Pietsoelementtien sovelluksia S-108.2010 Elektroniset mittaukset Luento 20.2.2006 Maija Ojanen Taustaa Pietsosähköisen ilmiön havaitsivat Jacques ja Pierre Curie 1880 Mekaaninen voima aiheuttaa varauksen kiteessä Käänteinen ilmiö (dimensioiden muuttuminen sähkövarauksen vaikutuksesta) 1881 Ensimmäinen sovellus 1917: sukellusvenetutka 1
Pietsosähköinen ilmiö Polarisoituneet kidemolekyylit satunnaisesti suuntautuneet Materiaalin nettopolarisaatio ~ 0 Sähkökentän vaikutuksesta kidemolekyylit suuntautuvat kentän suuntaisiksi Kiteen yli muodostuu jännite Materiaalit: kiderakenteet, polarisoitu pietsosähköinen keraami Liiketyypit Lineaarinen liike Taipuva liike 2
Tasoaktuaattori Yleisin malli Rengasaktuaattori 3
Erilaisia aktuaattoreita Koko mm-luokkaa, tyypistä riippuen Rengasaktuaattori Tasoaktuaattori Parametreja Liikealue Taajuusalue, liikkeen nopeus Puristuskesto 4
Liikealueet (Noliac-pietsoelementit) Pienet liikealueet: 0-3 µm Keskisuuret liikealueet: 0-100 µm Taipuvat ja rengasaktuaattorit 0-500 µm Taipuvat aktuaattorit Suuret liikealueet: 0-2000 µm Taipuvat aktuaattorit Taajuusalueet (Noliac) Alhaiset: 0,1-1 khz Keskisuuret: 1-10 khz lineaariliikkeiset ja rengasaktuaattorit 10-100 khz lineaariliikkeiset aktuaattorit Suuret: 0,5-10 MHz lineaariliikkeiset aktuaattorit 5
Puristuskestot (Noliac) Alhaiset:0-10 N Keskisuuret: 0-100N Lineaariliikkeiset- ja rengasaktuaattorit 0-500 N Lineaariliikkeiset aktuaattorit Suuret: 0-20 000 N Lineaariliikkeiset aktuaattorit Liikealueen laajennus Maksimisähkökenttä materiaalissa 1-2 kv/mm Monikerroksisuus ohuiden materiaalikerrosten rinnankytkentänä Liike on summa kaikkien kerrosten liikkeestä 6
Liikealueen laajennus Yksinkertainen pietsoelementti Monikerroksinen pietsoelementt Pietsovahvistin Pienikin pietsokiteen kokoonpuristuminen aiheuttaa merkittävän jännitteen Vahvistimen on siis ylläpidettävä korkea jännite, mikäli käytetään hyväksi käänteistä ilmiötä Korkea jännite voidaan tuottaa esim. korkeajänniteoperaatiovahvistimilla tai DC- DC muuntajilla 7
Pietsovahvistin - kytkentäesimerkki Korkeajänniteoperaatiovahvistin manuaalin en säätö potentiometri +150 V Pietso Pietsovahvistin - kytkentäesimerkki piets o 8
Pietsoajuri - kytkentäesimerkki pietso Pietsoelementti käytössä Lyhyt vasteaika (µs-luokkaa) Vähäiset energiahäviöt Iskuvoima ei kovin suuri Käytettävä materiaalista riippuvan Curielämpötilan alapuolella, muutoin pietsosähköisyys häviää 9
Tyypillisiä sovelluskohteita Tulostimet Mustesyötön ohjaus Ultraäänilaitteet Sähköisen pulssin muuntaminen akustiseksi ja päinvastoin Optiikka, tietoliikenne Optiset kytkimet, laserin stabilointi Tulostin Värähtelevä pietsoelementti puristaa musteen suuttimen lävitse Eri suuruiset varaukset aiheuttavat eri suuruisia mustepisaroita Musteen määrää voidaan kontrolloida hyvin tarkasti 10
Tulostin Lämpötilaa ei tarvitse kasvattaa (vrt.lämpötyyppinen tulostin), jolloin musteen ominaisuuksia voidaan muuten varioida enemmän Tulostuspäitä ei tarvitse vaihtaa joka kerralla mustetta lisättäessä Ilmakuplat mustesäiliössä voivat tukkia suuttimen ja vahingoittaa tulostuspäätä Pietsosähköinen tulostuspää http://www.imaging.org/resources/web_tutorials/inkjet.cf m 11
Esimerkkejä mustesuihkun toteutuksesta Taipuvamallinen mustesuihku Työntömallinen mustesuihku Esimerkkejä mustesuihkun toteutuksesta Saksimallinen mustesuihku 12
Tulostinpään kytkentä Matalatehoinen, neliosainen tulostinpään kytkentä 13
Demo mustesuihkun toiminnasta http://www.epson.co.jp/e/technology/sanke i_3.htm Ultraäänimuunnin 14
Optinen kytkin Optisessa kuidussa kulkeva signaali kytketään selektiivisesti piiristä toiseen Yksinkertainen kallistuva peili Yksi pietsoaktuaattori ja kallistuspiste Yksinkertainen, halpa 15
Differentiaalinen kallistuva peili Kaksi työntö/veto mallista aktuaattoria Aktuaattorit siltakytketty Angulaarisesti stabiili Kallistuva peili 16
Optinen kytkin Linkkejä http://www.piezo.com http://www.noliac.com http://www.imaging.org/resources/web_tut orials/inkjet.cfm http://www.flow3d.com/pdfs/bib2-04.pdf http://eportal.apexmicrotech.com/mainsite/ design/pages/samp_lckts.asp (piirejä) 17