压电陶瓷换能器和压电陶瓷材料的应用与发展

铁 电体 唯象理论
压 电 电致伸缩 材料 的研 究及其在制动 器方面 的 应用 高居 里点压 电陶瓷材料
用途 应用 目的的不 同 其它 各种异型 圆锥体也 得到实际 应用
。
超声波 加工机 的示 意 图见 图
。
在超声波 加工机 中也可 用螺 杆夹紧朗芝万型 实现 大 功 率 例 如制成
, ,
千赫
、
千瓦 的换 能振子
油 墨 印刷 喷头 换 能器可 用于 无 噪声 的高速 电信打
印头 独立地控制
、
,
根
陶瓷管 利 用 内径 的收缩
。
,
厚面 壤 嗽 淑 切 凰酬 变 渡 潘
把油 墨 从约为
脚 直径 的喷 口 中射 出
,
压 电微位移 器 利用换 能器的快速 动作反 向 用 于
,
行程 高 时 间为
哪
。
作用力 达
的阀门 开放
细清 洗
。
,
看
薄膜材料的研 究发展较 决其 实际应 用也得 到很 决的开发
,
精 细高频清 洗所用 的频 率为
、
,
清
近年来各 国都 在积极研 究开发新 的压 电功能 陶瓷 主 要包括 晶粒 取 向陶瓷 压 电纤维状 陶瓷 复合压 电材 料和
, ,
洗方 式有扫 频
多频 超声 清洗
,
。
原来市场 销售 的超 声清
如果 外加 的交流 电信 号与极 化 电压 的极性 相 同 就
会使 陶瓷沿着极 化轴 即
方 向 继续 膨胀 而 在垂直 于
,
,
瓷换 能器可在各个 方向或几个组 合方 向上展 现压 电响应
极化轴 的方 向 即 方 向 收 缩 如图
中的 所示
。
特性
。
压 电陶瓷换能 器的形状 主要如 图
所示
。
图
陶瓷换 能器 的主 要 形 状
,
声 加工模 具 一起 以 一定 压 力加在 被加 工物体 上 就能 加 工成 为与模具 相同 的。
一
千 赫频率
一
微 米 的振动位 移
,
为使振 幅增大 一般 将压 电陶瓷 振子与 圆锥体 并用
,
组 成换能 器
,
。
这种 圆 锥体大 多是 纯指 数 曲线型 的 根据
,
,
,
视频 触 发器 用 于
,
设备 中重调视 频头位置 的
冲 以上 的高灵 敏度
。
弯 曲振 动的压 电陶瓷换 能器 有
压 电回 转仪 它是 利用与振 动面
轴
,
保持垂直
的
轴 一面贴上 压 电元件 可用于 检 出
,
,
轴 旋转方 向的
一
・
科里 奥尔力 这种 压 电振 动 回转 仪被 应用 于 防止 摄像机
的手振 已取 得实用
态下 必 须的 电功率 大为 降低
。
所示
。
压 电陶瓷 片的膨胀 和收缩作 用使陶瓷片 发生变形
,
。
两 种作 用的组 合产 生一 种总体 形变 形变性质取 决于 陶 瓷 的形状 和 组 分
、
贴 合元 件
接点
极 化轴 的取 向和 电极 的取 向
、
。
图
、
表示 一些 陶瓷片 的一些形 变模式 度膨胀 和收缩
,
磁盘
、
驱动 器
、
读 写头 液 晶玻璃及 平 面显示 器
、
、
微组
,
件和 抛光金属 件 用 于医 学和宇 航方 向的精 细零部 件等
,
、
材料 的纳米化控 制 纳 米
。
,
材料 的制备工
,
这些 对象 要求 清洗过 程 中不受到 任何微小 的损伤 要 能
材料 特比的评价方法 等 此外 压 电陶瓷
,
。
洗 掉微 米 亚微米 的微小 污物 这 就要 用到 高频超 声精
、
频超 声精 细清洗 》 一 文 中指 出 微 电子 和 计算 机制 造过 程 中的清洗对 象如集 成 电路芯 片 光掩膜
、 、
压 电陶 瓷材 料发展 前瞻
,
。
硅片 薄 膜
、
、
、
为进 一步 改 善压 电陶瓷 换能器 的电性 能 纳米 强介 电材料 和 压 电陶瓷材 料 的研 究成 为科技界 的重点 之一 其 中有 艺 纳米
、 、
、
光学 应变镜
、
、
应变 光栅
、
超
。
陶 瓷换能器 的应 用远不 止于 如 此 表 个领域 的应用
。
,
详 细列 出它在各
切磨 误差补偿致 动器
油压伺服 阀等
压 电陶 瓷换能 器用 于 清洗 的展望
中 国科 学院声 学研究所 研究员 林仲 茂教授在 其 《 高
压 电陶 瓷 换 能器 和 压 电陶瓷 材 料 发展 趋 势
应 翼 罐缨 一
… 气
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缪
压 电 陶瓷 换 能 器 和 压 电陶 瓷材料 的应 用 与 发 展
电陶 瓷换 能器广 泛 应 用于数据 处理 信 息处理
、 、
、 、 、
压
工
、
通 讯 声 纳 陀螺
、
水声器
、
、
记 步器
、
、
激 光器
、
、
喷墨 打 印 超 声清洗
超 声焊 接
报警
以及
燃气设 备等行业 和 技术领 域中
。
压 电陶瓷换 能 器的制造 是经过 配料
、
烧 结 机 械加
。
、
表 面 金属化
、
、
用直流 电场进行 极化 处 理而 得到
压
电陶 瓷的物理
化学 和 压 电特性为 适合 特殊 的应用 可 以
通 过设计 相应 的压 电陶瓷材 料配方 并辅 以 一 定的工 艺技
术而实现
。
压 电陶瓷换能器 的特 点是 致密度 高 机械强 度高 加工容易 适合 大批 量生产
、 。
、
、
经 过 一些容 易实 现的加工
。
手 段就可制成 任何给定的形状 和几 何尺 寸
, ,
它 们的化 学
图
中 的 为极 化前
,
为极 化后
,
,
为 陶瓷
。
性质不活 泼 不 易受化学侵 蚀 不 受湿汽 和 其他 恶劣气候
条件 的影 响
。
片的厚度 即极 化 电极之 间的尺 寸
,
为 陶瓷片的电极
此外 这些 陶瓷的机械定向和 电学 定向可
。
,
小型 继 电器 范 围 内 在需 要用 大约 为 电磁式继 电器所 能
方 向 行 方 向 出 现 膨胀
,
如图
中的 所 示
,
。
在
控制 的 电功率 的
为驱动 功率来进 行控制 的情况下
,
,
和留 清况 下 当在 陶瓷 片电极上 撤 除电信 号时 陶瓷 片就
回 复到原 来的极化 尺寸如 图中
由于 压 电陶瓷继 电器 只 有直流 损耗 因而 能够使 正 常 状
。
激励陶瓷换 能器和
一
电路产生机 电转换
。
超声波振动 把被洗物浸 在这种洗液 中的物件洗 净
清
鬓
效 果还与 清洗液 的种 类和 温 度等 因 素有关
,
。
过 去在低 频
范围 内大多 使用 磁致 伸缩振 子 但 由于螺杆 夹 紧式 朗芝
万 振子 的普及 压 电 陶瓷换 能器 开始 广泛使 用
,
。
随着频
。
除打孔和
,
各 向异性 压 电陶瓷材料 的研究
之
,
切 割等加工 外 在普通 加削工 具上 加超 声波振动 时 也可
以 起到 提高 精度和 效 率 的作 用
。
山之
一
加 甘决
,
,
。
之
,
性能
,
另外 集成 电路 的搭 接
,
,
特 异材料 即妮酸铅 研 究重点是
和
砂 。 单 晶 体材料 主要
塑 料熔接等 工艺也 都可 以采 用带有圆 锥体 的压 电振子来 进行
率 的增 加 可 以 采 用 朗芝 万 振子
,
、
纵 向振子
、
厚 度振 子
等
。
在 小型化 方 面 还 有采 用 圆片振子 的径 向振 动和 弯
。
,
曲振 动 的
图
是 超声波清 洗机 的结构 略图
。
超 声 波加工 机 超声 波加工 机 可用于加工 各种硬 而
脆 的材料
。
把 同水混 合在一 起的金 刚砂 等微细 磨料 随超
。
固溶体
兼备无 机和 有机 压 电材 料 性能 的压 电陶瓷一 高
电子 血 压 计 电子血压计 是利用一 个 压 电换 能器接 聚物 复合材料
。
受 血管的压 力 当气囊 加压紧 压 血管 时 因 外加 压力高于 血管 舒张 压力 压 电换 能器 感受 不到 血管 的压力 而 当气 囊逐 渐泄气 压 电换 能器对血管 的压力 随之 减小 减小到
、
,
微 细结构好 又 易于清洗微 组 件 高精密零件 不致于损
坏零 件 所 以 将来研 究适合 于高频 超声清 洗的压 电陶瓷
。
本 等发达 国 家
。
目前 低铅
、
无 铅压 电陶瓷种 类有如 下几
、
类 钦酸钡铁 电陶 瓷 妮酸盐钙钦 矿型 含秘钙钦矿型 钨 青铜结构
小
、
、
换 能器是一个 很有前途 的课题
。
到
、
含 秘层状 结构
、
。
这里面 有些材料介 电常数
、
机 电藕合 系数大
频率常数高
强度大
、
有 利于做
高 频压 电陶瓷换 能器
。
压 电陶瓷材料研 究 的方向有
世界产 品 与技
。
,
压 电陶瓷 片极化 后 若 给陶瓷 片施加 一个低 于极 化 电压 的交 流 电信号 陶 瓷片就 会产 生形 变 如 图 示
。
,
,
与陶瓷 的形状准 确取 向 这些 定 向是
,
。
“
极 化 过 程 中固
。
”
所
,
定 下来 的 该过 程使 陶瓷 出现 压 电特 比 直流极 化场 的 方向决定 了机械 和 电学 定 向的方 向 对极化 后 的压 电陶
图
压 电继 电器
、
压 电开 关 压 电陶瓷换能器用 在各种特殊条件 下做 压 电开关控 制各 种升降机
、
专 用精密控制仪表 设备
,
。
用
超 声波清洗机 现在各种土业 广泛用 到超声波 清洗机
,
。
医疗
、
家用设备中
的触 发后产 生一 个 电压脉冲 通 过 一 个特殊线路 能
超声波 清洗机 是在洗液 中产生
。
级
组 的允许
给 陶瓷 片 加 压 力 或张 力产 生 一 定 电压 的交流 电信号
压 电陶瓷继 电器 压 电陶瓷贴合元件的位 移振幅大
,
若在 陶瓷片上 施加 的交流信 号呈极 性相反 时就会产 生相 反的作 用 沿极化 轴
利用 这一点 可以 进行接 点的 开闭
,
,
。
如图
所示 在
,
方 向 出现收缩 垂 直于极 化轴
防盗
、
、
输 出力矩 大
、
可控性 强 等特
,
,
电子血 压 计 由于 取 消了 听诊器 可减轻 医务
。
,
测高
、
汽 车 防撞
、
遥 控开 关和 机器 人测
人员 的劳动强 度
其所 用的压 电换能器 的结构见 图
,
。
距离 等超 声 传感器
以 上仅举 几例 压 电陶 瓷换能器 的应用 实际 上压 电
伺服 位 移制 动器 精 密导 向机构
, , ,
,
,
压 电陶 瓷换 能 器 发展 趋 势
利 用压 电陶 瓷换 能器产 生 的超 声波处理 废水 及 有 毒水
某 一 数值 时 二者的 压力达到平衡 此 时压 电换 能器受血 管 的压力 这个 压力 即为心 脏 的收缩压 通过 放大 器发 出
指 示信号
。
,
,
具有径 向尺 寸小 点的超声 电机
。
厚度和 表面切 变 厚
。
一 般 有两种或 多种作用 同时存在
,
极化过 程完成之后 给 陶瓷片加上 一个压力和张力就 会产生一 个 具有一定 电压的交流 电信号 见 图
, , ,
。
如 图所
示 如果所加 的压力平行于 极化轴 或所 加张力垂直于 极 化轴 就 会产生一个极 性与极化电压相反 的电压
,
伍 压 电陶 瓷 换 能器 典 型 应 用
一
,
。
饰沁
无外 加力
变换器 日本 电气工程 公司利 用压 电陶瓷
一
变 压器 做成 了 输 入 电压为
一
变换器 该 变换器 的主要比能 为
,
,
、 乞
负载 电流 。
。
・
,
可稳 定输 出直流
输 出电压
图
极性 与极性元件 相 反 的 输 出电 压
电压为 丫 最高 效率达
, ,
根据输 入端子 间反射 噪声
测试 结果 噪声极小 可 充分满足 极 限值
史左
洗机 工作频率 为
左右 该工 作频率低 时
,
铁 电陶瓷等
。
句
,
,
则空化 强度高 而密度 低 若 用于精细清 洗则 易损坏
。
国内外 同行为 了 改善环保 条件 也投 入 巨 大 的精 力 和财 力研 究低铅
、
清洗 件
而 高频
,
清洗时 空化密度高 穿达
、
,
,
,
无 铅压 电陶瓷材料 特别是 美 国和 日