Was ist ein piezoelektrisches Element?
1. Überblick über piezoelektrische Elemente
Piezoelektrische Elemente sind passive Elemente, die die piezoelektrischen und inversen piezoelektrischen Effekte nutzen, die in dielektrischen Materialien wie Quarz und Quarz auftreten, um kleinste Bewegungen zu steuern und zu erkennen.
Sie haben eine einfache Struktur, die keine Getriebe oder Motoren für den Betrieb erfordert, und sind daher kleiner als andere Elemente von Mikro-Betätigungsmechanismen.
2. Anwendungen piezoelektrischer Elemente
Piezoelektrische Elemente werden hauptsächlich in Geräten verwendet, die Mikrobewegungen für industrielle Anwendungen erkennen und steuern.
Sie werden beispielsweise in Schwingungsmessgeräten verwendet, bei denen durch Schwingungen verursachte winzige Kraftänderungen dem piezoelektrischen Gerät als Druck zugeführt werden und die im piezoelektrischen Gerät unter Druck erzeugte Spannung als Ausgang verwendet wird, um einen Spannungswert zu erhalten, der als Stärke der Schwingung quantifiziert wird.
Sie werden auch als Antriebssysteme verwendet, die die Bewegung von Tischen in Geräten wie Mikroskopen und Interferometern begleiten, die präzise Bewegungen erfordern.
Piezoelektrische Komponenten in solchen Antriebssystemen werden als piezoelektrische Treiber oder piezoelektrische Aktoren bezeichnet, und auch Mehrschichtaktoren mit mehreren Schichten piezoelektrischer Elemente sind gängige Komponenten.
Bei diesen werden kleinste Bewegungen durch das Anlegen von winzigen Impulsströmen an die piezoelektrischen Geräte erreicht. Piezoelektrische Geräte eignen sich für Situationen, in denen eine hohe Reaktionsfähigkeit und eine präzise Bewegungssteuerung erforderlich sind.
3. Prinzipielle Funktionsweise piezoelektrischer Geräte
Piezoelektrische Keramiken werden hauptsächlich als Material für piezoelektrische Geräte verwendet, die im Inneren des Kristalls eine Polarität, eine elektrische Spannung, aufweisen.
Ein piezoelektrisches Element besteht aus einem piezoelektrischen Material, das zwischen einer positiven und einer negativen Elektrode eingebettet ist.
Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden wird ein Druck auf den piezoelektrischen Körper ausgeübt, der sich entsprechend der Höhe der Spannung ausdehnt, zusammenzieht und verschiebt, und diese Verschiebung wird als Antriebskraft usw. genutzt. Darüber hinaus ist es auch möglich, eine Spannung zu erfassen, indem man einen Druck anlegt, der das piezoelektrische Gerät in die entgegengesetzte Richtung verformt.
Das Kristallgitter bleibt innerhalb des piezoelektrischen Körpers unter normalen Bedingungen elektrisch stabil, indem es Ionen aus der Atmosphäre aufnimmt. Wenn jedoch eine Spannung angelegt wird, wird das Gleichgewicht leicht gestört und die Polarität innerhalb des Kristalls ändert sich, wodurch sich das Kristallgitter selbst in einer Richtung ausdehnt und zusammenzieht, was die Verschiebung des piezoelektrischen Körpers darstellt.
Das piezoelektrische Element nutzt diese Polarität, um elektrische Energie effizient in Verformungsenergie für das Element umzuwandeln, und ist mit einem piezoelektrischen Körper aufgebaut, der zwischen Elektroden eingebettet ist.
Als Reaktion auf die zwischen den Elektroden angelegte Spannung wird Druck auf den piezoelektrischen Körper ausgeübt, wodurch dieser verformt wird.
Der piezoelektrische Körper kann auch Spannung erkennen, wenn Druck in die entgegengesetzte Richtung ausgeübt wird.
Die Verformung des piezoelektrischen Materials liegt in diesem Fall bestenfalls im Bereich von einigen Mikrometern, was auf die Verformung durch die elektronische Polarität des Kristallgitters des piezoelektrischen Materials zurückzuführen ist.
Daher lassen sich im Allgemeinen nur Antriebsgrößen bis zu einigen Mikrometern ausdrücken, so dass mehrere piezoelektrische Geräte kombiniert und gestapelt werden müssen, um eine größere Antriebsgröße zu erreichen.
4. Auswahl piezoelektrischer Elemente
Je nachdem, ob es sich bei dem Material, in das das piezoelektrische Element eingebaut ist und betrieben wird, um eine Massenlast oder um eine elastische Last handelt, muss das entsprechend arbeitende piezoelektrische Element bestimmt werden.
Insbesondere beim Betrieb einer sich tatsächlich bewegenden Struktur, die über ein elastisches Element wie eine Feder gehalten wird, ist das piezoelektrische Element elastischen Belastungsbedingungen ausgesetzt, da die Elastizität der Feder beim Aufbringen der Last durch das piezoelektrische Element dazu führt, dass die vom piezoelektrischen Element ausgeübte Kraft zurückgedrückt wird, wodurch sich die Art der Kraftübertragung ändert.
Die Massenbelastung bezieht sich auf den Fall, dass die Kraft, die erzeugt wird, wenn das piezoelektrische Element auf das Antriebselement drückt, direkt auf das sich tatsächlich bewegende Bauteil übertragen wird, und eine konstante Kraft ab dem Zeitpunkt des Anlegens der Spannung an das piezoelektrische Element kontinuierlich angelegt wird.
Bei der oben beschriebenen elastischen Belastung hingegen wird die Kraft, die erzeugt wird, wenn das piezoelektrische Element auf das Antriebselement drückt, über ein elastisches Element, wie z. B. eine Feder, auf das sich tatsächlich bewegende Bauteil übertragen.
Ab dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung an das piezoelektrische Element angelegt wird, wird es gegen den Widerstand der Feder gedrückt, und die auf das Bauteil ausgeübte Kraft nimmt allmählich zu, bis sie eine konstante Kraft erreicht.
Wenn das piezoelektrische Element nur in der Lage ist, eine konstante Spannung zu liefern, wenn es durch ein elastisches Element wie eine Feder gedrückt wird, ist der Betrag der Bewegung zwischen der ersten und der zweiten Hälfte des Vorgangs unterschiedlich.
Da das piezoelektrische Element einen festen Hub hat, der bewegt werden kann, ist es außerdem wichtig, ein piezoelektrisches Element mit einem Hub zu wählen, der die gewünschte Bewegung ausführen kann.
5. Materialien für piezoelektrische Elemente
Zu den Materialien mit piezoelektrischem Effekt gehören Materialien auf Keramik- und Folienbasis.
5-1. Piezoelektrische Keramiken
Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)
Dies ist die am weitesten verbreitete piezoelektrische Keramik, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird. Typische Produkte sind Summer, Schwingungssensoren und Aktuatoren.
5-2. Lithiumtantalat (LT)
Dies wird aufgrund seines Einkristalls und seiner guten Stabilität in elektronischen Geräten verwendet. Die häufigste Anwendung ist in elektronischen Geräten, den so genannten SAW-Filtern, die nur bestimmte Funkwellen durchlassen. Es ist weit verbreitet in Mobiltelefonen.
5-3. Piezoelektrische Folien
Polyvinylidenfluorid (PVDF)
Dies ist eine Kunstharzfolie mit piezoelektrischen Eigenschaften. Obwohl ihre Verdrängungskapazität nicht so hoch ist wie die von Keramik, kann sie billig hergestellt und in verschiedenen Formen verarbeitet werden, so dass sie in Haushaltsgeräten, wie z. B. Näherungssensoren in selbstfahrenden Staubsaugern und Berührungssensoren, breite Anwendung findet.
6. Beispiele für Produkte, in denen piezoelektrische Elemente verwendet werden
1. Piezoelektrische Elemente für Feuerzeuge
Piezoelektrische Elemente werden in den Zündungsteilen von elektronischen Feuerzeugen und Gasherden verwendet, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, dass sie bei einem Stoß eine Hochspannungsladung erzeugen.
Feuersteine (Zündsteine) verschleißen bei jedem Gebrauch, aber piezoelektrische Elemente, die in elektronischen Feuerzeugen verwendet werden, können semipermanent verwendet werden, solange sie nicht beschädigt werden, so dass sie sich auch für nachfüllbare Gasfeuerzeuge eignen.
2. Lautsprecher mit piezoelektrischen Elementen
Piezoelektrische Elemente werden auch als Klangkomponenten verwendet, indem man sich ihre Eigenschaft zunutze macht, sich bei Anlegen eines elektrischen Signals auszudehnen und zusammenzuziehen. Dünne Platten aus piezoelektrischer Keramik werden auf eine Metallplatte geschichtet, um durch Spreizschwingungen eine Schwingungsamplitude zu erhalten, die einen lauten Ton erzeugen kann.
Sie werden hauptsächlich für Benachrichtigungstöne in Haushaltsgeräten, Computertöne, elektronische Geräusche in Uhren, Rückfahrgeräusche in Fahrzeugkabinen und Klickgeräusche in Audiogeräten verwendet.
Einige High-End-Audiosysteme sind mit piezoelektrischen Lautsprechern als Hochtöner ausgestattet, die Töne um 20 kHz erzeugen, die für das menschliche Ohr kaum hörbar sind, und einige erzeugen den Effekt der Klangexpansion in der klassischen Musik, usw.
3. Piezoelektrische Aktoren
Piezoelektrische Elemente eignen sich auch als Aktoren (Antriebe) zum Schieben und Ziehen von Objekten, wobei sie ihre Fähigkeit nutzen, sich durch elektrische Signale auszudehnen und zusammenzuziehen.
Sie werden in der Antriebseinheit von Tintenstrahldruckern eingesetzt, um hochpräzise Tintenausstoßfunktionen und Dosierfunktionen zum Ausstoßen von Flüssigkeit zu realisieren.
Aktoren mit piezoelektrischen Elementen haben den Vorteil, dass sie kleiner sind als Aktoren mit elektromagnetischen Spulen. Da sie jedoch in Bezug auf die Schwingungsamplitude nicht so groß sind wie Spulenaktoren, werden sie nur in Anwendungen eingesetzt, in denen winzige, hochpräzise Antriebsamplituden erforderlich sind.