Пьезоэлементы — это керамика, которая меняет форму под воздействием электричества или (при механической нагрузке) вырабатывает электричество.

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

Наконец, производители прикладывают электромагнитные поля к пьезоэлементам для выравнивания и поляризации материала.

Открытые Пьером и Жаком Кюри в конце 1800-х годов пьезоэлементы названы в честь греческого слова, обозначающего пресс — пьезорезка. Кюри обнаружили, что сжатие кристаллов из тартрат калия натрия (также называемая солью Рошель по месту ее первоначального приготовления) создает электрическое напряжение, и этот электризующий пьезокристалл заставляет его деформироваться. Сегодня в инженерных системах используются другие пьезокристаллы, невосприимчивые к влажности, но способность изменять форму — это то, что сегодня используют все пьезотехнологии.

Пьезоэлементы входят в состав множества преобразователей и сенсоров, и это применение, пожалуй, самое известное. Однако некоторые устройства из пьезоэлементов действуют как твердотельные пьезодвигатели для перемещения грузов на короткие расстояния.

Самый основные пьезодвигатели генерируйте движение, расширяясь пропорционально напряжению. Тремя распространенными вариантами здесь являются сборные, срезные и трубчатые пьезодвигатели. Первые генерируют высокие усилия, но только до 20 мкм или около того. Последний (распространенный в медицинских целях и для дозирования) может перемещаться на несколько миллиметров, но с меньшим усилием.

Немного более сложными являются пьезодвигатели, управляемые изгибом с усилителями движения для длинных и прямых движений. Движение пропорционально напряжению привода; многоосевые ступени перемещают элементы вверх на пару миллиметров или более.

Пьезодвигатели с ультразвуковым трением имеют колеблющиеся пластины, которые действуют как статор для продвижения ползуна или ротора за счет трения. Они выводят неограниченное движение быстро, 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 пьезодвигатели пьезодвигатели со стоячей волной за то, как они выводят движение. Единственная загвоздка с ультразвуковыми пьезодвигателями заключается в том, что их зависимость от трения для продвижения скольжения или ротора существенно ограничивает разрешение примерно до 38 нм.

Для шаговые пьезодвигатели Производители объединяют несколько пьезоэлементов вместе, чтобы получить приводы, способные перемещать более 100 фунтов. Двигатели совершают более длинные ходы, чем большинство других вариантов, и делают это быстро (в некоторых случаях в течение 0,8 мс). Пьезо шаговые двигатели также могут получать пикометрическое разрешение при прямом пьезоактивировании в соответствии с так называемым колебание.

“Усовершенствованные элементы управления получают все более высокую производительность благодаря пьезо-изгибным каскадам, которые обеспечивают высокую пропускную способность при нескольких степенях свободы. Это передовые микроскопы, которые преодолевают предел Рэлея; полупроводниковая литография, которая отслеживает закон Мура вплоть до атомного масштаба; производство кремниевой фотоники; и анализаторы геномики”. сказал физик Стефан Форндран из Instrumentsв недавнем заявлении для журнала Design World.

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

Электричество возбуждает пьезокерамическую пластину (которая действует как статор двигателя) через электроды. Это вызывает колебания на собственной частоте материала, составляющей некоторое количество килогерц. Пластина имеет фрикционный толкатель, который перемещает ее по наклонной траектории с собственной частотой. С каждым колебательным циклом двигатель продвигается вперед. Два основных преимущества ультразвуковых пьезоэлектрических двигателей заключаются в том, что:

1) Они являются эффективной заменой миниатюрных шпинделей электродвигателей

2) Они совершают движения с разрешением до 50 нм

Ведущим вариантом пьезодвигателя для более длинных ходов являются шаговые двигатели. Они имеют множество отдельных пьезоэлементов, которые выполняют последовательность расширений и сокращений. Каждый цикл перемещает прикрепленный груз всего на несколько микрометров, но в среднем при частоте вращения от 500 до 3000 Герц скорость двигателя достигает 12 мм/сек. Полезные для приложений сканирования, шаговые пьезодвигатели также могут выдерживать внешние магнитные поля.

Ротационный ступенчатые пьезодвигатели циклически перемещают кристаллы, прикрепленные к рамке, по состояниям. Один набор кристаллов блокирует ротор, в то время как второй набор перемещается для продвижения третьего. Затем органы управления отпускают первый набор кристаллов и убирают третий. Затем оба набора блокировок возвращаются в исходное положение.

В отличие от, линейный шаговые пьезодвигатели переключают наборы кристаллов, прикрепленных к рамке, с помощью настроек блокировки и движения. Обычно один комплект движется, в то время как два других фиксируются. Это продвигает пластину выходного каскада даже до 1100 мм/сек.

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

Пьезоэлектрические позиционеры обеспечивают точное управление при нанопозиционировании

Роторный двигатель с пьезоэлементами LR17 от MICROMO

Системы быстрой пьезофокусировки, представленные на выставке BIOS

Новый C-867 Physik Instrumente, оснащенный пьезо линейными моторными приводами

Newport Corp выпускает новый пьезодрайвер XPS-DRVP1

Physik представляет новые пьезо-шаговые приводы

Керамический линейный пьезодвигатель от Physik Instrumente

Статья о подшагивании пикселей / Повышении разрешения изображения с помощью пьезоэлектрических механизмов

Миниатюрный пьезомоторный линейный слайд

Каталог и справочное руководство по нанопозиционированию и пьезотехнологиям