TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto MIKES TKK Mittaustekniikka Opetuskalvot aiheesta pietsokontrollerit 20.3.2006 Maija Ojanen, 57898F maija.ojanen@tkk.fi Mittaustekniikan erikoistyö kurssiin S-108.J Jatko-opintojen opinnäyte Opintopisteet (ECTS): Arvosana (1 5): Ohjaajan allekirjoitus: Dos. Petri Kärhä
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
Pietsosähköinen ilmiö Polarisoituneet kidemolekyylit satunnaisesti suuntautuneet Materiaalin nettopolarisaatio ~ 0 Sähkökentän vaikutuksesta kidemolekyylit suuntautuvat kentän suuntaisiksi Kiteen yli muodostuu jännite Materiaalit: kiderakenteet, polarisoitu pietsosähköinen keraami 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
Liiketyypit Lineaarinen liike Taipuva liike Tasoaktuaattori Yleisin malli
Rengasaktuaattori Erilaisia aktuaattoreita Koko mm-luokkaa, tyypistä riippuen Rengasaktuaattori Tasoaktuaattori
Parametreja Liikealue Taajuusalue, liikkeen nopeus Puristuskesto 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 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 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
Pietsovahvistin - kytkentäesimerkki piets o Pietsoajuri - kytkentäesimerkki pietso
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
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
Esimerkkejä mustesuihkun toteutuksesta Taipuvamallinen mustesuihku Työntömallinen mustesuihku Esimerkkejä mustesuihkun toteutuksesta Saksimallinen mustesuihku
Tulostinpään kytkentä Matalatehoinen, neliosainen tulostinpään kytkentä
Demo mustesuihkun toiminnasta http://www.epson.co.jp/e/technology/sanke i_3.htm Ultraäänimuunnin
Optinen kytkin Optisessa kuidussa kulkeva signaali kytketään selektiivisesti piiristä toiseen Yksinkertainen kallistuva peili Yksi pietsoaktuaattori ja kallistuspiste Yksinkertainen, halpa
Differentiaalinen kallistuva peili Kaksi työntö/veto mallista aktuaattoria Aktuaattorit siltakytketty Angulaarisesti stabiili Kallistuva peili
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)