Что такое пьезоэлектрическое устройство?

Что такое пьезоэлектрическое устройство?

Пьезоэлектрическое устройство — это пассивное устройство, которое использует пьезоэлектрический и обратный пьезоэлектрический эффекты, возникающие в диэлектрических материалах, таких как кварц и кварц, для управления и обнаружения микроопераций.

Благодаря своей простой структуре, не требующей шестеренок или двигателей для работы, пьезоэлектрические элементы меньше других элементов механизма микроопераций.

Применение пьезоэлектрических устройств

Пьезоэлектрические устройства в основном используются в устройствах, которые обнаруживают и контролируют мельчайшие движения для промышленных применений.

Например, пьезоэлектрические устройства используются в виброметрах, где незначительные изменения силы, вызванные вибрацией, подаются на пьезоэлектрические устройства в качестве давления, а напряжение, генерируемое в пьезоэлектрических устройствах под давлением, выводится для получения значения напряжения, которое количественно определяется как величина вибрации.

Пьезоэлектрические приводы также используются в качестве приводных систем, сопровождающих перемещения столика оборудования, такого как микроскопы и интерферометры, которые требуют точных движений.

Пьезоэлектрические устройства в таких системах привода называются пьезоэлектрическими драйверами или пьезоэлектрическими приводами, а многослойные приводы с несколькими пьезоэлектрическими устройствами также являются распространенными компонентами. В этих устройствах мельчайшие движения достигаются путем подачи мельчайших импульсных токов на пьезоэлектрические устройства. Пьезоэлектрические устройства подходят для ситуаций, требующих высокой отзывчивости и точного управления движением.

1. Охлаждение электронного оборудования

Хотя вентиляторы постоянного тока часто используются для охлаждения электронных устройств, таких как ПК, также были предложены методы охлаждения с использованием пьезоэлектрических устройств.

В частности, обратный пьезоэлектрический эффект пьезоэлектрических устройств используется для генерации ветра путем вибрации конструкции, состоящей из пьезоэлектрического устройства и лопасти, которая генерирует ветер.

Этот метод охлаждения с использованием пьезоэлектрических устройств производит меньше шума, чем вентиляторы постоянного тока, и может работать с меньшими затратами энергии.

Однако, когда пьезоэлектрические устройства и лопасти приводятся в действие в течение длительного времени, пьезоэлектрические устройства и лопасти могут отсоединиться, поэтому устанавливается опорная пластина для распределения нагрузки на конструкцию.

2. Генерация электроэнергии

Также разрабатываются системы генерации электроэнергии с использованием пьезоэлектрических устройств.

Например, лаборатория Frontier Service Research and Development Center компании JR East занимается исследованием «системы генерации электроэнергии на полу» и проводит демонстрационные испытания на станции Токио с 2006 года.

В частности, они изучают систему, в которой пьезоэлектрические устройства располагаются вертикально, горизонтально и вертикально, как пол, а электричество вырабатывается пьезоэлектрическим эффектом, когда люди ходят по полу.

Лаборатория Frontier Service Научно-исследовательского центра JR East оценивает, что количество вырабатываемой электроэнергии составит около 10 Вт·сек для запланированного демонстрационного эксперимента в 2008–2009 годах.

Таким образом, хотя мощность генерации электроэнергии не очень высока, а количество вырабатываемой электроэнергии несоизмеримо со стоимостью, пьезоэлектрические устройства являются хрупкими материалами с низкой прочностью. Исследования и разработки в настоящее время проводятся различными компаниями и научно-исследовательскими институтами, и тема заключается в том, может ли система генерировать электроэнергию на практическом уровне.

3. Динамики

Также были разработаны динамики, использующие пьезоэлектрические устройства.

Принцип пьезоэлектрических устройств

Основным материалом, используемым в пьезоэлектрических устройствах, является пьезокерамика. Пьезоэлектрические материалы имеют полярность, которая представляет собой электрическое искажение внутри кристалла.

Пьезоэлектрические устройства состоят из пьезоэлектрического материала, зажатого между положительными и отрицательными электродами.

При приложении напряжения между электродами давление оказывается на пьезоэлектрический материал, который расширяется или сжимается и смещается в соответствии с величиной напряжения. Это смещение используется в качестве движущей силы. Кроме того, можно также обнаружить напряжение, приложив давление, которое деформирует пьезоэлектрические устройства в противоположном направлении.

В нормальных условиях кристаллическая решетка в пьезоэлектрическом теле остается электрически стабильной, принимая ионы из атмосферы. Однако при приложении напряжения баланс легко нарушается, и полярность внутри кристалла меняется, заставляя саму кристаллическую решетку расширяться и сжиматься в направлении, указанном стрелкой, что является смещением пьезоэлектрического материала.

Другими словами, смещение пьезоэлектрического материала находится на уровне нескольких микрон максимум из-за деформации напряжения с использованием электронной полярности кристаллической решетки. Движущая сила самого пьезоэлектрического элемента обычно составляет всего несколько микрон.

По этой причине многослойный привод, состоящий из нескольких пьезоэлектрических устройств, используется, когда требуется еще большая движущая сила.

Другая информация о пьезоэлектрических устройствах

1. Принцип работы динамика с использованием пьезоэлектрических устройств

Это также основано на пьезоэлектрическом эффекте пьезоэлектрических устройств. Вибрирующие элементы помещаются в контакт с пьезоэлектрическими устройствами в направлении расширения и сжатия.

Когда на пьезоэлектрические устройства подается напряжение, пьезоэлектрические устройства расширяются и сжимаются из-за пьезоэлектрического эффекта, и вибрации передаются вибрирующему элементу для воспроизведения звука.

2. Конкретные продукты

Корпорация TDK продает динамик под названием PiezoListen™, в котором используются пьезоэлектрические устройства.

Базовая структура состоит из пьезоэлектрических устройств, покрытых смоляной пленкой и оснащенных рамой и клеммами для проводки.

Благодаря использованию пьезоэлектрических устройств, способных к высокому смещению, этот динамик увеличил выходную мощность в диапазоне низких частот и достиг выходной мощности в широком звуковом диапазоне.

Кроме того, использование тонкой керамики для пьезоэлектрических устройств сделало динамик меньше и тоньше.