Co je piezoelektrický aktuátor?

Piezoelektrický ovladač je formou mikro-řídicího elektromechanického systému. Spoléhá se na piezoelektrický efekt u některých krystalů, takže když je na krystal aplikováno elektrické pole, vytváří ve své strukturální mřížce mechanické napětí, které lze převést do pohybu v měřítku mikrometrů nebo nanometrů. Typy pohonů se mohou pohybovat od těžkých průmyslových systémů, které jsou poháněny pneumatickou nebo hydraulickou silou, až po malé piezoelektrické ovladače, které mají velmi omezený, ale přesně regulovaný rozsah pohybu. Typický piezoelektrický ovladač bude generovat podélný pohyb, když je elektrická síla aplikována na jednotku hřídele nebo jiného mechanického spojení s rozsahem posunu přibližně 4 až 17 mikronů (0,0002 až 0,0007 palce). Tento typ akčního členu je často začleněn do tenzometru známého také jako extenzometr, který se používá k měření velmi jemných úrovní kontrakce a expanze v materiálech a povrchech.

Existují tři obecné typy konstrukcí piezoelektrického ovladače nebo schémata pohybu, které určují jedinečný rozsah částí piezoelektrického ovladače, které tvoří mechanický pohyb zařízení. Jedná se o válcové, bimorfní a unimorfní nebo vícevrstvé ovladače a každý má také označení režimu, které je závislé na typu piezoelektrického koeficientu mechanického namáhání, které je indukováno. Vícevrstvý 33-režimový ovladač je navržen tak, aby generoval pohyb podél dráhy aplikovaného elektrického pole, zatímco válcový 31-režimový ovladač vykazuje pohyb kolmý na elektrickou sílu. Pohon s 15 režimy využívá smykové napětí v krystalu pro diagonální sílu, ale nejsou tak běžné jako jiné typy piezoelektrického ovladače, protože smykové napětí je složitější krystalovou reakcí, kterou je obtížné kontrolovat a pro kterou se vyrábějí systémy.

Účel, pro který se používá piezoelektrický ovladač, je obvykle založen na skutečnosti, že může mít mechanickou odezvu na elektrickou sílu v časovém rámci zlomku vteřiny, a rovněž při jeho činnosti nevyvolávat významné elektromagnetické rušení. To zahrnuje běžné použití pro komponenty v laditelných laserech a různých senzorech adaptivní optiky, jakož i mikroúrovňové řízení ventilů, kde průtok paliva je kritický pro množství generovaného tahu, například v systémech vstřikování paliva a avionických kontrolách. Piezoelektrický ovladač má také mnoho využití v oblasti medicíny, kde je zabudován do mikropumpy pro postupy, jako je dialýza a automatizované dávkovače léků nebo kapičkové dávkovače. Výzkumné oblasti také závisí na piezoelektrickém aktuátoru, jako například tam, kde je nezbytnou součástí mikroskopu atomové síly (AFM) v oblasti nanotechnologií.

Mezi další pokročilé oblasti výzkumu, které využívají piezoelektrický aktuátor, patří přesné obrábění, astronomické kontroly pro dalekohledy, biotechnologický výzkum, jakož i polovodičové inženýrství a výroba integrovaných obvodů. Některá z těchto polí vyžadují piezoelektrický ovladač, který může řídit rozsahy pohybů až na úroveň 2 mikronů (0,0001 palce) v časovém období kratším než 0,001 sekundy. Piezoelektrický aktuátor je také optimálním zařízením pro takové aplikace, protože má několik jedinečných charakteristik včetně velmi nízké spotřeby energie, negeneruje žádná magnetická pole a může pracovat při kryogenních teplotách. Pravděpodobně největším užitečným rysem zařízení je však to, že se jedná o polovodičové zařízení, které nevyžaduje žádná ozubená kola nebo ložiska, takže může být opakovaně provozováno až miliardykrát, aniž by vykazovalo známky zhoršení výkonu.