Was ist ein Piezoaktor?
Ein Piezoaktor ist ein Antrieb, der auf einem Phänomen beruht, das als piezoelektrischer (piezoelektrischer) Effekt bekannt ist.
Der piezoelektrische Effekt ist ein physikalisches Phänomen, bei dem mechanische Energie, die auf einen Festkörper aus piezoelektrischem Material (z. B. Kristall oder Keramik) wirkt, elektrische Energie erzeugt. Da dieses Phänomen umkehrbar ist, wird eine lineare Auslenkung im piezoelektrischen Material erzielt, wenn ein entgegengesetztes elektrisches Signal eingespeist wird, und dieser umgekehrte piezoelektrische Effekt wird in vielen Fällen in Piezoaktoren genutzt.
Piezoaktoren zeichnen sich durch einen geringen Stromverbrauch, geringe Größe, hohe Geschwindigkeit und kein Magnetfeld aus.
Anwendungen von Piezoaktoren
Piezoaktoren werden für interne Positionierungsmechanismen in Festplattenlaufwerken und Halbleiterlithografieanlagen, Tintenpumpen in Tintenstrahldruckern, Schalter für Smartphones und Energy Harvesting (umweltfreundliche Stromerzeugung) verwendet. In den letzten Jahren wurde insbesondere die für Piezoaktoren einzigartige Technologie der taktilen Rückmeldung in vielen Fällen als Schalter für Smartphones und Kfz-Navigationssysteme eingesetzt.
Einer der Vorteile des Einsatzes von Piezoaktoren ist, dass sie nahtlos gestaltet werden können. Piezoaktoren werden zunehmend auch für das Energy Harvesting (Energiegewinnung aus der Umwelt) eingesetzt, bei dem mechanische Energie, z. B. Vibrationen aus der Umwelt, zur Stromerzeugung genutzt wird. Unter Energy Harvesting versteht man die Umwandlung von Umweltenergie in Elektrizität.
Funktionsweise von Piezoaktoren
Die Funktionsweise eines Piezoaktors macht sich das physikalische Phänomen der mechanischen Mikroverformung (Vibration) zunutze, die im kristallinen Festkörper eines Piezoelements auftritt, wenn ein elektrisches Feld an ein Piezoelement, z. B. aus Keramik, angelegt wird.
Dieses physikalische Phänomen ist das Gegenteil des piezoelektrischen (Piezo-)Effekts und wird als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet, da er elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Die Struktur eines Piezoaktors besteht im einfachsten Fall aus piezoelektrischem Material, das zwischen Elektroden mit herausgezogenen Drähten eingebettet ist, und zeichnet sich aufgrund seiner Einfachheit durch hervorragende Haltbarkeit und hohe Zuverlässigkeit aus.
Ferroelektrische Keramikkristalle wie Bariumtitanat sind derzeit die am häufigsten verwendeten piezoelektrischen Materialien.
Arten von Piezoaktoren
Die gebräuchlichsten Arten von Piezoaktoren sind Mehrschicht-, bimorphe und Röhrenaktoren.
1. Multilayer-Piezoaktoren
Dieser Aktortyp besteht aus abwechselnden Schichten von Piezosensoren und -elektroden, mit denen sich leicht präzise Mikroverschiebungen erzielen lassen. Sie werden aufgrund der hohen erzeugten Spannung und des guten Ansprechverhaltens auch zur Präzisionspositionierung eingesetzt.
2. Bimorphe Piezoaktoren
Zwei in Längsrichtung ausfahrbare piezoelektrische Elemente sind so miteinander verbunden, dass beim Ausfahren des einen das andere eingezogen wird. Wenn eine Auslenkungskraft aufgebracht wird, wird elektrische Energie erzeugt. Infolgedessen gibt es viele Beispiele für die Verwendung als Schall- und Biegesensoren.
3. Röhrenförmige Piezoaktoren
Diese Aktoren dehnen sich radial und axial aus und ziehen sich zusammen, wenn eine Spannung an die inneren und äußeren Elektroden angelegt wird.
Weitere Informationen über Piezoaktoren
1. Hysteresekompensation
Obwohl Piezoaktoren eine einfache Struktur, hohe Zuverlässigkeit und einen ausgezeichneten mikrokompakten Hochgeschwindigkeitsbetrieb aufweisen, besteht ihr größter Nachteil darin, dass sie Hysteresefehler haben. Im Idealfall sollte eine perfekt proportionale Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Hub des Aktors bestehen, aber in der Realität gibt es eine Hystereseschwankung von bis zu 15 % beim Hubwert, wenn die Spannung steigt oder sinkt. Um dies zu kompensieren, werden auch Produkte mit Positionserfassungsmechanismen und ASIC-Rückkopplungskompensationsfunktionen verwendet.
2. Überlegungen zur Belastung
Ferroelektrische Keramiken sind extrem widerstandsfähig gegenüber Belastungen in der erwarteten Betriebsrichtung, aber unerwartete Belastungen wie Scherspannungen, unausgewogene Lasten und Drehmomente können aufgrund der Beschaffenheit der Keramikkristalle zum Bruch der Laminatkristalle führen. Es ist wichtig, dass Sie die Gebrauchshinweise des Herstellers genau beachten und darauf achten, dass das Produkt nicht falsch verwendet wird.