PZ ∣ 压电叠堆陶瓷

压电陶瓷特性:堆叠压电陶瓷具有体积小、位移分辨率高、响应速度快、低压驱动、大出力。本产品使用于开环实验装置中,预连导线,易于集成,OEM应用的理想选择,也可单独购买半球端帽,如有问题可联系技术支持info@nanomotions.com咨询定制相关问题。

  • 分辨率: nm量级
  • 标称出力: 2000N~16000N
  • 使用温度: -25℃~+80℃
  • 驱动电压: 0~+150V
  • 商品特性: 提供开/闭环版本。
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客服热线:021-54668263

型号

外形尺寸

W×T×H(mm)1

最大/标称位移2

静电容量

谐振频率5

刚度

最大出力3

最大负载

使用温度范围4

重量

终端连接5

@Umax=+150 V

W×T×H [±0.1]

W1 [±0.1]

[μm±15%]

[μF±20%]

[kHz]

[N/μm±10%]

[N]

[N]

[℃]

【g】

【可选】

PZ 150/5×5/7

5×5×9

7.5

13/9

0.8

152

106.3

1600

2000

-25~+85

2.0

陶瓷半球端帽

PZ 150/5×5/20

5×5×18

7.5

28/20

1.6

76

47.2

1600

2000

-25~+85

3.8

陶瓷半球端帽

PZ 150/7×7/7

7×7×9

9.5

13/9

1.8

152

212.5

3500

4000

-25~+85

4.0

陶瓷半球端帽

PZ 150/7×7/20

7×7×18

9.5

28/20

3.6

76

94.4

3500

4000

-25~+85

8.0

陶瓷半球端帽

PZ 150/10×10/7

10×10×9

12.5

13/9

3.6

152

437.5

7000

8000

-25~+85

8.1

陶瓷半球端帽

PZ 150/10×10/20

10×10×18

12.5

28/20

7.2

76

194.4

7000

8000

-25~+85

14.8

陶瓷半球端帽

PZ 150/14×14/20

14×14×18

16.7

25/18

10.8

69

380.4

15000

16000

-25~+85

31.3

陶瓷半球端帽

注:除非另有说明,否则所有规格的引用温度为25 °C。推荐与这些压电陶瓷元件配合使用PDSPCM系列开环控制器。本页出售的压电陶瓷不含SGS应变计传感器,因此不提供位置反馈。不含端帽。如果需要闭环反馈,那么请联系我们的销售工程师。

1..外形尺寸公差参见《外形尺寸》章节。不包含电线。

2.标称位移是在 0~+150V 驱动电压下的位移行程,最大位移是在 -20V~+150V 驱动电压下的位移行程,对于高可靠的长期使用,建议驱动电压在 0~120V。

3.阻挡力=最生成力,最大出力指位移为零时的最大出力。(在-20~+150V驱动下)

4.使用温度为-25~+80°,位移无损失。最高温度范围可达-273 °C~ +120 °C(达到-273 °C,位移约为室温的5%~10%;超过+100°C,PZT性能大大降低)

5.最高频率接近谐振频率,施加机械负载至压电堆栈时,谐振频率会发生变化。压电堆栈在高频率下工作时,需要进行相应的冷却,防止其过热。

(特别说明:预负载用于保护压电陶瓷不受可能导致结构故障的拉力影响。在某些情况下,预负载也可以用来补偿由惯性产生的动力。位移随着负载而变化,并且高于推荐的预负载范围时,位移缩短。一般来说,应选择尽可能低的预负载。注意:驱动后,压电陶瓷充满电。直接连接红线和黑线存在产生放电、火花甚至故障的危险。我们建议在红线和黑线之间使用电阻(>100 kΩ)以释放电荷。压电陶瓷的红色引线必须连接到用于驱动压电陶瓷的电源的高电压端。请勿用反向偏置电压驱动压电陶瓷促动器,这样可能会损坏设备。压电陶瓷不能在液体中或有易燃气体或液体的地方使用,不能用有机溶剂进行清洗。)


外形尺寸

图片关键词

注:

1.出厂时的极性设置 :红导线=(+),黑导线=(-)

2.导线长度:100mm

3.参数表中的外形尺寸不包含导线出口部分及导线的长度。欲了解更多信息,请与我们联系。


终端连接(可选)

半球端帽

外形图示

可选尺寸

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 Φ3.0 mm

 Φ5.0 mm

 Φ7.0 mm

 Φ10.0 mm



安装说明

叠堆压电陶瓷驱动器产品在结构上面对抗拉力的耐受度极低,如果施加拉力,则极有可能发生故障(损坏)。若在使用过程中,施加压缩力,则能有效防止机械性损坏。对元件施加的压力,请以元件的输出力的20~50%为参考值。安装时,请使元件的位移发生轴与安装面保持垂直。协助配合压电陶瓷的安装,可选择球头端或扁平面钨钢合金进行安装操作。注意 :请勿对本产品施加弯曲、扭转、拉伸等外力。参考 :扭转、拉伸力的容许范围参考值如下表:

图片关键词

PZT多层叠堆压电陶瓷无预加载力。请勿对本产品施加弯曲、扭转、拉力等外力。压电陶瓷易碎,且抗拉强度低。要避免驱动器受到侧向应力、横向应力或弯曲应力的负载条件。外部负载施加不当时,可能会出现抗压能,通过弯矩导致压电装置内的高拉伸应力。将负载不恰当地施加到压电驱动器会出现内部应力,从而损坏驱动器。为避免该问题,压电驱动器应该施加一个外加负载,这样使得应力直接沿着驱动器的替代轴方向。负载应该集中且在驱动器的安装表面尽可能均匀应用。当负载平的接触面施加到驱动器平的安装表面时,保证两个表面高度平整和光滑,可使得两个表面接触时平行度很好。如果外加负载与驱动器的替代轴成一定角度时,使用一个配有半球端板或挠性接头的压电促动器,从而实现压电堆栈安全的负载。

安装示意图如下所示:

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关于将负载安装到PZT驱动器,适当地和不适地各种连接方法。

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使用说明

产品须安装在符合以下条件的地方。

▶ 无腐蚀性或可燃性气体

▶ 较小的振动和冲击

▶ 无散射介质粉如铁粉,粉尘,油雾,切削液,水,盐和有机溶剂

▶ 无阳光直接照射和热辐射

▶ 无强电场/磁场

▶ 无脉动噪声源

▶ 易于检查和清理

▶ 用于特殊环境,如受振动,真空和高温/低温,请随时与我们联系


压电陶瓷工作说明

图a.是压电陶瓷元件工作的曲线图。当向致动器元件交替施加正向和负向电压时,驱动电压和位移之间的关系如下图b.蝴蝶曲线所示。然而,这样会造成压电元件在 ±40V 处反复发生极化反转,而这可能损坏压电元件。因此,请勿使用交流电压操作致动器元件以免绝缘电阻下降而造成故障。

图c显示了驱动电压和生成力之间的关系。向极化压电致动器施加最大驱动电压(压电陶瓷最大驱动电压为 +150 V)而不施加外部压力时,可获得定义的最大位移。位移随着致动器上所施加的外部压力逐渐增加而从最大位移处逐渐减小。参数表中将位移变为零是的力称为最大出力。

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电压与力的关系

下面说明负重压电陶瓷的行为(图 3-5)。在已极化的压电陶瓷上放置重物(静负载)而不施加电压时,压电陶瓷会在重物作用下收缩。但此时,收缩方式在开路状态和短路状态下会有不同。如果针对长度受到压缩的致动器而向负重致动器施加最大驱动电压,又将获得最大位移。这样,如果施加的电压相同,压电陶瓷可提供大致相同的位移,而与压电陶瓷是否负重(静负载之下)无关(图 3-7)。当计算参考点(零点)时请注意,因为总长度会因各压电陶瓷而不同。还可以将施加给压电陶瓷的重量(静负载)增加到造成最大生成力的负载。因为陶瓷材料的拉伸强度极限很低,如果向压电陶瓷施加微弱的张力,陶瓷即可能会断裂。因此,在预载荷下使用压电陶瓷可以有效防止致动器的机械断裂。要施加的最佳预载荷约为最大生成力的10~25%。位移特性的行为会因负载的类型而不同。图 3-6(a) 和 (b) 显示了负载为静负载和弹性负载时的位移特性。

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蠕变特性说明

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温度与位移/静电容量关系

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驱动频率与压电陶瓷温度关系

如果压电陶瓷元件持续在高频率下工作,压电陶瓷元件会发热,从而导致压电陶瓷元件温度升高。图下图所示为PZ系列产品的温度与驱动频率的关系特性。如果压电陶瓷元件的温度变高,压电陶瓷元件的绝缘电阻会下降,这可能造成故障。为使压电陶瓷元件的温度保持在工作温度限度(< 85℃)内,应降低驱动频率或驱动电压。请注意,压电陶瓷元件的温度会有变动,因为元件的散热特性很大程度上取决于环境条件。

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注:测试方法

电压 :正弦波,V = 150V

温度测量 :经过 250 秒后或均衡状态中的温度。


响应特性

叠堆压电陶瓷可以驱动到大约 1/3 的共振频率。施加给致动器的电压突然上升和下降会使生成位移发生振铃,如图 3-13 所示,并向致动器元件施加张力。

振铃是指所施加的电压突然上升或下降导致致动器位移发生临时过冲并最终造成振动和紧缩的一种现象。图 3-15所示为振铃现象的实际测量结果。

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可靠性说明

多层压电致动器绝大多数的故障模式是因绝缘性能下降造成的短路。

虽然绝缘性能下降的原因并未完全明确,但发现故障率在静态使用(DC 电压应用)和动态使用(脉冲电压应用)之间存在极大的不同。与其他电气部件类似,压电致动器会受到湿度以及所施加电压和环境温度的影响。

本节说明树脂涂层型压电陶瓷在静态和动态使用条件下的可靠性指南。我们的多层压电致动器的可靠性在静态使用情况下通过 MTTF(平均失效前时间)表示。虽然在动态使用情况下可以考虑使用重复次数表示可靠性,但仍无法确定指标和原因之间的精确关系,因为它们之间存在各种影响原因和相互作用。因此,现在仅说明已获取的数据和我们的理念。

1.静态驱动电压应用

根据众多实验结果从经验上获得了各驱动电压、环境温度和相对湿度的加速因数。通过将加速条件下观察到的 MTTFs作为参考值使用下面的公式 (1) 估计实际应用中的 MTTFr。

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2. 脉冲电压应用

当本元件通过脉冲电压驱动时,因陶瓷的介电损耗而发热会导致温度上升。因此,元件不太可能受到湿度影响,从而极大地延长了使用寿命。由于此效应会受到元件形状、脉冲波形和频率的影响,因此无法像DC 电压应用情况那样通过公式进行计算。

 PZ2X3X9的测试中,以 500 Hz 的频率施加 0-150 V 矩形脉冲 500 小时(相当于施加 9 亿个脉冲)后确认无故障。

请注意由于元件固定方法和电压上升速度所造成响铃残振现象而导致的物理损坏。

图 3 和图 4 为脉冲工作条件下可靠性测试结果的示例。

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  • 压电陶瓷的性能

    特性参数

    参数标识

    参数数据

    单位

    机电耦合系数

    εrel

    5,400


    损耗因子

    200

    -

    Kp

    0.62

    -

    K31

    0.34

    -

    K33

    0.68

    -

    压电常数

    d31

    -290

    pm/V

    d33

    635

    pm/V

    弹性常数

    S11E

    14.8

    10-12 m2/N

    S33E

    18.1

    10-12 m2/N

     频率常数

    径向

    2,040

    m/sec

    厚度

    1,800

    m/sec

    横向

    1,410

    m/sec

    纵向

    1,370

    m/sec

    品质因数(谐振)

    f

    70

    -

    密度

    ρ

    8

    g/cm3

    居里温度

    Tc

    150


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