压电致动器的作用,传感器在工业和空间应用程序

压电陶瓷(陶瓷)可以直接将电能转换成机械运动和机械运动转换为电能,基于一系列晶体固态效果。压电传感器和致动器是唯一能够结合速度、力量和精确运动到一个紧凑的包中。

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增加的可访问性压电传感器和致动器OEM设计师,制造商可能会包这些设备内部弯曲的防护装置。这种方法提供了一个简单的安装界面与放大运动和精确指导。

挠曲通常是由钢铁、铝和钛。没有磨损和摩擦,弯曲可以提供数以数以千亿计的周期的免费维修服务。

传感器和执行机构之间的区别

当谈到压电设备,传感器和致动器通常是同义的。然而,当运动或力是主要目标,通常说的压电致动器,当传感或高频应用,如超声波、流或目标距离测量,传感器是更常见的词。故障通常不是在共振,传感器通常。基本上都应对外部压力与构建一个电荷,反之亦然电场时他们会改变自己的形状。

压电致动器的运动

压电运动设备自信地促进位置变化甚至在毫秒或微秒,事实上精度下降。运动放大压电致动器提供运动输出驱动电压成正比——通常一毫米-与高动态数百到几千赫兹的频率。

视频1。动画,几种类型的压电致动器的工作原理。视频来源:π(物理学Instrumente) LP

压电设备不受机械磨损,和缺乏摩擦部件确保无限的分辨率。

这些因素使他们的理想解决方案广泛的运动精度和定位应用于生命科学、医学工程、工业、显微镜和空间设置。亚博老虎机网登录

压电驱动微夹持器提供快速响应、高力和纳米精度。与力反馈模型可用于处理微妙的光学仪器。图片来源:π(物理学Instrumente) LP

执行机构的可靠性

微量的到来之前,单片和陶瓷封装的压电致动器,压电陶瓷的可靠性是高度依赖于应用程序网站的特定的环境条件。

湿度、温度和工作电压产生相当大的影响致动器和保形涂层因为没有聚合物绝缘完全不透水。这些设备的寿命大大减少在高度潮湿的条件。

水分进入加上电场的应用会引发化学反应的应用组件。这些反应由高温加速,最初导致漏电流增加,导致一个完整的介质击穿,电极之间的短路。

动态操作期间,压电陶瓷的使用寿命可能会受交变机械应力条件和其他动态力量。不足设计陶瓷驱动器可能会经历微裂隙,导致快速失败。

解决方案

解决这些问题可以在适当优化材料和制造工艺,有效的绝缘设计和正确的选择。亚博网站下载

PICMA^®微量压电堆栈(图1)从π是一个理想的例子,一个健壮的解决这些问题。这些堆栈层组成的专业陶瓷几十微米厚,交叉电极和烧结创建一个坚实的结构。

图1所示。陶瓷绝缘,微量高性能压电堆比polymer-insulated类型。图片来源:π陶瓷

基于特殊改性压电陶瓷材料(铁电陶瓷)是创建一个泥浆。薄陶瓷薄片然后从这个(图2)。

图2。多层烧结技术是一个特别创新的生产过程。图片来源:π(物理学Instrumente) LP

图3。自动接触压电堆栈致动器的过程。图片来源:π(物理学Instrumente) LP

陶瓷材料是适合运动定位应用程序由于压电陶瓷的能力小,几乎线性尺寸变化时整个电极驱动电压。

将丝网印刷电极层前层压栈。压实陶瓷删除任何空气被困在其个人层,然后这是一起烧结电极(烧结技术)产生一个整体块。

陶瓷绝缘层保护这一块对湿度和失败,而其整体设计改善材料刚度和提供了一个更高的机械谐振频率。这些功能是确保快速机械响应电力输入的关键——高动态应用程序必不可少的先决条件。

应该注意的是,陶瓷不灵活的——运动是完全基于固态效果。

完全采用无机材料的绝缘和电触点(图3)意味着没有出气,亚博网站下载这些设备是适用于超高真空。

图4显示一个范围的高湿度条件下加速寿命测试结果。这些结果比较与传统保形涂料和压电陶瓷致动器陶瓷绝缘PICMA^®致动器。

图4。加速寿命测试的陶瓷绝缘致动器和执行器绝缘用保形涂层材料相比,在高湿度条件下。亚博网站下载图片来源:π(物理学Instrumente) LP

耐湿度是一个重要的考虑在半导体行业定位应用程序。

这些应用程序通常使用高和持续offset-drive电压保持稳定晶片位置在光刻和检查。清洁房间是人为地湿润,避免静电击穿作为这个过程的一部分。

压电致动器被用于加工应用振动主动取消,快速刀具伺服系统和精确对齐。这些应用程序通常使用冷却液体,这可能会导致大量增加环境湿度,致动器产生不利影响。

独立的测试空间应用程序

压电致动器经常发现在应用程序工作在空间条件下,包括高真空和超低温度。

无数的致动器类型被认为是和测试工作期间由美国宇航局火星任务。CheMin实验室样本分析仪系统的好奇心火星探测器单元(图5)选择使用PICMA^®压电致动器在这些致动器展示了1000亿次,没有失败或性能损失。

图5。化学和矿物学分析CheMin光谱仪的“勇气号”火星探测器:配备从π陶瓷压电致动器。图片来源:NASA。

视频2。π的飞船稳定性极强,多层压电堆作动器被震动机制,除了π精密运动阶段被用作激光聚焦电机。视频来源:π(物理学Instrumente) LP

CheMin仪器负责执行在火星岩石矿物学和化学分析。

为了为仪器提供适当的岩石样本,岩粉必须进行排序。这是通过摇动粉末在一系列的振幅和频率在0.9至2.2千赫范围内实现分离根据密度或均匀粒子大小。

PICMA^®利用多层压电致动器在这个至关重要的任务,在定义执行所需的振荡振幅和频率,以确保适当的材料选择和供应。

必须确保成功在这样一个价值数十亿美元的项目。被允许在董事会之前,压电致动器必须通过广泛的确认和测试。

PICMA^®致动器能够达到令人印象深刻的结果在这个应用程序中,与美国航天局/喷气推进实验室综合性能和寿命测试证明零失败后1000亿(10 exp 11)周期。

额外的独立测试是由欧洲共同体研究基础设施评估压电致动器的行为条件,相当于十年的操作在一个活跃的频率调谐器ILC超导腔(SC)。

应力加载和管理湿度

至关重要的风险裂缝如果寿命最大化和管理压力是在动态应用程序最小化。PICMA^®致动器的专利槽设计有助于最小化拉伸载荷,其横向槽在堆栈限制机械拉伸应力,有效地防止不受控制裂缝的形成(图6)。

图6。专利压电堆栈与横向槽设计,以避免不受控制的动态操作过程中微裂纹扩张。图片来源:π陶瓷

还应该考虑压力对电极由于重复相同的动作可以穿这些1000亿倍。

专利meander-shaped设计(图7)确保内部电极维护稳定的电接触即使在极端的动态载荷,避免骨折的终止电极。这些因素加在一起,确保PICMA^®设计提供了卓越的性能和寿命,甚至没有其他的设计。

图7。专利,meander-shaped外部电极:稳定的电接触即使在极端的动态应力。图片来源:π陶瓷。

图7 b。陶瓷绝缘压电致动器也可作为管状栈。图片来源:π(物理学Instrumente) LP

低工作电压

与大多数传统的致动器,PICMA^®执行机构已经开发使用特别薄的陶瓷层,允许他们在最小化操作电压。他们在操作可以实现他们的名义运动输出电压低于150 v -低至+ / -30 v bender-type的致动器。

现代生产技术允许在几乎任何形状制造多层执行器同时还确保每一个表面仍然是封装在陶瓷绝缘(图8)。

一系列的基本形状和圆形或三角形截面可以提供,绝缘中心孔在弯管机、芯片和堆栈致动器。

图8。压电弯曲机传动装置变量轮廓:灵活性几何图形保持完整的陶瓷封装同时要求非常低的操作只有+ / -30 v的电压。图片来源:π陶瓷

弯曲设计长时间旅行和轻松集成

压电陶瓷致动器的操作特点是四个因素:

1. 精度
2. 速度
3. 高力
4. 相对较短的位移

由于执行机构的定位精度是分子影响的结果,它是免费的粘滞作用,无摩擦,可以分解成事实上控制的范围。高力运动也可以施加在微秒。

压电机制的基石是最新一代的燃油喷射阀,超分辨率显微镜,半导体光刻工具和nanoscale-precision计量和定位系统的一个数组。

压电堆栈的运动只限于其物理长度的0.1%左右。在应用程序需要更长的运动范围,易于安装和集成时,建议使用一个放大器曲致动器与一个完整的运动。这些曲致动器依赖于压电堆栈为其核心操作(图9)。

图9。一个非常基本的压电运动放大器基于一个简单的平行四边形曲杆和指导系统。的放大r(传动比)/ (a + b)。典型曲致动器明显更复杂和生产基于电火花(电火花加工)过程。图片来源:π(物理学Instrumente) LP

根据其具体的设计、运动范围可以被放大20倍,同时保持保护从横向和拉力,确保有效的精确指导补充道。

运动范围并减少刚度的增加,然而,这意味着必须仔细平衡管理之间的最大位移、刚度和力。

压电弯曲执行机构可以在一系列的配置和精心设计的规定。这些都是容易融入设计的机制(图10,图11)——一个因素是他们的核心效用和受欢迎程度。

图10。低成本的运动放大压电致动器为OEM应用。图像显示集成压电堆栈致动器和预加载。位置反馈传感器是可选的。图片来源:π(物理学Instrumente) LP

图10 b。精密配料、计量。挠曲放大压电致动器提供福利在高速、高精度的阀门,相比传统的电磁或音圈驱动。图片来源:π(物理学Instrumente) LP

图11。高度集成压电弯曲为高精度定位装置nano-focus应用显微镜和表面计量。图片来源:π(物理学Instrumente) LP

他们使用的方方面面已经考虑和优化。

压电弯曲致动器的综合预加载机制甚至可以适应高动态驱动,和可选的位置反馈传感器安装在最好的位置,以确保可再生的hysteresis-free信息。他们健壮的挠曲指导适用于各种常见的应用程序。

易于控制

运动系统设计师受益于一系列压电运动控制器选项包含各种各样的功能和价格范围。

即使是最紧凑,成本效益和OEM-friendly单位拥有出色的特性,比如最新的高速数字和模拟通信接口,先进的全数字servo-algorithms自动校准,内部waveform-generation功能,数据记录仪的设计使评估瞬变和系统优化(图12、图13)。

图12。OEM董事会层面的压电驱动程序。图片来源:π(物理学Instrumente) LP

图13。紧凑、数字伺服压电运动控制器闭环压电机制。图片来源:π(物理学Instrumente) LP

什么是压电换能器和压电致动器的区别

当谈到压电设备,传感器和致动器通常是同义的。然而,当运动或力是主要目标,通常说的压电致动器,当感应到,结构健康监测或高频应用,如超声波、流或测量目标的距离,压电换能器是更常见的词。故障通常不是在共振,传感器通常。基本上都应对外部压力与构建一个电荷,反之亦然电场时,他们将会改变

压电运动和定位设备的未来

压电设备看到增加,更多样的使用在精密运动控制产品设计和应用是至关重要的。

压电堆作动器的最新一代曲致动器提供广泛的产品开发OEM设计师的选择,和压电陶瓷继续提供大量的运动控制解决方案的基础。

例如,压电马达是一个单独的类压电运动设备设计长时间旅行应用程序,因为他们提供精确、快速运动的距离远远超过1毫米。

压电马达可以分为几个子类别,包括惯性汽车、共振汽车和inchworm-type马达。也可用线性和旋转电机配置,每个提供特定的性能特征。

视频3。压电马达结合长旅行范围和高精度运动。这动画解释了几种类型的压电马达为不同的应用程序。视频来源:π(物理学Instrumente) LP

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