時間:2020-11-30 14:43:39來源:普愛納米位移技術(shù)(上海)有限公司
PICMA多層壓電促動器
全瓷絕緣:
高可靠性和超長使用壽命
工作電壓低:
<150 V
高動態(tài):
幾微秒范圍內(nèi)的響應(yīng)時間
產(chǎn)生較大的力
最小功耗
保持位置時
圖1:各種不同設(shè)計(jì)形式的PICMA促動器
PICMA壓電促動器中,全瓷絕緣層可保護(hù)壓電陶瓷材料不受濕度影響,避免由此增加的泄漏電流造成故障。即使是在極端環(huán)境條件下,PICMA 促動器的整體式壓電陶瓷塊仍然具有極高的可靠性,從而將使用壽命延長幾個數(shù)量級。由于這一無機(jī)陶瓷保護(hù)層,PICMA 多層促動器的性能已經(jīng)證實(shí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聚合物絕緣促動器。目前,有多種不同設(shè)計(jì)形式和位移模態(tài)的PICMA多層壓電促動器可供選擇。
溫度范圍廣
320°C這一極高的居里溫度可實(shí)現(xiàn)高達(dá)150°C的使用溫度范圍,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)多層促動器的80°C限值,即使在低溫范圍內(nèi),PICMA壓電促動器在工作時的行程也更短,
最佳UHV兼容性
獨(dú)家使用的用于絕緣和電接觸等無機(jī)材料為在超真空環(huán)境中的使用提供了最佳條件:無出氣、烘烤溫度高,
磁場中呈中性
所有促動器都僅由非鐵磁性材料制成,殘余磁性極低,僅有幾納特斯拉的范圍
高可靠性和長使用壽命的專利設(shè)計(jì)
內(nèi)部電極和壓電陶瓷被燒結(jié)在一起(共燒 技術(shù)),形成整體壓電陶瓷塊。無極陶瓷絕緣層 可阻止水分子的滲透,與僅帶聚合物涂層的多層促動器(圖2)相比,該類促動器的使用壽命可延長幾個數(shù)量級。同時,敏感的內(nèi)部電極防護(hù)相當(dāng)可靠,可防止機(jī)械損壞和腐蝕。
圖2:帶全瓷絕緣的PICMA?多層壓電陶瓷促動器設(shè)計(jì)
減小機(jī)械張力
PICMA促動器一側(cè)的槽能有效防止堆疊鈍化區(qū)產(chǎn)生過大的機(jī)械拉伸應(yīng)力,并且阻止可能導(dǎo)致電擊穿進(jìn)而造成促動器損壞的失控膨脹裂縫的形成(圖3)。即使是在極端動態(tài)負(fù)載下,外部接觸片的一曲折型設(shè)計(jì)也能保證與所有內(nèi)部電極的穩(wěn)定電接觸(圖4)。
圖3:帶輪廓分明的槽的專利PICMA?促動器設(shè)計(jì)清晰可見。
圖4:帶專利外部電極的PICMA?促動器(高達(dá)20A的充電電流)
專利
在多層壓電促動器(PICMA)的技術(shù)領(lǐng)域,PI擁有以下專利和專利應(yīng)用:
DE10021919C2
DE10234787C1
ZL03813218.4
EP1512183A2
JP4667863
US7449077B2
直流操作下的使用壽命
納米定位應(yīng)用中,通常恒定電壓被更長時間地施加在壓電促動器上。直流操作模式中,使用壽命主要受大氣濕度的影響。若濕度和電壓值都非常高,化學(xué)反應(yīng)將會發(fā)生并釋放出氫分子,導(dǎo)致陶瓷復(fù)合材料脆化、損壞。在精心設(shè)計(jì)的測試中,專門開發(fā)了一個模型用以計(jì)算PICMA?堆疊型促動器的使用壽命。具體應(yīng)用中必須考慮下列因素:環(huán)境溫度、相對濕度以及施加電壓的電平。通過下面的簡單公式可快速估算出以小時為單位的平均使用壽命:
MTTF = AU ? AT ? AF
AU 工作 電壓 (V) | AT 溫度&(°C)| AF 相對 濕度RH (%)
使用壽命隨電壓減小成指數(shù)式增加。例如,80V (DC)時的預(yù)期使用壽命是100 V (DC)時的十倍。這一計(jì)算也可用于在使用壽命上對新應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化,且目前已處于設(shè)計(jì)階段。在這方面,驅(qū)動電壓的減小或利用防護(hù)空氣或促動器的封裝對溫度和大氣濕度進(jìn)行控制都是非常重要的
連續(xù)操作(100VDC、75%的相對濕度(RH)和45°C環(huán)境溫度下進(jìn)行)的圖中列出了以下數(shù)值:|
AU = 75(黑色曲線)
AT = 100(紅色曲線)
AF = 14 (藍(lán)色曲線)
產(chǎn)品的平均使用壽命為105000小時,即超過11年。
圖5:用于計(jì)算PICMA?堆疊型促動器在直流負(fù)載下的使用壽命的圖解
準(zhǔn)靜態(tài)條件下的加速壽命測試
由于其極高的可靠性,利用實(shí)驗(yàn)確定PICMA?促動器在實(shí)際應(yīng)用條件下的使用壽命幾乎不可能。因此,極端負(fù)載條件下的測試被用來估算其使用壽命:升高大氣濕度的同時提高環(huán)境溫度及控制電壓(圖6)。
圖6:使用更大的相對濕度進(jìn)行加速壽命測試的結(jié)果(測試條件:PICMA?帶聚合物涂層的堆疊型促動器,尺寸:5×5×18mm3,100V DC,22°C,90%RH)
泄漏電流
泄漏電流的測量充分證實(shí)了PICMA? 促動器的整體式設(shè)計(jì)可十分有效地阻止水分的滲透(圖7)。PICMA? 促動器的高絕緣電阻經(jīng)過幾十個時間周期仍可保持穩(wěn)定,而對于帶聚合物涂層的傳統(tǒng)促動器,僅幾小時后,其泄漏電流現(xiàn)就就明顯加劇。
圖7:與噴涂聚合物涂層的多層壓電促動器相比,PICMA?壓電促動器的相對泄漏電流(基礎(chǔ)曲線,紅色)(測試條件:100VDC,25°C,70%RH)
動態(tài)連續(xù)操作(AC)下的使用壽命
一般情況下,帶快速交變電場和較高控制電壓(典型為>50Hz; >50V)的循環(huán)荷載常見于以下應(yīng)用:>> 閥 或 >> 泵。在這些情況下,壓電促動器將達(dá)到極高的疲勞破壞循環(huán)數(shù),
而影響壓電促動器使用壽命最重要的因素為 電壓 和信號形狀。另一方面,由于壓電陶瓷的自加熱,局部濕度減小,其影響可以忽略不計(jì)。
PICMA促動器的持續(xù)測試
經(jīng)過數(shù)十億次循環(huán),未發(fā)現(xiàn)有性能上的磨損。 測試條件>4.0×109次循環(huán);
用每天1.0×107次循環(huán)進(jìn)行116Hz正弦波激勵;
15MPa預(yù)載
圖8:P-885.50 PICMA?壓電促動器的動態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)
應(yīng)用
工業(yè)應(yīng)用
在極高控制頻率下進(jìn)行的測試證實(shí)了PICMA 壓電促動器的魯棒性。采取1157Hz、120V單極電壓的正弦信號(相當(dāng)于每天108次循環(huán))利用壓縮空氣冷卻在室溫下運(yùn)行帶預(yù)載的PICMA促動器(尺寸為5mm×5mm×36mm),在經(jīng)歷長達(dá)1010 次工作循環(huán)后,促動器無任何故障,位移也未表現(xiàn)出明顯變化。
太空應(yīng)用
NASA完成的性能和使用壽命測試表明PICMA 多層壓電促動器在經(jīng)歷1000億(1011)次循環(huán)后位移仍可達(dá)到原來的96%,因此NASA從大量不同的壓電促動器中選擇了它在火星探測器“好奇號”的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用。PI Ceramic為火星探測器“好奇號”提供壓電促動器
中國傳動網(wǎng)版權(quán)與免責(zé)聲明:凡本網(wǎng)注明[來源:中國傳動網(wǎng)]的所有文字、圖片、音視和視頻文件,版權(quán)均為中國傳動網(wǎng)(m.u63ivq3.com)獨(dú)家所有。如需轉(zhuǎn)載請與0755-82949061聯(lián)系。任何媒體、網(wǎng)站或個人轉(zhuǎn)載使用時須注明來源“中國傳動網(wǎng)”,違反者本網(wǎng)將追究其法律責(zé)任。
本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明其他來源的稿件,均來自互聯(lián)網(wǎng)或業(yè)內(nèi)投稿人士,版權(quán)屬于原版權(quán)人。轉(zhuǎn)載請保留稿件來源及作者,禁止擅自篡改,違者自負(fù)版權(quán)法律責(zé)任。