多层压电执行器的应用

传感器和执行器构成了过程和制造行业中现代仪表系统的支柱。传感器是充当机器眼睛和耳朵的输入设备，而执行器是使物体移动的输出设备。致动器本质上是一种机械或机电设备，它响应控制刺激产生运动。

在典型的控制系统中，传感器向微控制器提供信息，并根据此信息激活执行器。这一系列操作是所有工业控制、仪器仪表和自动化系统的基础。通过下图可以更好地理解此机制：

图 1：简单的控制系统

典型的执行器需要两种类型的信号：1）控制信号2）电源信号。控制信号告诉执行器何时以及在多大程度上产生运动，而电源信号用于保持设备通电。根据电源的类型，执行器可分为三类：

水力的

气动

机电

液压和气动执行器是机械型设备，而机电执行器使用电能。有许多不同类型的机电致动器，但在本文中，我们将重点介绍 KEMET 的多层压电致动器。

什么是压电促动器？

在讨论压电促动器之前，了解压电的概念很重要。某些材料响应机械应力产生电压的能力称为压电。对压电材料施加机械应力将在材料的输出端产生电压。相反，对压电材料施加输入电压会导致输出端的机械运动，例如声音、振动或位移。压电现象如下图所示：

图2：压电现象

利用压电原理，可以构建各种类型的电气和电子设备，包括传感器和执行器。根据其结构，压电促动器有两种类型：1）单层促动器2）多层促动器。

单层和多层压电致动器的比较

顾名思义，单层压电促动器由单个压电元件制成，而多层压电促动器由堆叠在一起的多层压电材料组成。下图显示了两种类型的执行器：

图 3：单层与多层压电执行器

多级压电致动器在相同施加的电压下提供更广泛的力和位移。这是因为压电元件的堆叠会产生乘法效应。单层压电致动器在1kV时产生1μm位移。相比之下，多层压电致动器在100V时产生100μm位移。因此，多级压电致动器在100倍的电压下产生10倍的力。这些数字证明这两种类型的执行器的性能差异是巨大的。具有高力大小的低工作电压扩展了压电执行器的功能，使其适用于更广泛的控制应用。KEMET 的多级压电致动器中使用的陶瓷材料是 PZT（锆钛酸铅）。

压电促动器与电磁促动器相比如何？

机电致动器的构造有两种主要技术：1）电磁学2）压电性。压电致动器在力输出、精度、响应时间、效率、控制和尺寸方面优于电磁促动器。下图显示了这两种执行器技术的比较：

图4：电磁和压电致动器的比较

从比较中可以清楚地看出，压电促动器在力、精度、响应时间、控制和尺寸方面具有出色的性能。这些致动器落后于电磁致动器的唯一领域是位移。电磁致动器产生的位移在几毫米的范围内，而压电致动器产生的位移为几微米量级。然而，随着多级压电致动器技术的进步，预计位移响应会随着时间的推移而变得更好。

KEMET 压电执行器如何更好？

仔细看看KEMET 压电执行器揭示了与传统压电促动器相比的一些关键结构变化。主要区别在于电极的位置和结构。传统的压电致动器具有部分内部电极，而KEMET压电致动器具有完整的内部电极。部分内部电极承受机械应力的能力较低，因此它们很容易破裂或断裂。相反，全内部电极表现出高可靠性、耐用性和高效性能。传统和KEMET压电致动器的电极结构差异如下图所示：

图 5：KEMET 与传统压电致动器的比较

KEMET 压电执行器产品

KEMET 提供各种多级压电执行器，涵盖广泛的工业和商业应用。KEMET 的多级压电执行器分为两大类：

树脂涂层型执行器

金属外壳型执行器

树脂涂层致动器是具有薄白色涂层的标准型致动器。此类别有两个产品系列，即 AE 和 AER。AE系列由矩形外形的标准型致动器组成，而AER 系列由环型树脂涂层致动器组成。

金属外壳类型类别由三个产品系列组成，即ASB,阿斯利和AHB.这些是具有更高热额定值的高性能执行器。ASL 系列提供高达 150 的热额定值oC. AHB 系列提供 85 的热额定值oC具有更高的排量。

图 6：KEMET 执行器产品

图7：金属型压电执行器的构造

多级压电促动器的应用

多级压电促动器可用于广泛的应用。这些高性能执行器的一些主要应用包括：

精密加工和位置控制系统（XY载物台、零件送料机、针织机）

半导体组装和制造（质量流量控制器、步进电机和纳米印刷机）

光学仪器（镜头定位、自动对焦显微镜）

仪器仪表（振动控制、控制阀、测试仪器）

结论

机械和机电执行器是所有类型的仪表和控制系统的重要组成部分。压电致动器是将电能转换为机械运动的机电致动器。KEMET 多级压电促动器与单层和传统压电促动器相比具有许多优势。它们具有卓越的精度、响应时间、效率和控制特性。因此，它们非常适合需要高精度、准确度和高效率的应用。所以不要再等了。

审核编辑：郭婷