Piezoaktor

Ich will hier nicht die Theorie im Einzelnen wiederholen, sondern mich auf die praktische Anwendung, deren Chancen und Risiken, konzentrieren.

In einem piezoelektrischen Material befinden sich mikroskopische Dipole (Kristalle oder Moleküle). Diese sind im Allgemeinen ungeordnet, so dass sich nach außen durch Anlegen eines elektrischen Feldes keine Wirkung ergibt. Werden diese Dipole jedoch im Herstellungsprozess alle gleich ausgerichtet, dann kann man mit einem von außen angelegten elektrischen Feld eine mechanische Deformation des gesamten Körpers im elektrischen Feld bewirken. Umgekehrt kann auch eine mechanische Deformation eines piezoelektrischen Körpers eine Spannung erzeugen. Jeder kennt den Effekt vom Feuerzeug mit Piezozünder.

Bei Piezokeramiken darf man davon ausgehen, dass man mit einem elektrischen Feld ihre Größe um etwa 1/1000 ändern kann. Die dazu benötigte Spannung liegt nahe an der Durchschlagsspannung der Materialien. Um dabei dennoch einigermaßen handhabare Spannungen von mehreren 100V zu erzielen, werden die Keramiken extrem dünn geschnitten und dann kontaktiert. Einzelaktoren werden etwa zur Ultraschallerzeugung bei diagnostischen Geräten benutzt. Dabei sind Resonanzfrequenzen von 1-10MHz üblich. Bei Ultraschallsendern, etwa als Einparkhilfe an PKW liegen die Frequenzen mit ca. 50KHz niedriger.

StapelaktorWill man beispielsweise 10μm Aktorweg erhalten, so muss man die Keramiken zu einem 10mm hohen Stapel zusammenfügen. Diese Konstruktion heißt dann Stapelaktor. Auch hier kann man mit Resonanzfrequenzen um die 50KHz rechnen.

Wer große Aktorwege, also mehrere mm, braucht, kann Biegeaktoren benutzen. Der Aufbau ist wie bei einem einfachen Aktor, der auf einem Träger montiert ist. Die Piezokeramik ist hier so ausgewählt, dass sie eine Geometrieänderung quer zum elektrischen Feld realisiert. Schrumpft die Keramik in dem unten gezeigten Bild, so wird der Träger, der ja nicht schrumpft sich nach oben verbiegen. Die mechanischen Eigenschaften können noch verbessert werden, indem man auf beiden Seiten des Trägers eine Piezokeramik montiert. Die Resonanzfrequenz eines solchen Aktors wird stark durch die Masse des Aufbaus und die Größe der gewünschten Auslenkung bestimmt, daher können hier keine allgemeinen Aussagen gemacht werden. Man muss aber auf jeden Fall mit Frequenzen deutlich unter 50KHz rechnen.

Biegeaktor

Biegeaktor ausgelenkt

Ansteuerung

Piezoaktoren verhalten sich unterhalb ihrer Resonanzfrequenz wie Kondensatoren, grundsätzlich lassen sie sich durch die Ersatzschaltung eines Schwingquarzes annähernd beschreiben. Ersatzschaltung SchwingquarzDa sie elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad in mechanische Energie umsetzen, muss man das mechanische Umfeld, insbesondere bei Biegeaktoren, mit einbeziehen. Entsprechend komplizierter wird dann die Ersatzschaltung. Wegen dieser elektromechanischen Kopplung muss man die Ansteuerung sorgfältig designen. Zu starke Spannungssprünge können das Piezomaterial mechanisch überlasten, Materialbrüche und elektrische Entladungen durch diese Brüche zerstören dann den Aktor und dessen Ansteuerschaltung. Grundsätzlich ist ein Aktor ein schwingfähiges Gebilde. Wird er in der Nähe der Resonanzfrequenz benutzt, so müssen diese Schwingungen gedämpft werden ( siehe Patent DE102011055649A1 ).

PVDF

Dieser Kunststoff ist ebenfalls piezoaktiv. Allerdings nur, wenn möglichst viele Kristalle in der β-Phase angeordnet sind. Nur diese lassen sich mit einem elektrischen Feld ausrichten. Der größte Piezoeffekt entsteht in Richtung des angelegten Feldes. Als Aktor ist das Material sicher interessant. Wer es als Sensor benutzt, darf aber auf keinen Fall die pyroelektrischen Eigenschaften vernachlässigen. Der Piezoeffekt ist nicht so stark ausgeprägt wie bei Keramiken. Hier dürften aber noch Fortschritte erzielt werden, wenn es gelingt, den Prozentsatz der β-Phasen Kristalle zu steigern. Grundsätzlich ist das Material in Mengen leichter und billiger herzustellen als Keramik, denn das aufwändige Sägen der Keramik in Scheiben entfällt hier.