акустика / nagaenko_av_pezoelektricheskie_preobrazovateli

Процесс изготовления низковольтных пьезоактюаторов полностью отличается от изготовления дискретных актюаторов. Рассмотрим этот процесс более подробно. Синтезированный измельченный пьезокерамический материал смешивают с органическим связующим, соотношение компонентов подбирают таким образом, чтобы получился достаточно жидкий шликер. Из полученного шликера на подложку разливают подложку, тем самым получая

«пленку» толщиной порядка 10-200 мкм из пьезоматериала. На высушенную пьезокерамическую «пленку» наносят металлические электроды, после чего элементы дублируют и собирают в пакет. Затем собранные пакеты прессуют для увеличения плотности и удаления воздуха между слоями, результате чего увеличивается площадь контакта между слоями. Спекание (спайка) слоев также происходит под давлением тем самым достигается высокая плотность пьезокерамического пакета. После спекания на боковые поверхности актюатора наносят внешние металлические электроды, так чтобы обеспечить параллельное соединение элементов, к этим электродам припаиваются провода для подключения к источнику напряжения, после чего пакет поляризуется.

Если раньше применение пьезоэлектрических актюаторов ограничивалось задачами точного позиционирования различных объектов, то сегодня они находят применение в различных областях науки и техники.

Например, адаптивные оптические структуры, системы впрыска (клапан,

инжекторы) и системы подавления вибрации. Разнообразие сфер внедрения актюаторов требует создания новых типов и видов их конструкций, которые могут быть корпусными, бескорпусными, с предварительным механическим нагружением и т.п.

Соотношение хода и развиваемой силы пакетных актюаторов.

Пьезоэлектрический актюатор, как отмечалось ранее, работает на обратном пьезоэффекте, т.е. преобразует электрическую энергию, получаемую от внешнего источника в механическую, а именно в перемещение и/или силу,

которые передаются другим механизмам.

91

На рис. 39 представлена схема взаимодействия актюатора и ведомого механизма их взаимодействие зависит от их жесткостей Sпьезо (жесткость пьезокерамики) и Sмех (жесткость ведомой механической системы).

Рис. 39. Схема сопряжения актюатора [18]

Зависимость хода пьезоэлектрического актюатора от приложенного напряжения. Если жесткость ведомой механическая системы пренебрежительно мала (Sмех = 0), т.е. система полностью пластична, то сила,

которую генерирует актюатор тоже равна нулю, но при этом развивается максимально возможный ход.

Зависимость блокирующей силы пьезоэлектрического актюатора от приложенного напряжения. В случае если ведомая механическая система обладает бесконечно большой жесткостью (Sмех = ∞), то генерируемая сила будет максимальной, но в этом случае ход актюатора будет равен нулю.

Зависимость хода и блокирующий силы пьезоэлектрического актюатора от приложенного напряжения. Реальным условием работы пьезоэлектрического актюатора является случай, когда 0 < Sмех < ∞, т.е.

актюатор генерирует и силу и осуществляет перемещение. Соотношение сила/ход можно определить по графику представленному на рис. 40. Построим прямую, которая соединяет максимально возможный ход ∆lmax актюатора и его максимальную блокирующую силу Fb, ход и сила определяются при максимальном управляющем напряжении. Теперь из начала координат проведем прямую, которая соответствует реальной жесткости ведомого механизма (Н/мкм). Точка (А), в которой обе прямые пересекутся соответствует достижимым актюатором значений хода и силы при воздействии на него максимального электрического напряжения.

92

Рис. 40. График соотношения хода и генерируемой силы в зависимости от управляющего напряжения [18]

Рассмотрим еще одно возможное условие работы пьезоэлектрического актюатора, когда Sмех = Sпьезо. В этом случае и ход и блокирующая сила достигает 50% от максимально возможных значений, т.о. можно говорить, что актюатор работает максимально эффективно, т.к. его механическая энергия наиболее эффективно передается ведомому механизму.

Биморфная конструкция. Как говорилось ранее конструкция биморфа состоит из двух пьезокерамических элементов или элемента, и

например, металлической пластины, которые склеены или спаяны между собой. Если биморф состоит из двух одинаковых пьезокерамических элементов (одинаковые геометрические размеры и материал изготовления),

то такой биморф принято называть симметричным. Соответственно, если биморф состоит из пьезоэлемента и пластины (металлической или керамической), то такой биморф называют асимметричным. Как видно из определений под симметрией понимается симметрия свойств пьезокерамического материала.

Элементы в биморфах соединяют либо последовательно (рис. 41 а),

либо параллельно (рис. 41 б).

93

Рис. 41. Соединение пьезоэлементов в симметричном биморфном преобразователе последовательное (а) и параллельное (б) [18]

Равенство размеров пьезоэлементов в симметричных биморфах, а

особенно равенство их толщин, обеспечивает высокую чувствительность актюаторов. Стоит отметить, что при последовательном включении пьезоэлементов чувствительность актюатора приблизительно в четыре раза выше, чем при параллельном включении.

Биморфная конструкция пьезоэлектрических актюаторов, позволяет увеличить диапазон перемещений от микрометров до единиц миллиметров, а

также возможности угловых перемещений, при этом блокирующая сила имеет не высокие значения.

Элементарный биморфный актюатор, состоит из двух склеенных пьезокерамических элементов, управляющий электрический сигнал подают таким образом, чтобы один пьезоэлемент сжимался, а другой растягивался

(рис. 42).

Рис. 42. Конструкции биморфных актюаторов [18]

94

При такой схеме подключения изгибается вся конструкция и в том случае если биморф зафиксирован только с одной стороны (рис. 42 а), то осуществляется угловое перемещение. Если теперь зафиксировать оба конца биморфа линейные изгибные перемещения (рис. 42 б).

Пьезоэлектрические двигатели. Отличие актюатора от пьезодвигателя заключается в том, что вторые имеют полностью завершенную конструкцию, которая представляет собой функциональное устройство способное обеспечивать угловые либо линейные перемещения. В

состав пьезодвигателя могут входить как один, так и несколько актюаторов,

расположенных в одном корпусе с различными конструктивными элементами. Помимо актюаторов и конструктивных элементов в состав пьезодвигателей в зависимости от их назначения могут входить всевозможные датчики и преобразователи. Но какие бы технические средства и вспомогательная аппаратура не входили в конструкцию пьезодвигателя,

основным его элементов является актюатор.

В настоящее время выделяют три основные группы пьезодвигателей

[18]:

1.Резонансные (ультразвуковые) двигатели линейных и угловых перемещений (ударного действия)

2.Силовые двигатели с ограниченным диапазоном угловых и линейных перемещений.

3.Шаговые двигатели микроманипуляторы.

Пьезоэлектрические генераторы

Чтобы описать принцип работы пьезоэлектрического генератора достаточно знать два параметра, которые характеризуют пьезокерамический материал, из которого изготовлен активный элемент. Этими двумя параметрами, являются относительная диэлектрическая проницаемость, т.к.

она связанна с емкостью пьезоэлемента и его пьезомодуль, который в свою очередь характеризует величину генерируемого заряда при воздействии на

95

элемент внешней механической силы. Оба эти параметра, являются характеристиками пьезокерамического материала, т.е. какой бы формы не был изготовлен элемент его диэлектрическая проницаемость и пьезомодуль будут постоянными. Пьезокерамический элемент может иметь три пьезомодуля (d33, d31, d15), в зависимости от ориентации направления вектора поляризации и прикладываемой силы. Максимальными значениями из трех пьезомодулей,

обладает пьезомодуль d33, поэтому при выборе материала для конструирования пьезогенераторов особое внимание уделяют пьезокерамическим материалам с высокими значениями пьезомодуля d33

(более 500 пКл/Н). Зная величину заряда, которую генерирует пьезоэлемент

= 33 , можно определить напряжение на электродах =

На практике полученное напряжение от пьезогенераторов используют либо для создания искры (воспламенители, взрыватели и т.д.) либо же оно может аккумулироваться в источниках питания, рассмотрим оба варианта использования.

На сегодняшний день разработаны и применяются две принципиальные схемы использования пьезогенераторов для накопления энергии, различие этих схем заключается в используемой моде колебаний

(«вид пьезоэффекта») поперечной или продольной (рис. 43). Схема продольного пьезоэлектрического генератора представлена на рис. 43 а и поперечного пьезогенератора, работающего на изгибных модах на рис. 43 б.

Рис. 43. Схемы пьезогенераторов работающих на продольной (а) и

поперечной моде колебаний (б) [19]

96

Активный элемент продольного пьезогенератора (рис 43, а) выполняют либо одиночным монолитным пьезоэлементом, либо многослойным.

Пьезогенератор активный элемент которого, выполнен в виде многослойной конструкции, имеет большую генерируемую мощность по сравнению с монолитным, в связи с чем получил более широкое распространение [19, 20].

Также в последнее время все чаще используются и поперечные

(изгибные) пьезогенераторы (рис 43 б), которые разделяются на два типа микро– и макропьезогенераторы.

Микропьезогенераторы используют в небольших электронных устройствах, мобильной связи, бытовой техники, системах навигации и т.д.

Если в электронных устройствах требуется источник питания достаточно большой мощности, то применяют различные макропьезогененраторы. Наиболее известным применением макропьезогенераторов является их использование в Токийском метро, где они встроены в пол на входе станции [21], а запасенная от них энергия расходуется для ее освещения.

Еще одним известным примером использования пьезогенераторов в качестве источников энергии, является их использование при освещении автомобильной дороги в Израиле [21]. Суть изобретения заключается в том,

что пьезогенераторы монтируются в дорожное полотно, которое деформируясь под движущимся транспортом вырабатывает электрическую энергию, запасаемую в аккумуляторах, и которая затем расходуется в ночное время для освещения проезжей части (рис. 44).

Работу пьезогенератора для создания искры рассмотрим на примере зажигалки. Речь пойдёт о пьезозажигалке нажимного действия.

Пьезозажигалка – это один из лучших примеров, использования пьезогенератора не накопителя энергии.

Рассмотрим принципиальную схему пьезогенератора (рис. 45).

Упрощенная модель состоит из рычага с опорой, который позволяет воздействовать на пьезоэлементы с различным усилием.

97

Рис. 44. Использование запасенной от пьезогенератора энергии [21]

Рис. 45. Схема пьезогенератора (пьезозажигалки) [22]

На приведенной схеме (рис. 45) пьезоэлементы выполнены в форме цилиндров, поляризованных по высоте, которые расположены друг на друге таким образом, что одни одноименно заряженные поверхности соприкасаются, а

другие замкнуты рычажным механизмом. Параллельное расположение пьезоэлементов позволяет подвергать их воздействию одной и той же силы. Если от соприкасающихся поверхностей пьезоэлементов, вывести токовывод и разместить его на некотором расстоянии от металлической поверхности основания рычажного механизма, то при воздействии с силой на рычаг произойдет электрический пробой между токовыводом и основанием. При увеличении силы воздействия на рычаг, можно увидеть еще один пробой и т.д.

пока не произойдет разрушение пьезоэлемента. Таков принцип действия пьезогенератора в качестве воспламенителей.

98

ЛИТЕРАТУРА

1.Свирская С.Н. Пьезокерамическое материаловедение: учеб. пособие / С.Н. Свирская; – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2009. – 82 с.

2.Земляков В.Л. Методы и средства измерений в пьезоэлектрическом приборостроении: Монография / В.Л. Земляков; – Ростов-

на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2009. - 180 с.

3.https://www.oaopiezo.com/theory_4.html

4.Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны / Г.М. Свердлин. – Л.: Судостроение, 1980. – 234 с.

5.Простаков А.Л. Гидроакустика и корабль / А.Л. Простаков. – Л.: Судостроение, 1967. – 200 с.

6.Свердлин Г.М. Расчет преобразователей / Г.М. Свердлин, Ю.П. Огурцов. Л.: Изд-во Ленинградского кораблестроительного института, 1976. –

50 с.

7. Подводные электроакустические преобразователи: Расчет и

проектирование: Справочник / под ред. В.В. Богородского; Л.: Судостроение,

1983 – 248 с.

8.Иофе В.К. Расчетные графики и таблицы по электроакустики / В.К. Иофе, А.А. Янпольский. М. –Л.: Госэнергоиздат, 1954. – 524 с.

9.Камп Л. Подводная акустика / Л. Камп. –М.: Мир, 1972. – 328 с.

10.Карташев И.А. Пьезокерамические трансформаторы тока / И.А. Карташев, Н.Б. Марченко. – Киев: Технiка, 1978. – 176 с.

11.Ерофеев А.А. Пьезокерамические трансформаторы и их применение в радиоэлектронике / А.А. Ерофеев, Г.А. Данов, В.Н. Фролов. – М.: Радио и связь 1988. – 128 с.

12.Горошкевич А.А. Зажигающее устройство на

пьезотрансформаторе для разрядных ламп высокого давления / А.А.

с. 22–23

99

13.Juhyun Yoo Electrical charaсteristics of nigh power piezoelectric transformer for 28W fluorescent Lamp / Juhyun Yoo, Kwanghee Yoon, Songmo Hwang, Sungjae Suh, Jongsun Kim, Chungsik Yoo // Sensor and Actuators. A90. 2001.

14.Проектирование датчиков для измерения механических величин/

Под общ. ред. Е.П. Осадчего. – М.: Машиностроение. 1979. –480 с.

15.https://studopedia.su/19_137221_chastotno-rezonansniy-datchik- davleniya.html

16.Янчич В.В. Пьезоэлектрические датчики вибрационного и ударного ускорения: учебное пособие / В.В. Янчич; – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2008. – 78 с.

17.Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара:

Справочник. В 2-х кн. Кн. 1/Под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение,

1978. – 448 с.

18.Исполнительные устройства и системы для микроперемещений /

А.А. Бобцов [и др.] – СПб: Университет ИТМО, 2017. – 134 с.

19.http://www.relga.ru/Environ/WebObjects/tgu-www.woa/wa/Main? textid=2928&level1=main&level2=articles

20.http:// teros.org.ru/content/view/602/135/

21.http: // venture – buz.ru/energetika – energosberegenie/44-piezote

22.https://avrora-binib.ru/stati/pezokeramicheskie_istochniki_vysokogo_ napryazheniya/

100