PIezo d

Piezoelectric transducer, piezoelectric actuator, piezo positioner

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Tutorial: Piezoelectric transducers / Actuators in Positioning

Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-2Features and Applications of Piezoelectric Position er s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-4Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-5Symbols and Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-7Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-9 Nanopositioning with Piezoelectric Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-9Features of Piezoelectric actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-9 Quick Facts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-10 Actuator Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-10 Operating Characteristics of Piezoelectric Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-11 Fundamentals of Piezoelectricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-13 Material Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-13 PZT Ceramics Manufacturing Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-14Definition of Piezoelectric Coefficients and Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-14Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-15 Fundamentals of Piezomechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-16 Displacement of Piezo Actuators (Stack & Contraction Type) . . . . . . . . . . . . . . . . .4-16 Hysteresis (Open-Loop Piezo Operation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-17Creep / Drift (Open-Loop Piezo Operation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-18Aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-18 Actuators and Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-19 Metrology for Nanopositioning Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-19Indirect (Inferred) Metrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-19 Direct Metrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-19Parallel and Serial Metrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-19High-Resolution Sensors—Strain gauge Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-19 Linear Variable Differential Industrial transformers (LVDTs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-20Capacitive Position sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-20 Fundamentals of Piezoelectric Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-21 Forces and Stiffness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-21Maximum Applicable Forces (Compressive Load Limit, Tensile Load Limit) . . . . .4-21 Stiffness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-21Force Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-22Displacement and External Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-23 Dynamic Operation Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-24 Dynamic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-24Resonant Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-25 How Fast Can a Piezo Actuator Expand? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-26

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