Piezoprvky

Základním piezokrystalickým materiálem je keramická směs PZT (tj. Pb(Zr,Ti)O₃), která se dotuje různými příměsemi pro dosažení požadovaných vlastností, nebo BaTiO₃. Výroba piezokeramiky se provádí zpravidla práškovou technologií, spékáním prášku ve formě požadovaného tvaru. Piezoelektrický jev je podmíněn přítomností vlastních dipólů krystalků, které jsou ovšem u prášku nahodile uspořádány a způsobují prodloužení, které je ve výsledku nulové. Proto se musí po spečení trubička opět zahřát a vystavit stejnosměrnému el. poli, které jednotlivé dipóly orientuje do svého směru. Po úplném přeorientování je vzorek rychle zchlazen, čímž si dipóly uchovají svou orientaci. Piezokeramika umožňuje realizovat roztažení v intervalu od méně než 0,1 nm až do stovek mikrometrů při napětích od 1 mV do 1000 V. Základní charakteristikou piezoelektrik je piezoelektrická konstanta, která udává velikost změny rozměrů po přiložení napětí. Konstanta má tenzorový charakter a je závislá na teplotě. Při nižších teplotách má menší hodnotu, což umožňuje přesnější nastavování, ale menší rozsah.

Piezokeramika se používá v několika tvarových modifikacích, ze kterých se sestavuje vlastní skener (v dalším je zavedena konvence, že polarizace má směr osy z, označené číslem 3, a orientaci od kladného pólu k zápornému):

• pásek (hranolek) o délce l a tloušťce t, k němuž se napětí připojuje kolmo na podélnou osu (ve směru l). Po přiložení napětí V dojde k protažení pásku (Δl)/l=(d₃₁)/tV, kde d₃₁<0 je piezoelektrický koeficient v patřičném směru. Rovněž nastává změna tloušťky Δt=d₃₃V, kde d₃₃>0.
• bimorfní pásek je tvořen dvěma pevně spojenými pásky stejného materiálu a polarizace, mezi nimiž je vodivá elektroda. Vnější elektrody jsou připojeny na stejný pól napětí, tedy je v každém elektrické pole jiného směru, jeden pásek se zkracuje, druhý roztahuje a výsledkem je ohyb pásku. Pásek by mohl být používán upevněný na jednom konci, ale to je nevýhodné z hlediska rezonančních vlastností, proto bývá upevněn na obou koncích a pohyb je realizován prohnutím uprostřed. Velikost prohnutí je pak dána vztahem
  Δx=3/8d₃₁V(l/t)².
• sestava disků je tvořena několika disky na sobě. Protože prodloužení Δt je nezávislé na t, nepomůže zvětšení tloušťky jednoho disku, ale je nutno disky skládat a prokládat mezi nimi elektrody, které se pak spojí ob jeden na stejné napětí. Sousední disky musí mít opačnou polarizaci a výsledné prodloužení závisí na počtu disků N vztahem Δt=Nd₃₃V.
• laminát je tvořen soustavou pásků, přičemž sousední mají vždy opačnou polarizaci a elektrody mezi nimi jsou ob jeden připojeny na stejné napětí. Protažení jednoho pásku je totiž úměrné l/t a jeho zvětšení se dá dosáhnout snížením tloušťky. Tenký pásek však není mechanicky odolný, proto je vhodné je pospojovat do laminátu. Protažení laminátu je však stejné jako pro jeden z jeho pásků.
• dutá trubička s vnitřní i vnější plochou pokovenou v souvislou elektrodu. Protažení trubičky podél její osy závisí na vnitřním a vnějším poloměru r_i, r_o vztahem
  (Δl)/l=d₃₁V/(2(r_o-r_i)).
  Trubička se rovněž roztahuje v radiálním směru, přičemž Δr=d₃₃V. Důležitým parametrem tuby je homogenita tloušťky její stěny r_o-r_i, protože jinak se různé strany roztahují různě a dochází k ohybu.

Při srovnatelné mechanické síle je tloušťka stěn trubičky menší než hranolků a je tedy pro stejné protažení zapotřebí menší napětí, ještě menší potřebují disky. Celkové protažení je ovšem u trubičky i hranolku přibližně stejné, protože ve velikosti napětí je omezení elektrickým průrazem. U disků lze naopak protažení zvýšit větším počtem disků (při nárůstu celkové délky), zároveň se zvýší citlivost, což není ovšem vždy vhodné (reakce na šumy).