана на упругой деформации, а не на трении, поэтому не требуется смазка или техническое обслуживание, а срок службы может достигать нескольких миллиардов рабочих циклов.

Блокирующее усилие — это максимальное усилие, которое пьезоэлектрический привод может создать при постоянной нагрузке. Величина создаваемого усилия зависит от жесткости нагрузки. То есть нагрузка должна быть достаточно жесткой, чтобы пьезоматериал не расширялся при подаче напряжения.

Пьезоприводы с регулируемым изгибом обеспечивают больший диапазон перемещения при меньших габаритах, чем другие пьезоаппараты. Они не содержат смазочных материалов или других материалов, выделяющих газы, поэтому подходят для применения в вакууме, а их компоненты могут быть изготовлены из немагнитных материалов для использования в средах с сильными магнитными полями. Типичные области применения пьезоприводов с управляемым изгибом включают микрораспределительное и насосное оборудование для медицинской промышленности, атомно-силовые микроскопы и оптические контрольные устройства.

Автор художественного изображения: Physik Instrumente L.P.