Co to jest siłownik piezoelektryczny?

Siłownik piezoelektryczny jest formą elektromechanicznego układu mikrokontroli. Opiera się on na działaniu piezoelektrycznym z niektórymi kryształami, tak że gdy do kryształu przyłożone jest pole elektryczne, powoduje ono naprężenie mechaniczne w jego strukturze strukturalnej, które można przełożyć na ruch w skali mikrometrycznej lub nanometrowej. Typy siłowników mogą obejmować zarówno ciężkie systemy przemysłowe zasilane siłą pneumatyczną lub hydrauliczną, jak i małe siłowniki piezoelektryczne, które mają bardzo ograniczony, ale precyzyjnie kontrolowany zakres ruchu. Typowy siłownik piezoelektryczny generuje ruch wzdłużny, gdy siła elektryczna zostanie przyłożona do zespołu wału lub innego mechanicznego połączenia o zakresie przesunięcia około 4 do 17 mikronów (0,0002 do 0,0007 cali). Ten typ układu wykonawczego jest często wbudowany w tensometr zwany również tensometrem, który służy do pomiaru bardzo drobnych poziomów skurczu i rozszerzania się materiałów i powierzchni.

Istnieją trzy ogólne typy konstrukcji piezoelektrycznych siłowników lub schematów ruchu, które określają unikalny zakres piezoelektrycznych części siłownika, które składają się na ruch mechaniczny urządzenia. Są to siłowniki cylindryczne, bimorficzne i unimorficzne lub wielowarstwowe, a każdy z nich ma również oznaczenie trybu, które zależy od rodzaju indukowanego naprężenia mechanicznego piezoelektrycznego. Wielowarstwowy siłownik 33-trybowy jest przeznaczony do generowania ruchu wzdłuż ścieżki przykładanego pola elektrycznego, podczas gdy cylindryczny siłownik 31-trybowy wykazuje ruch prostopadły do ​​siły elektrycznej. 15-trybowy siłownik wykorzystuje odkształcenie ścinające w krysztale dla siły przekątnej, ale nie są one tak powszechne, jak inne typy siłownika piezoelektrycznego, ponieważ odkształcenie ścinające jest bardziej złożoną reakcją krystaliczną, którą trudno kontrolować i dla której można wytwarzać układy.

Cel, w którym stosowany jest siłownik piezoelektryczny, jest zwykle oparty na fakcie, że może on reagować mechanicznie na siłę elektryczną w ułamku sekundy, a także nie generować znacznych zakłóceń elektromagnetycznych podczas jego działania. Obejmuje to powszechne zastosowanie elementów w laserach przestrajalnych i różnych adaptacyjnych czujnikach optycznych, a także sterowanie mikropoziomowe zaworów, w których natężenie przepływu paliwa ma kluczowe znaczenie dla generowanego ciągu, na przykład w układach wtrysku paliwa i układach sterowania awioniką. Piezoelektryczny siłownik ma również wiele zastosowań w dziedzinie medycyny, gdzie jest wbudowany w mikropompy do procedur takich jak dializa i automatyczne dozowniki leków lub dozowniki kropelek. Areny badawcze zależą również od siłownika piezoelektrycznego, na przykład tam, gdzie jest on niezbędnym składnikiem mikroskopu sił atomowych (AFM) w dziedzinie nanotechnologii.

Inne zaawansowane dziedziny badań wykorzystujące siłownik piezoelektryczny obejmują precyzyjną obróbkę, astronomiczne sterowanie teleskopami, badania biotechnologiczne, a także inżynierię półprzewodników i produkcję układów scalonych. Niektóre z tych pól wymagają piezoelektrycznego urządzenia uruchamiającego, które może kontrolować zakresy ruchu do poziomu 2 mikronów (0,0001 cala) w czasie krótszym niż 0,001 sekundy. Piezoelektryczny siłownik jest również optymalnym urządzeniem do takich zastosowań, ponieważ ma kilka unikalnych cech, w tym bardzo niskie zużycie energii, nie wytwarza pól magnetycznych i może działać w temperaturach kriogenicznych. Prawdopodobnie największą użyteczną cechą tego urządzenia jest jednak to, że jest to urządzenie półprzewodnikowe, które nie wymaga żadnych kół zębatych ani łożysk, dzięki czemu może być wielokrotnie eksploatowane do miliardów razy bez wykazywania pogorszenia wydajności.