压电促动器的位移模态态

除了极化方向上的膨胀(为纵向促动器所用),对于与其极化方向正交的压电促动器,当施加电场与极化方向平行时,其运行时通常会发生收缩。 收缩促动器、压电管促动器或弯曲型促动器利用的就是这种横向压电效应。


纵向促动器

在纵向压电促动器中,陶瓷层中施加的电场平行于极化方向,在极化方向产生应变或位移。单层的位移相对较小。为了实现有技术实用性的位移值,由多个机械串联、电气并联的单层构成的堆叠型促动器(图1)应运而生。 纵向堆叠型促动器可将电能高效地转换为机械能,实现约为促动器长度0.1%至0.15%的名义位移。 额定阻滞力与促动器的横截面积有关(约为30 N/mm2),可高达数万牛顿。 由于其共振频率高,纵向堆叠型促动器非常适用于高动态运行。促动器的机械预加载可抑制脆性陶瓷材料中的动态诱导拉力,实现微秒级的响应时间和较高的机械性能。 纵向位移的估算,其中:

ΔL纵向纵向位移[m]
d33(GS)纵向压电大信号变形系数[m/V]
n陶瓷叠层层数
V工作电压[V]
GND接地
P极化方向
E电场强度

切变促动器

在压电切变促动器中,陶瓷层中施加的电场与极化方向正交,利用的是极化方向的位移。单层的位移也在此处的堆叠型促动器中叠加(图2)。 剪切变形系数d15通常为最大压电系数。额定电压控制时,压电陶瓷可实现高达2000pm/V的d15(GS)值。为了防止垂直方向极化的反转,允许控制场强是受限的。 当横向力量作用于促动器时,弯曲还会叠加在剪切运动之上,且动态运行中共振频率附近也会发生相同效应。 此外,机械预加载无法补偿剪应力,两者都会限制剪切堆叠的实际堆叠高度。切变促动器与纵向促动器的组合产生非常紧凑的XYZ堆叠,且共振频率很高。 滞滑马达的驱动元件为切变促动器一个典型的应用。 切变促动器位移的估算,其中:

ΔL切变切变促动器的位移[m]
d15(GS)剪切变形系数[m/V]
n陶瓷叠层层数
V工作电压[V]
GND接地
P极化方向
E电场强度

PI Ceramic的切变促动器


压电管促动器

压电管促动器为径向极化。电极施加于外表面,使平行于极化方向的电场也沿径向运行。压电管促动器利用横向压电效应产生位移,如轴向位移或长度变化(图3)、半径变化(图4)等横向运动以及弯曲(图5)等。
为了使压电管弯曲,外部电极被分割成几个部分。当各相反的电极被驱动时,压电管横向弯曲。
更为复杂的电极排列可防止不良倾斜或轴向运动的发生,例如,由8个电极组成的排列可以产生反向弯曲,整体上实现没有倾斜的侧向位移。 压电管促动器常用于在扫描探针显微镜开环运行时提供动态扫描运动,此外,其还常用作光纤拉伸器。另外,其还可用于纳升泵或喷墨打印机的微剂量给料。 关于压电管的尺寸,请参见数据表>> PT120 – PT140

ΔL轴向 轴向压电管位移[m]
ΔL径向 径向压电管位移[m]
ΔL横向 横向压电管位移[m]
d31(GS) 横向压电大信号变形系数[m/V]
l 压电管长度[m]
ID 压电管内径[m]
t 压电管管壁厚度(=(OD-ID)/2)[m]
V 工作电压[V]
GND 接地
P 极化方向
E 电场强度

轴向位移


压电管促动器轴向位移的估算,其中:

径向位移

压电管促动器径向位移的估算(适用于大半径)其中:

横向位移

压电管促动器横向位移的估算,其中:


收缩促动器

通常,压电收缩元件为扁平组件,其位移垂直于极化方向和电场。收缩促动器的位移是基于横向压电效应,标称位移约为20µm。 就技术实现而言,多层元件与单层压电元件相比具有决定性的优势:由于横截面积较大,其能产生更大的力,且可在较低电压下运行(图6)。 收缩产生的拉伸应力可能损坏脆性压电陶瓷,因此建议施加预载。 收缩促动器横向位移的估算,其中:

ΔL横向横向位移[m]
d31(GS)横向压电大信号变形系数[m/V]
l位移方向上压电陶瓷的长度[m]
h陶瓷层的高度[m]
V工作电压[V]
GND接地
P极化方向
E电场强度

弯曲型促动器

收缩促动器装至基片上则成为弯曲型促动器(图7)。全瓷弯曲元的构造为两个有源压电陶瓷元件组合在一起并由电驱动。若使用的是金属或陶瓷材料等制成的无源基片,则该基片称为复合弯曲元。压电陶瓷元件可设计为单层或多层元件。 弯曲型压电促动器的工作原理同恒温双金属。将一个扁平型收缩压电促动器与基片耦合,陶瓷的驱动和收缩产生弯矩,将较小的长度横向变化转换成垂直于收缩方向的较大弯曲位移。根据几何学,尽管转换效率和力的生成会有所损失,但30至40的转换因子仍然可以实现。 弯曲型压电致动器可以在毫秒范围的响应时间内实现几毫米的位移,而阻滞力相对较小,通常在数毫牛顿至几牛顿的范围内。

ΔL弯曲弯曲位移[m]
d31(GS)横向压电大信号变形[m/V]
n陶瓷叠层层数
V工作电压[V]
lf自由弯曲元长度[m]
hp压电陶瓷弯曲元高度 [m]
Rh复合弯曲元中基片高度(hs)和压电陶瓷弯曲元高度(hp)的比值(Rh=hs/hp
RE复合弯曲元中片基弹性模量(Es)和压电陶瓷弯曲元弹性模量(Ep)的比值(RE=Es/Ep
VF弯曲元控制的固定电压[V](V和VF可通过偏移电压叠加)
GND接地
P极化方向
E电场强度

全瓷弯曲型促动器(并联回路)弯曲位移的估算,其中:

双层复合
弯曲型促动器(单边位移)弯曲位移的估算,其中:

Pfeifer, G.提出的方程:Piezoelektrische lineare Stellantriebe,开姆尼茨工业大学科学期刊,6/1982

全瓷弯曲型促动器
串联回路)弯曲位移的估算,其中:

对称型三层复合弯曲型促动器(并联回路)弯曲位移的估算,其中:

询问工程师

通过电子邮件或电话从当地PI Ceramic 销售工程师处快速获取解答。