| Das Wort „Piezo“ ist vom griechischen Wort für „Druck/Pressen“ abgeleitet. 1880 entdeckten Jacques und Pierre Curie, dass mechanischer Druck in Quarzkristallen eine Trennung der elektrischen Ladungen erzeugt; sie nannten dieses Phänomen den „Piezoeffekt“. Später stellten sie fest, dass elektrische Felder piezoelektrische Materialien verformen können. Dieser Effekt wird der „inverse Piezoeffekt“ genannt.
Der direkte Piezoeffekt wird für die Sensorik angewendet, während der inverse Piezoeffekt die aktorische Anwendung beschreibt.
Piezokeramische Platten, die in DuraAct™ Flächenwandlern zum Einsatz kommen, gleichen in ihrem Aufbau einem Kondensator. Die Keramik wirkt dabei als Dielektrikum zwischen den beiden metallisierten Oberflächen der Keramik, welche die Elektroden darstellen. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung bildet sich ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien senkrecht durch die Keramik verlaufen. Dies bewirkt eine um 90° zu den Feldlinien versetzte Kontraktion der Keramik, sodass sich der Aktor gleichmäßig in der Ebene zusammenzieht (Abb. 1). Dieses Verhalten wird als piezoelektrischer Quereffekt (d31-Effekt; Abb. 2) bezeichnet.
Die elektrische Feldstärke bestimmt dabei die Kontraktion der Keramik. Dies ermöglicht eine einfache Ansteuerung der Module. Durch eine unkomplizierte Klebung wird diese Verformung effektiv auf Strukturbauteile übertragen. Dabei erfolgt die Kraftübertragung flächig durch Schub und nicht an diskreten Punkten wie bei konventionellen Aktoren. Massive Krafteinleitungsstellen werden somit überflüssig. Umgekehrt werden Deformationen der Struktur durch den Wandler in elektrische Ladung umgesetzt, wodurch das Element als Sensor oder Energieerzeuger verwendet werden kann.
Die Reaktion auf eine Änderung des elektrischen Feldes oder auf eine Verformung erfolgt extrem schnell. Dadurch können Schwingungen bis in den Kilohertzbereich erzeugt oder aber gemessen werden. Je nach verwendeter Keramik und deren Abmessung ergeben sich für verschiedene Aktoren andere Werte in Bezug auf die Ansteuerspannung und Kontraktion. Der Zusammenhang zwischen Verformung und Ansteuerspannung ist nicht linear. Eine typische hysteresebehaftete Spannungs-Dehnungskurve ist in Abbildung 3 dargestellt.
Technologie
DuraAct™ Flächenwandler wirken sowohl als Sensoren mit variabler Bandbreite, die auf mechanische Verformung wie Stoß, Biegung oder Druck reagieren, als auch als hochpräzise Stellglieder / Biegeaktoren.
In der Regel besteht der Aufbau aus einer piezokeramischen Schicht mit metallisierten Oberflächen zur elektrischen Kontaktierung (Abb. 4). Die piezokeramischen Folien haben eine Dicke von typischerweise 200 bis 500 µm, wobei auch noch dünnere Schichten möglich sind. Ohne weitere Bearbeitungsschritte sind diese Platten sehr bruchempfindlich und nur schwer zu handhaben. Das Einbetten in einen Polymerwerkstoff dient sowohl der elektrischen Isolierung als auch der mechanischen Stabilisierung. Das Ergebnis ist ein extrem robustes Modul, das dehnbar und verformbar ist.
Alternativ können die DuraAct™ Flächenwandler auch aus mehreren Keramikschichten aufgebaut werden, wodurch sich eine bessere Kraftwirkung (Effektivität) bei gleicher Betriebsspannung ergibt.
DuraAct™ Flächenwandler sind Festkörperaktoren und besitzen keine beweglichen Teile. Verschleiß und Störanfälligkeit der Wandler sind somit gering. Der elektrische Anschluss wird über zwei Kontaktstellen realisiert, an denen je nach Anwendung Leitungen gelötet, geklebt oder geklemmt werden können. Eine Trennung der Sensor / Aktor Funktionalität wird durch eine getrennte Kontaktierung mehrerer Schichten erreicht. In diesem Fall ist der Wandler gleichzeitig als Sensor und Aktor einsetzbar.
Das Arbeitsdiagramm
Die aktorischen Eigenschaften piezokeramischer Wandler werden im Wesentlichen durch zwei Kenngrößen beschrieben: Die Blockierkraft (FB) und die freie Auslenkung (S0). Wird der unbehinderte (freie) Aktor mit einer Spannung U angesteuert, so erreicht er seine maximale Auslenkung S0. Die Kraft, die notwendig ist, den maximal ausgelenkten Aktor wieder auf seine ursprüngliche Länge zurückzudrücken, wird als Blockierkraft FB bezeichnet (Abb. 5).
Werden beide Kennwerte in ein Diagramm eingetragen und mit einer Linie verbunden ergibt sich das Arbeitsdiagramm des Aktors (Abb. 7). Die Verbindungslinie wird als Arbeitsgerade bezeichnet. Aus dem Diagramm kann das Verhältnis der äußeren Kraft zur Auslenkung abgelesen werden. In den meisten Anwendungsfällen arbeitet der Aktor gegen eine elastische Struktur, etwa bei der Verformung einer Feder oder beim Verbiegen eines Bleches (Abb. 6). Soll der Aktor beispielsweise eine Feder verformen, wird die Kennlinie der Feder mit der Steifigkeit cF in das Arbeitsdiagramm eingetragen. Der Schnittpunkt der Arbeitsgeraden mit der Kennlinie bezeichnet den Arbeitspunkt (Abb. 7). Am effektivsten arbeitet der Aktor, wenn der Arbeitspunkt auf der Mitte der Arbeitsgeraden liegt.
Biegewandler – Kenngrößen
Aktoren der DuraAct™ Familie werden in der Regel auf eine Struktur aufgeklebt und übertragen die Dehnung nicht punktuell, sondern flächig über eine Klebeschicht. In einer solchen Konfiguration arbeitet der Aktor als Biegewandler. Biegewandler werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, bei denen es auf eine schnelle, präzise und reproduzierbare Hubbewegung ankommt. Beispiele dafür sind Textilmaschinen, Drucker oder Ventile. Da DuraAct™ Flächenwandler den piezoelektrischen Quereffekt nutzen, ziehen sie sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes gleichmäßig zusammen. Dadurch krümmt sich der Biegewandler, wie in der Grafik dargestellt (Abb. 8). Die Krümmung des ungehinderten, freien Biegewandlers wird als freie Auslenkung W0 bezeichnet. Die Kraft, die benötigt wird, um die freie Auslenkung auf null zu reduzieren, ist die Blockierkraft des Biegewandlers FBW. Diese Kraft FBW ist deutlich geringer als die Blockierkraft FB des freien Wandlers. Analog zu den zuvor beschriebenen Zusammenhängen kann mit diesen beiden Kennwerten das Arbeitsdiagramm des Biegewandlers erstellt werden. Um die freie Dehnung W0 und die Blockierkraft FBW abzuschätzen, können Diagramme verwendet werden, wie sie die Abbildung 9 und 10 zeigen. Die Diagramme zeigen beispielhaft die erreichbaren Auslenkungen und Kräfte in Abhängigkeit von der Dicke und Steifigkeit des verwendeten Substrats. Zur Erstellung der beiden Diagramme wurden Substrate mit einer Länge von 50 mm aus unterschiedlichen Materialien zugrunde gelegt, welche mit einem DuraAct™ Flächenwandler des Typs P-876.A15 bestückt sind. Zusammen mit dem Arbeitsdiagramm bilden die Biegewandlerdiagramme eine effektive Grundlage, um die Leistung und das Verhalten eines Aktors für einen spezifischen Einsatzfall abzuschätzen. Sie werden daher auf jedem Datenblatt angegeben.
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Kombiniert man den piezoelektrischen Sensor mit einer Regelung, kann man beispielsweise in der Schwingungsdämpfung sehr gute Ergebnisse erzielen. Das Sensorsignal steuert dann eine Dämpfung (extern).
