Transactions on Electrical and Electronic Materials
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제18권3호
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pp.144-147
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2017
In this study, two- and three-layer ceramic piezoelectric actuators were designed and simulated according to SUS316 thickness, actuator width, and mass using ATILA software in order to develop a piezoelectric actuator for haptic application. Numerical modelling based on the finite element method was performed to find the resonance frequencies and modal shapes of the actuator. The resonance frequency was affected by the thickness of the SUS316 plate and mass. On the other hand, the width of the actuator did not have a significant impact. Maximum displacements were generated at the center of a haptic three-layer ceramic piezoelectric actuator. The two-layer ceramic piezoelectric actuator with a mass of 2.6 g was suitable as $16.28{\mu}m$ at 265 Hz for haptic sensation application.
This work describes an investigation into the feasibility of using an acoustic emission (AE) technique to evaluate the integrity of a composite actuator with a PZT ceramic under electromechanical cyclic loading. AE characteristics have been analyzed in terms of the behavior of the AE count rate and signal waveform in association with the performance degradation of the composite actuator during the cyclic tests. The results showed that the fatigue cracking of the composite actuator with a PZT ceramic occurred only in the PZT ceramic layer, and that the performance degradation caused by the fatigue damage varied immensely depending on the existence of a protecting composite bottom layer. We confirmed the correlations between the fatigue damage mechanisms and AE signal types for the actuators that exhibited multiple modes of fatigue damage; transgranular micro damage, intergranular fatigue cracking, and breakdown by a short circuiting were related to a burst type signal showing a shortly rising and slowly decaying waveform with a comparably low voltage, a continuous type signal showing a gradual rising and slowly decaying waveform with a very high voltage and a burst and continuous type signal with a high voltage, respectively. Results from the present work showed that the evolution of fatigue damage in the composite actuator with a PZT ceramic can be nondestructively identified via in situ AE monitoring and microscopic observations.
This paper presents a method to reduce hysteresis in multilayer ceramic actuator by connecting the actuator with a capacitor in a series circuit. The change in hysteresis with respect to the capacitor was examined. $0.2Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3-0.8Pb(Zr_{0.475}Ti_{0.525})O_3$ ceramic material was used as a piezoelectric material for the actuator. Displacement of the actuator was measured in a capacitive gap sensor measuring system. In case of inserting a capacitor in a total circuit, hysteresis became dramatically decreased, and then finally the hysteresis value can be reduced below $0.2\%$. It was found in this present study that reducing the hysteresis in the actuator is dependent upon the characteristics of the capacitor in total circuit and also operating frequency.
Piezoelectric PMN-29PT single crystal multilayer actuators [100 $mm^2$ in cross section and 22 mm in length] are designed and fabricated by stacking square plates [$10{\times}10{\times}0.5(t)\;mm^3$] of PMN-29PT single crystals having a $d_{33}$ of about 1,500 pC/N. The characteristics of PMN-29PT multilayer actuators are compared with those of P-025.40P multilayer PZT ceramic actuators [490 $mm^2$ in cross section and 60 mm in length] produced by PI in Germany. Even though the total volume of the PMN-29PT single crystal multilayer actuator is only about 7.5% of that of the P-025.40P ceramic multilayer actuator, PMN-29PT single crystal multilayer actuators are expected to show very similar properties to P-025.40P ceramic actuators in terms of static stroke and blocking force. Therefore, on the basis of their smaller mass and volume compared to the conventional PZT ceramic multilayer actuators, piezoelectric PMN-29PT single crystal multilayer actuators have significant potential regarding the development of various high performance actuators for aerospace subsystems.
This paper describes the design and evaluation of new type piezoelectric bimorph actuator that shows much large mechanical response than those conventional types. The bimorph actuator has modified structure combined with the multilayer actuator(MLA) and the composite multilayer actuator called "Moonie". The design and performancean alysis of bimorph actuator are carried out with Finite Element Method (FEM). Theoretical calculation results show that the generating force and displacement of Moonie-modified bimorph actuator can be improved by about 130% and 150%, respectively. The overshooting and ringing phenomena of the bimorph can be effectively restrained by the pseudo step electric field having a rising time coincied with a period of the fundamental vibration mode of the bimorph.e bimorph.
The actuating performance of plate-type unimorph piezoelectric composite actuators having various stacking sequences was evaluated by three dimensional finite element analysis on the basis of thermal analogy model. Thermal residual stress distribution at each layer in an asymmetrically laminated plate with PZT ceramic layer and thermally induced dome height were predicted using classical laminated plate theory. Thermal analogy model was applied to a bimorph cantilever beam and LIPCA-C2 actuator in order to confirm its validity. Finite element analysis considering thermal residual deformation showed that the bending behavior of piezoelectric composite actuator subjected to electric loads was significantly different according to the stacking sequence, thickness of constituent PZT ceramic and boundary conditions. In particular, the increase of thickness of PZT ceramic led to the increase of the bending stiffness of piezoelectric composite actuator but it did not always lead to the decrease of actuation distance according to the stacking sequences of piezoelectric composite actuator. Therefore, it is noted that the actuating performance of unimorph piezoelectric composite actuator is rather affected by bending stiffness than actuation distance.
LIPCA (LIghtweight Piezo-composite Curved Actuator) is an actuator device which is lighter than other conventional piezoelectric ceramic type actuator. LIPCA is composed of a piezoelectric ceramic layer and fiber reinforced light composite layers, typically a PZT ceramic layer is sandwiched by a top fiber layer with low CTE (coefficient of thermal expansion) and base layers with high CTE. LIPCA has curved shape like a typical THUNDER (thin-layer composite unimorph feroelectric driver and sensor), but it is lighter an than THUNDER. Since the curved shape of LIPCA is from the thermal deformation during the manufacturing process of unsymmetrically laminated lay-up structure, an analysis for the thermal deformation and residual stresses induced during the manufacturing process is very important for an optimal design to increase the performance of LIPCA. To investigate the thermal deformation behavior and the induced residual stresses of LIPCA at room temperature, the curvatures of LIPCA were measured and compared with those predicted from the analysis using the classical lamination theory. A methodology is being studied to find an optimal stacking sequence and geometry of LIPCA to have larger specific actuating displacement and higher force. The residual stresses induced during the cooling process of the piezo-composite actuators have been calculated. A lay-up geometry for the PZT ceramic layer to have compression stress in the geometrical principal direction has been designed.
Piezoelectric thick films of soft $Pb(Zr,Ti)O_3$ (PZT) based commercial material (S55) were fabricated using a conventional tape casting method. Ag-Pd electrodes were printed on the piezoelectric film at room temperature and all 5 layered films with a dimension of $12mm{\times}16mm$ were successfully laminated for a multi-layered piezoelectric ceramic actuator. The laminated specimens were co-fired at $1,100^{\circ}C$ for 1 h. A flat layered and dense microstructure was obtained for the $112{\mu}m$ thick piezoelectric actuator after sintering process. Thereafter, a prototype piezoelectric speaker was fabricated using the multi-layered piezoelectric ceramic actuator which can operate as a bimorph. Its SPL (sound pressure level) characteristic was also evaluated for speaker application. Frequency response revealed that the output SPL with a root mean square voltage of 10 V increased gradually to the highest peak of 87.5 dB for 1.5 kHz and exhibited a relatively stable behavior over the measured frequency range (${\leq}20kHz$) at a distance of 10 cm, implying that the fabricated piezoelectric speaker is potential for speaker applications.
본 논문은 몇 가지 종류의 압전 복합재료 작동기 LIPCA의 성능 시험 및 비교에 관한 것이다. LIPCA는 압전 세라믹을 중심으로 상층부는 탄성계수가 크면서 열팽창계수가 낮은 섬유강화 복합재료 층이, 하층부는 탄성계수가 작으면서 열팽창계수가 큰 섬유강화 복합재료 층으로 구성되어 있다. 작동기의 성능 검증을 위해 작동 지그 및 전압 공급 장치 그치고 비접촉 레이저 센서로 이루어진 실험 시스템을 구성하였다 성능 비교시험 결과 검증실험으로부터 압전 작동기의 작동성능은 전기 작동 재료층이 중립면으로부터 멀리 벗어나게 위치하면서, 동시에 적층판의 전체 굽힘 강성을 작게 하면 극대화할 수 있다는 사실을 입증하였다.
압전 세라믹 액추에이터는 스프레이, 디스펜서, 밸브제어와 같은 다양한 산업제품들에 응용된다. 압전 세라믹 소자의 기계적인 변위의 크기는 인가 전압의 크기에 의해 정해지므로, 압전 세라믹 액추에이터 구동을 위해서는 고전압 전원장치와 함께 전력증폭기가 필요하다. 본 논문에서는 간단하고 크기가 작은 H-브리지 형태의 전력증폭기와 플라이백 고전압 스위칭 모드 전원장치를 개발하였다. H-브리지 형태의 전력증폭기는 펄스폭 변조를 이용하여 압전 세라믹 액추에이터에 대한 에너지 입력의 크기를 쉽게 조절할 수 있다는 장점이 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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