Was ist ein elektrostatischer Aktuator?
Ein elektrostatischer Aktuator ist ein Gerät, das die durch elektrostatische Kräfte erzeugte Energie in eine Antriebskraft umwandelt, um Objekte zu bewegen.
Elektrostatische Aktuatoren werden hauptsächlich im Bereich der Optik eingesetzt. Zu den verwendeten Komponenten gehören Linsen mit variablem Fokus, Verschlüsse und Displays.
Zu ihren Merkmalen gehören geringes Gewicht, Flexibilität, Dünnheit und Transparenz. Aufgrund ihrer Eigenschaften ist zu erwarten, dass sie nicht nur im optischen Bereich, sondern auch beim Menschen Anwendung finden werden.
In der Forschung wird beispielsweise an künstlichen Muskeln, Armen und Beinen für Roboter gearbeitet. Die Entwicklung ist im Gange, um Bewegungen zu ermöglichen, die den menschlichen ähneln.
Anwendungen für elektrostatische Aktuatoren
- MEMS
Elektrostatische Aktuatoren werden häufig zum Antrieb von MEMS verwendet.
MEMS ist die englische Abkürzung für Mikro-Elektro-Mechanische Systeme, ein Sammelbegriff für Halbleiter und elektronische Schaltungen.
MEMS umfassen auch Halbleiter, unterscheiden sich aber von gewöhnlichen Halbleitern dadurch, dass sie bewegliche Teile haben.
Bauteile, in denen Halbleiter verwendet werden, müssen kleiner sein, weshalb elektrostatische Aktuatoren benötigt werden, die dünner gemacht werden können.
- Künstliche Muskeln
Geräte, die die menschliche Bewegung unterstützen, wie Pflegeroboter, Bein- und Handprothesen, erfordern flexible und komplexe Bewegungen. Daher werden künstliche Muskeln in Betracht gezogen, für deren Antrieb elektrostatische Aktuatoren eingesetzt werden.
Funktionsweise der elektrostatischen Aktuatoren
Das Prinzip eines elektrostatischen Aktuators ist ein Parallelplattenkondensator. Kondensatoren speichern Strom und geben ihn wieder ab. Dabei wird eine elektrostatische Kraft erzeugt, die in eine Antriebskraft umgewandelt wird.
Die erzeugte elektrostatische Kraft ist proportional zur Fläche der Platten und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Platten. Das heißt, je dünner die Folie ist, desto größer ist die elektrostatische Kraft und desto größer ist die Antriebskraft.
Elektrostatische Aktuatoren haben den Nachteil, dass der Absolutwert der erzeugten Antriebskraft aufgrund ihrer geringen Größe klein ist. Um diesen Nachteil zu beheben, wurden neben der Dünnschichttechnologie auch andere Methoden zur Erhöhung der Antriebskraft eingesetzt, indem die Fläche der Aktoren parallel vergrößert wurde.
Neben den elektrostatischen Aktuatoren gibt es je nach der verwendeten Kraft auch noch die folgenden Aktuatoren.
Jeder hat seine eigenen Vor- und Nachteile, sodass es wichtig ist, sie auf unterschiedliche Weise einzusetzen.
- Thermische Stellantriebe
Der Vorteil ist, dass sie einfach herzustellen sind. Der Nachteil ist, dass die Antriebskraft aufgrund der Anisotropie des Materials je nach Einsatzort variiert. - Elektromagnetische Stellantriebe
Können in Flüssigkeiten eingesetzt werden, was den Anwendungsbereich erweitert. Der Nachteil ist, dass sie schwer zu miniaturisieren sind. - Piezoelektrische Aktoren
Der Vorteil ist die hohe Antriebskraft. Der Nachteil ist, dass Hystereseverluste auftreten und die Antriebskraft schwächer sein kann als die zugeführte Energie.