多層壓電執(zhí)行器的應(yīng)用

傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成了過程和制造行業(yè)中現(xiàn)代儀表系統(tǒng)的支柱。傳感器是充當(dāng)機(jī)器眼睛和耳朵的輸入設(shè)備，而執(zhí)行器是使物體移動的輸出設(shè)備。致動器本質(zhì)上是一種機(jī)械或機(jī)電設(shè)備，它響應(yīng)控制刺激產(chǎn)生運(yùn)動。

在典型的控制系統(tǒng)中，傳感器向微控制器提供信息，并根據(jù)此信息激活執(zhí)行器。這一系列操作是所有工業(yè)控制、儀器儀表和自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過下圖可以更好地理解此機(jī)制：

圖 1：簡單的控制系統(tǒng)

典型的執(zhí)行器需要兩種類型的信號：1）控制信號2）電源信號?？刂菩盘柛嬖V執(zhí)行器何時(shí)以及在多大程度上產(chǎn)生運(yùn)動，而電源信號用于保持設(shè)備通電。根據(jù)電源的類型，執(zhí)行器可分為三類：

水力的

氣動

機(jī)電

液壓和氣動執(zhí)行器是機(jī)械型設(shè)備，而機(jī)電執(zhí)行器使用電能。有許多不同類型的機(jī)電致動器，但在本文中，我們將重點(diǎn)介紹 KEMET 的多層壓電致動器。

什么是壓電促動器？

在討論壓電促動器之前，了解壓電的概念很重要。某些材料響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生電壓的能力稱為壓電。對壓電材料施加機(jī)械應(yīng)力將在材料的輸出端產(chǎn)生電壓。相反，對壓電材料施加輸入電壓會導(dǎo)致輸出端的機(jī)械運(yùn)動，例如聲音、振動或位移。壓電現(xiàn)象如下圖所示：

圖2：壓電現(xiàn)象

利用壓電原理，可以構(gòu)建各種類型的電氣和電子設(shè)備，包括傳感器和執(zhí)行器。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，壓電促動器有兩種類型：1）單層促動器2）多層促動器。

單層和多層壓電致動器的比較

顧名思義，單層壓電促動器由單個(gè)壓電元件制成，而多層壓電促動器由堆疊在一起的多層壓電材料組成。下圖顯示了兩種類型的執(zhí)行器：

圖 3：單層與多層壓電執(zhí)行器

多級壓電致動器在相同施加的電壓下提供更廣泛的力和位移。這是因?yàn)閴弘娫亩询B會產(chǎn)生乘法效應(yīng)。單層壓電致動器在1kV時(shí)產(chǎn)生1μm位移。相比之下，多層壓電致動器在100V時(shí)產(chǎn)生100μm位移。因此，多級壓電致動器在100倍的電壓下產(chǎn)生10倍的力。這些數(shù)字證明這兩種類型的執(zhí)行器的性能差異是巨大的。具有高力大小的低工作電壓擴(kuò)展了壓電執(zhí)行器的功能，使其適用于更廣泛的控制應(yīng)用。KEMET 的多級壓電致動器中使用的陶瓷材料是 PZT（鋯鈦酸鉛）。

壓電促動器與電磁促動器相比如何？

機(jī)電致動器的構(gòu)造有兩種主要技術(shù)：1）電磁學(xué)2）壓電性。壓電致動器在力輸出、精度、響應(yīng)時(shí)間、效率、控制和尺寸方面優(yōu)于電磁促動器。下圖顯示了這兩種執(zhí)行器技術(shù)的比較：

圖4：電磁和壓電致動器的比較

從比較中可以清楚地看出，壓電促動器在力、精度、響應(yīng)時(shí)間、控制和尺寸方面具有出色的性能。這些致動器落后于電磁致動器的唯一領(lǐng)域是位移。電磁致動器產(chǎn)生的位移在幾毫米的范圍內(nèi)，而壓電致動器產(chǎn)生的位移為幾微米量級。然而，隨著多級壓電致動器技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計(jì)位移響應(yīng)會隨著時(shí)間的推移而變得更好。

KEMET 壓電執(zhí)行器如何更好？

仔細(xì)看看KEMET 壓電執(zhí)行器揭示了與傳統(tǒng)壓電促動器相比的一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變化。主要區(qū)別在于電極的位置和結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的壓電致動器具有部分內(nèi)部電極，而KEMET壓電致動器具有完整的內(nèi)部電極。部分內(nèi)部電極承受機(jī)械應(yīng)力的能力較低，因此它們很容易破裂或斷裂。相反，全內(nèi)部電極表現(xiàn)出高可靠性、耐用性和高效性能。傳統(tǒng)和KEMET壓電致動器的電極結(jié)構(gòu)差異如下圖所示：

圖 5：KEMET 與傳統(tǒng)壓電致動器的比較

KEMET 壓電執(zhí)行器產(chǎn)品

KEMET 提供各種多級壓電執(zhí)行器，涵蓋廣泛的工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用。KEMET 的多級壓電執(zhí)行器分為兩大類：

樹脂涂層型執(zhí)行器

金屬外殼型執(zhí)行器

樹脂涂層致動器是具有薄白色涂層的標(biāo)準(zhǔn)型致動器。此類別有兩個(gè)產(chǎn)品系列，即 AE 和 AER。AE系列由矩形外形的標(biāo)準(zhǔn)型致動器組成，而AER 系列由環(huán)型樹脂涂層致動器組成。

金屬外殼類型類別由三個(gè)產(chǎn)品系列組成，即ASB,阿斯利和AHB.這些是具有更高熱額定值的高性能執(zhí)行器。ASL 系列提供高達(dá) 150 的熱額定值oC. AHB 系列提供 85 的熱額定值oC具有更高的排量。

圖 6：KEMET 執(zhí)行器產(chǎn)品

圖7：金屬型壓電執(zhí)行器的構(gòu)造

多級壓電促動器的應(yīng)用

多級壓電促動器可用于廣泛的應(yīng)用。這些高性能執(zhí)行器的一些主要應(yīng)用包括：

精密加工和位置控制系統(tǒng)（XY載物臺、零件送料機(jī)、針織機(jī)）

半導(dǎo)體組裝和制造（質(zhì)量流量控制器、步進(jìn)電機(jī)和納米印刷機(jī)）

光學(xué)儀器（鏡頭定位、自動對焦顯微鏡）

儀器儀表（振動控制、控制閥、測試儀器）

結(jié)論

機(jī)械和機(jī)電執(zhí)行器是所有類型的儀表和控制系統(tǒng)的重要組成部分。壓電致動器是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動的機(jī)電致動器。KEMET 多級壓電促動器與單層和傳統(tǒng)壓電促動器相比具有許多優(yōu)勢。它們具有卓越的精度、響應(yīng)時(shí)間、效率和控制特性。因此，它們非常適合需要高精度、準(zhǔn)確度和高效率的應(yīng)用。所以不要再等了。

審核編輯：郭婷