Piezoaktuátory. J. Tůma VŠB Technická univerzita Ostrava. Workshop Perspektivní projekty vývoje řídicích a senzorických technologií 2012

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Piezoaktuátory. J. Tůma VŠB Technická univerzita Ostrava. Workshop Perspektivní projekty vývoje řídicích a senzorických technologií 2012"

Drahomíra Tomanová
před 5 lety
Počet zobrazení:

1 Workshop Perspektivní projekty vývoje řídicích a senzorických technologií června, 2011, Hotel Ráztoka - Trojanovice Piezoaktuátory J. Tůma VŠB Technická univerzita Ostrava

2 Piezoelektrický jev Přímý piezoelektrický efekt objevili bratři Pierre a Jacques Curie. Zjistili, že některé krystalické materiály (keramika) mají schopnost se polarizovat, když na ně působí vnější síla. Mechanické napětí (tlak a tah) generují elektrický náboj a tím i elektrické pole úměrně vnější síle. Tento jev je využíván ve snímačích dynamické síly. Inverzní jev spočívá v tom, že elektrické pole, které je orientováno paralelně ke směru polarizace, vybudí mechanické roztažení nebo smrštění materiálu. Piezoelektrický efekt je anizotropní, tj. působí jen v určitém směru. Doména Dipól Mechanické napětí - Elektrické napětí + Elektrické pole Mechanické napětí Chování piezoelektrického materiálu v nepolarizovaném stavu (vlevo), polarizace po mechanickém stlačení (uprostřed) a polarizace po vložení piezoelektrického materiálu do elektrického pole (vpravo) 2

3 Piezoelectric coefficients and directions d ij : Strain coefficients [m/v]: strain developed (m/m) per electric field applied (V/m) or (due to the sensor / actuator properties of Piezo material). Charge output coefficients [C/N]: charge density developed (C/m²) per given stress (N/m²). g ij : Voltage coefficients or field output coefficients [Vm/N]: open circuit electric field developed (V/m) per applied mechanical stress (N/m²) or (due to the sensor / actuator properties of Piezo material) strain developed (m/m) per applied charge density (C/m²). k ij : Coupling coefficients [no Dimensionss]. The coefficients are energy ratios describing the conversion from mechanical to electrical energy or vice versa i strain direction j polarization direction polarization Example: d 33 applies when the electric field is along the polarization axis (direction 3) and the strain (deflection) is along the same axis. d 31 applies if the electric field is in the same direction as before, but the strain is in the 1 axis (orthogonal to the polarization axis)

4 Piezoelektrické materiály Nejvíce populárním piezoelektrickým materiálem je keramika PZT (Lead- Zirconate-Titanate) nebo polymer PVDF (Polyvinilidene fluoride). Materiál PZT PVDF Piezoelektrické konstanty d 33 (10-12 C/N nebo m/v) d 31 (10-12 C/N nebo m/v) jednoosý d 31 =15 d 32 =3 dvouosý d 31 =d 32 ==3 Maximální napětí (MPa) tlak tah Max. intenzita elektrického pole (V/mm) Hustota (kg/m 3 )

5 Typy piezoaktuátorů V literatuře se uvádějí tři typy piezoelektrických aktuátorů Lineární piezoelektrický aktuátor Lineární motory o Housenkové motory (inchworm motors) o Stick and slip actuators o Putující ultrazvuková vlna (traveling wave ultrasonic motors) Vetknutý nosník s piezoaktuátorem (piezoelectric benders) 5

6 Lineární piezoelektrický aktuátor Protažení piezoelektrických aktuátorů L d33nu L E3L d 31 ΔL t n U L ΔL 2 1 U L piezoelectric stack laminární piezoaktuátor 6

7 Aplikace Aktivní příčky s piezoaktuátorem piezoaktuátor U 7

8 Provedení piezoaktuátorů Stack actuator keramické destičky Tloušťka 0,1 mm V, nízkonapěťová (LVPZ - Low voltage piezo) Tloušťka 1 mm V, nízkonapěťová (HVPZ - High voltage piezo) Maximální protažení je mezi 0,1 až 0,13 %, což znamená, že aktuátor o délce 100 mm má maximální protažení 100 μm. Tyto prvky vykazují hysterezí až 15 %. síla elektrické napětí roste Dvě provedení podle výbavy: Piezoaktuátory jen s napěťovým vstupem Piezoaktuátory s odměřováním protažení (SGS-position sensors) 0 Katalogové hodnoty 0 protažení Protažení Síla 8

9 Výrobky firmy Physic Instrument Lineární piezoelektrické aktuátory E-504 Piezo Amplifier Module E-509 Signal Conditioner / Piezo Servo Module 9

10 Piezoactuators of the P-844 / P-845 type Outstanding Lifetime Due to PICMA Piezo Ceramic Stacks Travel Range to 90 µm Pushing Forces to 3000 N Pulling Forces to 700 N Sub-Millisecond Response, Sub-Nanometer Resolution Vacuum Version, Optional Water-Resistant Case 10

11 Technical Data and Product Order Numbers 11

12 Inchworm motors Housenkové motory 12

13 Stick and slip actuator Držet a skluz Základní poloha Setrvačná hmota piezo základna Pomalé protažení Setrvačná hmota piezo základna Setrvačná hmota Rychlá kontrakce piezo základna Δx 13

Podobné dokumenty

Piezoaktuátory v systémech aktivního potlačování vibrací strojů

mechatronické systémy Piezoaktuátory v systémech aktivního potlačování vibrací strojů Jiří TŮMA Spolupráce: Jiří Šimek, Jaromír Škuta, Miroslav Mahdal, Vladimír Starý, Antonín Víteček, Renáta Wagnerová