Was ist ein piezoelektrischer Aktor?
Ein piezoelektrischer Aktor ist ein Aktortyp, der piezoelektrische Elemente verwendet, um elektrische Energie, z. B. die von einem IC oder einem anderen Gerät ausgegebene Spannung, in physikalische Bewegungsenergie, z. B. eine lineare Bewegung oder Verformung, umzuwandeln.
Durch die Verwendung eingebauter piezoelektrischer Elemente, auch Piezoelemente genannt, kann elektrische Energie in physikalische mechanische Energie umgewandelt werden. Piezoelektrische Aktoren nutzen im Allgemeinen die Verformung von piezoelektrischen Keramiken, so dass sie im Vergleich zu anderen Aktoren keine elektromagnetischen Geräusche erzeugen und sich durch ihre extrem hohe Präzision und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit auszeichnen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, dass sie keine Spulen für den Antrieb benötigen und kompakt gebaut werden können. Aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs werden piezoelektrische Aktoren in Präzisionsgeräten wie Digitalkameras und mobilen Endgeräten eingesetzt, wo eine Miniaturisierung erforderlich ist.
Anwendungen für piezoelektrische Aktoren
Piezoelektrische Aktoren werden von Industrieprodukten bis hin zu gewöhnlichen Elektrogeräten eingesetzt, insbesondere in Präzisionsgeräten. Sie werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt und profitieren von Merkmalen wie der Möglichkeit der Miniaturisierung, der hohen Ansprechgeschwindigkeit und dem geringen Stromverbrauch.
Konkrete Beispiele für Produktanwendungen sind Präzisionsgeräte wie Spiegelreflexkameras, Speichermedien wie Festplattenlaufwerke, Tintenstrahldrucker, medizinische Geräte und Industrieprodukte.
Funktionsweise der piezoelektrischen Aktoren
Die Funktionsweise der piezoelektrischen Aktoren liegt in der Nutzung eines physikalischen Phänomens, das als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist, bei dem eine Kraft oder Verzerrung durch Anlegen eines elektrischen Feldes an einen Kristall erzeugt wird, was eine Eigenschaft piezoelektrischer Materialien ist, und in der Nutzung der präzisen Verschiebung piezoelektrischer Materialien als mechanische Komponenten durch elektrische Steuerung.
Die in Piezoelektrischen Aktoren verwendeten piezoelektrischen Keramiken sind technisch so konzipiert, dass mit Hilfe des inversen piezoelektrischen Effekts große Auslenkungen mit einer kleinen Ansteuerspannung erreicht werden können. Insbesondere kann durch die Verringerung der Dicke des Keramiksubstrats die Antriebsspannung des Piezoelektrischen Aktors auf eine relativ geringe Spannung reduziert werden.
Weitere Informationen zu piezoelektrischen Aktoren
1. Vergleich mit elektromagnetischen Aktoren
Elektromagnetische Aktoren sind herkömmlich verwendete Aktoren, die jedoch im Vergleich zu piezoelektrischen Aktoren folgende Vorteile aufweisen:
- Es können große Auslenkungen sichergestellt werden.
- Eine niedrigere Antriebsspannung kann leicht erreicht werden.
Elektromagnetische Aktoren benötigen jedoch elektromagnetische Spulen, was ihre Miniaturisierung erschwert, und sie können in Bezug auf die Auslenkungsgenauigkeit, die Steuerbarkeit und den geringen Stromverbrauch als Aktoren nicht mit piezoelektrischen Aktoren mithalten. Gegenwärtig werden elektromagnetische Aktoren in den mechanischen Teilen herkömmlicher, relativ großer Industrieprodukte und Ausrüstungssysteme eingesetzt, während piezoelektrische Aktoren in Bereichen verwendet werden, in denen Präzision, Kompaktheit und geringer Stromverbrauch wichtig sind.
2. Hysterese piezoelektrischer Aktoren
Piezoelektrische Aktoren können prinzipiell bis in den Nanobereich hinein gesteuert werden, haben jedoch ein Problem, das als Hysterese (historisches Phänomen) bezeichnet wird. Unter Hysterese versteht man das Phänomen, dass die Auslenkung des Aktors (= Hubvolumen) nicht perfekt proportional zur Steuerspannung ist.
Bei piezoelektrischen Aktoren ist der Hubbetrag im Verhältnis zur angelegten Spannung gekrümmt, und die Kurven stimmen nicht überein, wenn die angelegte Spannung erhöht und gesenkt wird. Um dies zu kompensieren, muss ein externer, hochpräziser Positionierungsmechanismus (z. B. Dehnungsmessstreifen) verwendet werden. Es gibt eine Reihe von Präzisionsbauteilen, die Positionsrückmeldungen von Dehnungsmessstreifen zusammen mit ASICs verwenden, um den Hubbetrag mit hoher Präzision zu steuern.
3. Entwicklung von Energy-Harvesting-Anwendungen
Piezoelektrische Elemente werden auch für die Entwicklung von Anwendungen zur Energiegewinnung in Betracht gezogen, bei denen elektrische Energie wie z. B. Spannung aus mechanischer Verschiebung erzeugt wird. Aufgrund des wachsenden Interesses an Umweltfragen, das durch die jüngsten SDGs zum Ausdruck kommt, werden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um Anwendungen für die Energieerzeugung durch mechanische Verschiebung und Vibration zu untersuchen, die auf piezoelektrischen Aktoren auf der Grundlage von piezoelektrischen Elementen angewendet werden.
Diese Technologie wird als Energy Harvesting (umweltfreundliche Energieerzeugung) bezeichnet, und neben der Schwingungsenergie finden auch Licht, Wärme und elektromagnetische Wellen Beachtung. Die Schwingungsenergieerzeugung wird auch für drahtlose Kommunikationsetiketten und andere Anwendungen entwickelt, bei denen piezoelektrische Aktoren zum Einsatz kommen.