Работа пьезоэлектрической подачи основана на обратном пьезоэлектрическом эффекте, а именно на преобразовании электрической энергии в механическую. Пьезоэлектрический эффект (как прямой, так и обратный) возникает из-за связи между электрическими и механическими свойствами материала, обычно – кристаллического. Если к пьезоэлектрическому материалу прикладывается электрический потенциал, то поляризация пьезоэлектрика во внешнем электрическом поле порождает изменение его размеров и механическое воздействие на окружение. Таким образом, подача электрического напряжения приводит к расширению (либо сжатию), что является сутью пьезопреобразователя.

К достоинствам пьезопреобразователя относятся его простота как в изготовлении, так и в использовании. К недостаткам – малые величины сдвига. Для того, чтобы увеличить создаваемые пьезопреобразователем силы и смещения, используются более сложные конструкции. Такие базовые типы пьезоэлектрических структур, как трубки, униморфы и биморфы, позволяют достичь смещений величиной до нескольких миллиметров. Однако для точной и надежной подачи на расстояние более 1 см требуется тот или иной способ «шагания». Пример такой схемы и использованного в ней пьезоусилителя приведен на рис. 1. Сжатие пьезоэлементов внутри пьезоусилителя приводит к его удлинению, а их удлинение – к сжатию усилителя.

Для того, чтобы представленная на рисунке конструкция шагала вдоль направляющей (или двигала эту направляющую, сама оставаясь неподвижной), необходимо согласованно подавать напряжения на пьезоэлементы. Один шаг вправо у такой схемы состоит из следующих составляющих:

- пьезоусилитель (1) сжимает направляющую, пьезоусилитель (2) сжат, пьезоусилитель (3) отпускает направляющую.

- пьезоусилитель (1) сжимает направляющую, пьезоусилитель (2) раздвигается, отодвигая пьезоусилитель (3) от зафиксированного (1).

- пьезоусилитель (1) сжимает направляющую, пьезоусилитель (2) раздвинут на всю длину, пьезоусилитель (3) зажимает направляющую.

- пьезоусилитель (1) отпускает направляющую, пьезоусилитель (2) сжимается, пододвигая пьезоусилитель (1) к зафиксированному (3).

- пьезоусилитель (2) максимально сжат, (3), а потом и (1) – зафиксированы на направляющей.

Еще один возможный вариант реализации шагов в таких двигателях использует проскальзывание направляющей относительно пьезоэлемента в случае, если напряжение на пьезоэлементе меняется резко, и ее движение в случае, когда напряжение меняется плавно.

Использование эффекта шагания дает возможность применения пьезоэффекта для относительно больших сдвигов. В сочетании с другими достоинствами пьезо-преобразователей – простота использования, работа в вакууме, КПД – это делает пьезо-подвижки идеальным вариантом для множества лабораторных исследований и робототехники.
 

Пьезоэлектрические материалы имеют многочисленные применения в качестве электро-механических преобразователей. Шагающие подачи (1-25 мм) используются при проведении научных исследований в вакуумных, особо точных и особо чистых условиях. Они также удобны при автоматизации технологических процессов.

Характерным примером являются биморфсные структуры. Базовыми элементами биморфных структур являются плоскопараллельные слои из материалов с различными функциональными свойствами, С точки зрения разработки микроэлектромеханических систем (МЭМС) наибольший интерес представляют биморфы, в которых формозадающим элементом является слой пьезоэлектрического материала. Это обуславливается простотой создания электрического управляющего воздействия, реализуемого подачей электрического напряжения на пьезоэлектрик.

Ультразвуковой двигатель (англ. USM — Ultra Sonic Motor, SWM — Silent Wave Motor, HSM — Hyper Sonic Motor, SDM — Supersonic Direct-drive Motor и др.) — двигатель в котором рабочим элементом является пьезоэлектрическая керамика, благодаря которой он способен преобразовать электрическую энергию в механическую с очень большим КПД, превышающим у отдельных видов 90 %. Это позволяет получать уникальные приборы, в которых электрические колебания прямо преобразуются во вращательное движение ротора, при этом усилие, развиваемое на оси такого двигателя столь велико, что исключает необходимость применения какого-либо механического редуктора для повышения крутящего момента.

Ультразвуковой двигатель имеет значительно меньшие габариты и массу по сравнению с аналогичным по силовым характеристикам электромагнитным двигателем. Отсутствие обмоток, пропитанных склеивающими составами, делает его пригодными для использования в условиях вакуума. Ультразвуковой двигатель обладает значительным моментом самоторможения (до 50 % величины mах крутящего момента) при отсутствии питающего напряжения за счет своих конструктивных особенностей. Это позволяет обеспечивать очень малые дискретные угловые перемещения (от единиц угловых секунд) без применения каких-либо специальных мер. Этот свойство связано с квазинепрерывным характером работы пьезодвигателя. Действительно, пьезоэлемент, который преобразует электрические колебания в механические питается не постоянным, а переменным напряжением резонансной частоты. При подаче одного или двух импульсов можно получить очень маленькое угловое перемещение ротора. Например, некоторые образцы Ультразвуковых двигателей, имеющие рабочую частоту вращения 0,2-6 об/сек при подаче одиночного импульса на обкладки пьезоэлемента дадут в идеальном случае угловое перемещение ротора в 1/9.900.000-1/330.000 от величины окружности, то есть 0,13-3,9 угловых секунд.

Принцип работы заключается в следующем. На «гибкий» статор «подается» переменное напряжение высокой частоты, которое вынуждает его производить ультразвуковые колебания, формирующие механическую бегущую волну, которая и толкает (зацепляет) расположенный рядом ротор. Простота принципа сложна в реализации. И если обычный электродвигатель можно сделать практически из ничего, ультразвуковой же без сложного оборудования не создать.

Ультразвуковой двигатель может с успехом использоваться в тех областях техники, где необходимо достижение минимальных угловых перемещений. Например, в астрономии, в космических исследованиях там, где требуется точная ориентировка по весьма малым объектам (звездам); в ускорителях заряженных частиц, где необходимо удерживать энергетический пучок в строго заданных геометрических координатах; в научных исследованиях при изучении кристаллографической структуры (ориентировка головки гониометра); в робототехнике и т. д. Такие устройства также используются в некоторых объективах для зеркальных фотоаппаратов.

Самые распространенные сегодня принтеры основаны на струйной технологии: измельченный краситель в виде капель распыляется на материал. Обычно, как и в матричных принтерах, печатающая головка движется поперек направления подачи носителя, формируя полосу изображения, а затем носитель сдвигается для печати следующей полосы. Однако вместо иголок в головке имеется множество сопел для выбрасывания краски.

В струйной технологии сложились две разновидности:

* термоструйная, в которой активизация краски и ее выброс происходят под действием нагрева;

* пьезоэлектрическая, в которой выброс краски происходит под давлением, создаваемым колебанием мембраны.

Пьезоэлектрическая система, созданная на базе электромеханического устройства и доведенная до коммерческой готовности компанией Epson (дочерняя компания Seiko), впервые была использована в струйных принтерах Epson в 1993 г.

В основе пьезотехнологии лежит свойство некоторых кристаллов, называемых пьезокристаллами (примером могут служить кристаллы кварца в распространенных теперь кварцевых наручных часах), деформироваться под действием электрического тока; таким образом, этот термин определяет электромеханическое явление. Это физическое свойство позволяет использовать некоторые материалы для создания миниатюрного "чернильного насоса", в котором смена положительного напряжения на отрицательное будет вызывать сжатие небольшого объема чернил и энергичный выброс его через открытое сопло. Как и при формировании чернильной струи за счет термических эффектов, размер капли здесь определяется физическими характеристиками эжекционной камеры (firing chamber) и давлением, создаваемым в этой камере за счет деформации пьезокристалла.

Модуляция, т. е. изменение размера капли, осуществляется путем изменения величины тока, протекающего через эжекционный механизм. Как и в термопринтерах, частота выброса под действием пьезоэффекта зависит от потенциальной частоты электрических импульсов, которая, в свою очередь, определяется временем возвращения камеры в "спокойное" состояние, когда она заполнена чернилами и готова к следующему рабочему циклу. Пьезотехнология отличается высокой надежностью, что очень важно, потому что печатающая головка, по чисто экономическим причинам, не может быть частью сменного картриджа с чернилами, как в термических системах, а обязательно должна быть жестко соединена с принтером.

Как у термических, так и у пьезоэлектрических систем качество работы определяется многими факторами. Возможность изменения размера точки дает пьезотехнологии определенные преимущества. С другой стороны, пьезотехнология сталкивается с некоторыми чисто физическими ограничениями. Например, большие геометрические размеры электромеханической эжекционной камеры означают, что плотность размещения сопел по вертикали должна быть меньше, чем у термических аналогов. Это не только ограничивает перспективы дальнейшей разработки, но означает также, что для получения более высокого разрешения и однородности при высококачественной печати требуется несколько проходов печатающей головки по одной и той же странице.

Стационарная печатающая головка в определенной мере экономически выгодна, потому что ее не приходится менять. Однако это преимущество частично обесценивается тем, что существует опасность проникновения воздуха в систему при смене картриджа. При этом сопла закупориваются, качество печати ухудшается, и для восстановления нормальной работоспособности системы требуется провести несколько циклов очистки. Еще одно существующее пока ограничение для пьезосистем касается использования чернил на основе красителей (dye based inks): при использовании пигментных чернил, которые имеют более высокое качество, но при этом обладают и более высокой плотностью, также возникает опасность закупорки сопел.