DuraAct贴片换能器技术

制造

DuraAct贴片换能器的有源层构成一块压电板。这些压电板根据一种已获专利的方法被嵌入纤维增强塑料(GRP)中,然后被粘合起来形成一个复合体。层压过程通过注入法在真空中的压热器中完成,从而形成完全无泡的高质量层合板。

由于材料具有不同的热膨胀系数,因此选用压热器的固化温度曲线来得出压电陶瓷板的规定内在预载。GRP聚合物涂层还可用作电气绝缘和机械预载。这项专利技术能实现坚固耐用又可弯曲的换能器元件的大批量生产。


全瓷或多层贴片换能器

根据不同的有效高度,全瓷压电收缩板采用冲压技术((>0.2毫米)或流延技术(0.05至0.2毫米)制造。全瓷换能器要求250至1000伏的高控制电压,而DuraAct Power贴片换能器是基于一个多层压电元件,因此工作电压仅-20至120伏。


工作原理

全瓷DuraAct贴片换能器中使用的压电陶瓷板的结构类似于一个电容器。陶瓷作为陶瓷的金属表面之间的电介质,金属表面构成电极。施加电势后将生成一个电场,其中电场线垂直于压电陶瓷板贯穿陶瓷,导致陶瓷在与电场线成90°的位置产生交叉收缩,使得促动器沿平面均匀压缩。这种行为称为压电横向或d31效应。

对于Power DuraAct贴片换能器,多层压电元件利用纵向或d33效应。位移平行于电场E和压电陶瓷促动器的极化方向。纵向位移的d33压电电荷系数比横向位移高很多,可能的位移比全瓷换能器大得多。

电场强度决定陶瓷的位移,这使得模块控制简单易行。通过简单粘合,变形就可被有效地传递给结构元件。力通过推动在整个表面上传递,而非像传统促动器那样在离散点上传递,因此无需大量的力传递点。相反地,结构变形通过换能器被转化为电荷,使得元件可作为传感器或发电机使用。

对电场变化或变形的响应速度极快,千赫兹级的谐振可被生成和测量。根据使用的有源压电陶瓷元件及其尺寸,各种促动器的控制电压和收缩数值随之生成。变形和控制电压之间为非线性关系。


技术

DuraAct贴片换能器可用作具有不同带宽的传感器,能对冲击、弯曲或压力等机械张力作出反应,此外它们还能用作高精度定位或弯曲促动器。. 标准换能器设计包含一块压电陶瓷片,带金属表面用于电气接触。

标准压电陶瓷片的厚度一般为100至500微米,甚至还能更薄。若无进一步加工,这些压电陶瓷元件易碎、难以搬运,但将其嵌入聚合物结构则可实现电气绝缘和机械稳定性。

成品为可延展、极其耐用的模块。 替代设计为多层压电陶瓷,在相同工作电压下增强了力的生成。  DuraAct贴片换能器为固态促动器,因而无运动部件。 磨损和故障率都很低。 电气接触通过向两片衬垫焊接、夹紧或粘合引线来实现。 对多层进行单独连接可实现传感器和促动器功能的分离,即换能器可同时用作传感器和促动器。


工作图

压电陶瓷换能器的促动器性能 主要通过两个参数进行描述:闭锁力FB和自由位移S0。在自由(未闭锁)促动器上施加一个电压U,促动器达到最大位移S0。防止任何长度变化所需的力称为闭锁力FB

施加的力与促动器位移之间的曲线图称为促动器特性图。它基本沿着穿过上述0力和0位移点的曲线。大部分情况下,促动器克服弹性结构工作,如当弹簧或金属板变形时。如果负载用刚性为cF的弹簧(弹簧特性曲线)表示,则产生的工作点为负载曲线与促动器特性曲线的交点。最有效的操作发生在工作点位于特性曲线的中段时。


弯曲元促动器的参数

DuraAct促动器通常被粘合在衬底上,其在整个表面上传递收缩,而非几个连接点。在这种配置中,该DuraAct/衬底组合充当一个弯曲元促动器。弯曲元促动器可实现快速、高精度和可重复的变形,被广泛用于打印机、阀和纺织工业等多种应用。

DuraAct贴片换能器基于横向压电效应,施加电场时将产生收缩。弯曲元折曲并施加一个正交力,如图所示。

自由、未闭锁弯曲元的自由变形为W0。将变形减小至0所需的力称为弯曲元闭锁力FBW,其明显小于促动器闭锁力。穿过这两点的曲线为衬底厚度和弹性的弯曲元特性曲线 

这些曲线反映实际的变形和力,通过由不同材料制成的50毫米衬底样本和P-876.A15 DuraAct贴片换能器测量。

除了DuraAct的特性曲线,弯曲元特性是特定应用中对促动器性能进行有效估算的基础,因此PI在所有数据表中都加入了这些曲线。


功率要求

为了确定成功的促动器操作所需的电功率,电容必须是已知的。典型的DuraAct电容在毫微法范围内,可在数据表中找到。

电容C取决于压电陶瓷类型、厚度和面积。为了估算平均电功率Pm,工作电压范围和励磁频率必须是已知的。

 Pm = C · f · Uh2

f: 频率

Uh: 电压摆动

所需最大功率 Pmax
平均功率乘以 pi (π):

Pmax = Pm ・ π