Wat is een piëzo-elektrische actuator?
De piëzo-elektrische actuator is een vorm van microbesturing elektromechanisch systeem. Het vertrouwt op het piëzo-elektrische effect met sommige kristallen, zodat wanneer een elektrisch veld op het kristal wordt aangelegd, het mechanische spanning in zijn structurele rooster creëert die kan worden omgezet in beweging op een micrometer of nanometer schaal. Soorten aandrijvingen kunnen variëren van zware industriële systemen die worden aangedreven door pneumatische of hydraulische kracht tot kleine piëzo-elektrische aandrijvingen, die een zeer beperkt maar nauwkeurig geregeld bewegingsbereik hebben. Een typische piëzo-elektrische actuator zal longitudinale beweging genereren wanneer elektrische kracht wordt uitgeoefend op de eenheid van een as of andere mechanische koppeling met een verplaatsingsbereik van ongeveer 4 tot 17 micron (0,0002 tot 0,0007 inch). Dit type actuatorsysteem wordt vaak opgenomen in een rekstrook, ook bekend als een extensometer, die wordt gebruikt om zeer fijne niveaus van contractie en uitzetting in materialen en oppervlakken te meten.
Er zijn drie algemene soorten piëzo-elektrische actuatorontwerpen of bewegingsschema's die het unieke bereik van piëzo-elektrische actuatoronderdelen bepalen die de mechanische beweging van het apparaat vormen. Dit zijn cilindrische, bimorfe en unimorfe of meerlagige actuatoren, en elk heeft ook een modusaanduiding die afhankelijk is van het type piëzo-elektrische coëfficiënt voor mechanische spanning die wordt veroorzaakt. Een meerlagige 33-modus actuator is ontworpen om beweging te genereren langs de baan van het aangelegde elektrische veld, terwijl een cilindrische 31-modus actuator beweging loodrecht op de elektrische kracht vertoont. Een 15-mode actuator gebruikt afschuifspanning in het kristal voor diagonale kracht, maar ze zijn niet zo gebruikelijk als andere soorten piëzo-elektrische actuator, omdat afschuifspanning een complexere kristalreactie is die moeilijk te controleren is en waarvoor systemen moeten worden vervaardigd.
Het doel waarvoor een piëzo-elektrische actuator wordt gebruikt, is meestal gebaseerd op het feit dat het een mechanische reactie op elektrische kracht kan hebben in een fractie van een seconde en ook geen significante elektromagnetische interferentie tijdens zijn werking kan genereren. Dit omvat algemeen gebruik voor de componenten in afstembare lasers en verschillende adaptieve optische sensoren, evenals microniveauregeling van kleppen waar de stroomsnelheid van brandstof kritisch is voor de hoeveelheid gegenereerde stuwkracht, zoals in brandstofinjectiesystemen en avionica-regelingen. De piëzo-elektrische actuator heeft ook veel toepassingen op het gebied van geneeskunde, waar hij is ingebouwd in micropompen voor procedures zoals dialyse en geautomatiseerde medicijndispensers of druppeldispensers. Onderzoekarena's zijn ook afhankelijk van de piëzo-elektrische actuator, zoals waar het een essentieel onderdeel is van de atoomkrachtmicroscoop (AFM) op het gebied van nanotechnologie.
Andere geavanceerde onderzoeksgebieden die de piëzo-elektrische actuator gebruiken, zijn onder meer precisiebewerking, astronomiebesturingen voor telescopen, biotechnologisch onderzoek, evenals halfgeleidertechniek en productie van geïntegreerde schakelingen. Sommige van deze velden vereisen een piëzo-elektrische actuator die bewegingsbereiken kan regelen tot een niveau van 2 micron (0,0001 inch) in een tijdsperiode van minder dan 0,001 seconden. De piëzo-elektrische actuator is ook een optimaal apparaat voor dergelijke toepassingen omdat het verschillende unieke kenmerken heeft, waaronder een zeer laag stroomverbruik, het genereert geen magnetische velden en het kan bij cryogene temperaturen werken. Waarschijnlijk is het grootste handige kenmerk van het apparaat echter dat het een solid-state apparaat is dat geen tandwielen of lagers nodig heeft, zodat het herhaaldelijk tot miljarden keren kan worden bediend zonder dat het aantoont dat de prestaties achteruitgaan.