Пьезоэлектрический актуатор: устройство, принцип работы и классификация

1. Что такое пьезоэлектрический актуатор?

Пьезоэлектрический актуатор (также известный как пьезокерамический актуатор или механически корпусированная пьезокерамика) — это тип пьезопривода, использующий пьезоэлектрические материалы для создания движения. В его основе лежит обратный пьезоэлектрический эффект, позволяющий получать различные перемещения в зависимости от управляющего напряжения. Для пьезоактуаторов, приводимых в действие непосредственно самим пьезоэлементом (прямой привод), величина удлинения обычно составляет от 0,1% до 0,2%. В конструкциях с усилительными механизмами итоговое перемещение зависит от коэффициента усиления гибкого механизма.

2. Классификация пьезоэлектрических актуаторов

2.1. По типу управляющего напряжения:

• Высоковольтные пьезокерамические актуаторы: Внутренняя структура высоковольтного пьезокерамического актуатора построена на базе высоковольтного многослойного пьезоэлемента (стекера). Рабочее напряжение обычно достигает 500 В или 1000 В. Такие актуаторы обладают меньшей статической емкостью и, как правило, развивают большее усилие по сравнению с низковольтными аналогами.
• Низковольтные пьезокерамические актуаторы: Внутренняя структура низковольтного пьезокерамического актуатора построена на базе низковольтного многослойного пьезоэлемента. Рабочее напряжение обычно составляет около 150 В.

Таблица 1. Сравнение высоковольтных и низковольтных пьезоактуаторов

2.2. По конструктивному исполнению и типу перемещения:

• Многослойные пьезоактуаторы (пьезостекеры)
• Полосковые актуаторы (изгибные/биморфные актуаторы)
• Продольные актуаторы
• Актуаторы сдвига (сдвиговые)
• Трубчатые актуаторы
• Контракторы (актуаторы сжатия)

3. Принцип работы пьезоэлектрических актуаторов

Пьезоэлектрические актуаторы преобразуют электрическую энергию в механическую, причем основная часть перемещения обеспечивается за счет обратного пьезоэффекта. Они широко применяются в промышленности для создания электронных и мехатронных устройств. По принципу работы их можно разделить на две категории:

• a) Продукты движения на основе пьезоэффекта: В этих изделиях пьезокерамика используется в качестве источника энергии для создания линейного или изгибного перемещения. Это могут быть как непосредственно сама пьезокерамика, так и корпусированные пьезоэлементы или прецизионные платформы движения. Ключевая характеристика — создание механического перемещения.
• b) Электронные устройства управления для пьезоприводов: Эти продукты представляют собой контроллеры, управляющие движением пьезоактуаторов. Их ключевая характеристика — управление напряжением. Они могут изменять напряжение и частоту, регулируя тем самым скорость и амплитуду движения пьезокерамики. По конструктивному исполнению они делятся на модульные, компактные, встраиваемые, с USB-интерфейсом и платы управления.

4. Компоненты и устройство пьезоактуатора

Пьезоэлектрические актуаторы (также известные как пьезокерамические актуаторы или механически корпусированная пьезокерамика) используют многослойные пьезоэлементы в качестве основного источника движения. Они конструктивно объединены в специальный механический корпус, включающий подвижный наконечник, неподвижное основание, внешний корпус и узел предварительного натяга на основе гибких шарниров, соединенный с многослойным пьезоэлементом. Многослойные пьезоэлементы аккуратно устанавливаются внутрь этой механической конструкции, образуя механически корпусированный пьезоактуатор.

5. Производство и условия эксплуатации пьезоактуаторов

Пьезоэлектрический актуатор состоит из пьезоэлемента и как минимум одной пары электродов, нанесенных на пьезокерамическую пластину. Конструкция также включает элемент фиксации (клеевое соединение или пружинный ограничитель, предотвращающий выход элемента из корпуса), токоведущие проводники для подачи напряжения на пьезоэлемент и элементы электроизоляции (например, покрытие из смолы или силиконового масла) поверх пары электродов. В готовом актуаторе пьезоэлемент зафиксирован с помощью клея, формовки или поджат пружиной. Даже в отсутствие управляющего напряжения на элемент воздействует механическая сила (предварительная нагрузка) со стороны узла фиксации. При подаче напряжения пьезоэлемент начинает двигаться, и механическая нагрузка возрастает относительно преднатяга. Поэтому итоговое перемещение пьезоактуатора несколько меньше номинального перемещения самого пьезоэлемента.

Условия работы и эксплуатации пьезоактуаторов включают такие параметры, как температура окружающей среды, напряженность рабочего электрического поля, форма управляющего сигнала, рабочая частота и режим работы (непрерывный или циклический). Диапазон рабочих температур определяется условиями эксплуатации готового изделия. Нижняя граница обычно составляет не ниже -40°С, а верхняя не превышает +160°С.

Для пьезоизлучателей, гидроакустических преобразователей (сонаров) и пьезодинамиков амплитуда напряженности электрического поля не превышает 500 В/мм. Для ультразвуковых двигателей и пьезотрансформаторов это значение достигает 1000 В/мм, а для многослойных пьезоэлементов — до 3000 В/мм. При резонансном режиме работы форма управляющего сигнала — синусоидальная. В других режимах допустимы различные формы сигнала: синусоидальный, трапецеидальный, треугольный, прямоугольный, а также импульсный. Рабочая частота для ультразвуковых двигателей, сонаров и пьезоультразвуковых преобразователей составляет 20 кГц и выше, тогда как для остальных типов изделий рабочая частота находится ниже 20 кГц.

6. Требуется промышленная партия пьезоактуаторов?

Мы — производитель с полным циклом разработки. Поставляем как серийные модели, так и изделия под заказ с индивидуальными параметрами (напряжение, усилие, температурный диапазон). Оставьте заявку — инженер рассчитает решение под ваш проект.