Betriebsspannung
Es haben sich zwei Typen von Piezoaktoren durchgesetzt: Monolithisch gesintert aufgebaute Niedervoltaktoren (LVPZT) arbeiten bei Spannungen bis ca. 100 V und bestehen aus Keramiklagen von 20 bis 100 µm Dicke. Klassische Hochvoltaktoren (HVPZT) dagegen sind aus 0,5 bis 1 mm dicken Schichten aufgebaut und werden bei Spannungen bis zu 1.000 V betrieben. Hochvoltaktoren können mit größeren Querschnitten und daher für größere Belastbarkeit gefertigt werden als die kompakteren monolithischen Piezoaktoren.
Steifigkeit, Belastbarkeit, Krafterzeugung
In erster Näherung ist ein Piezoaktor ein Feder-Masse-System. Die Steifigkeit des Aktors hängt u.a. vom Elastizitätsmodul der Keramik (ca. 25% von Stahl), dem Querschnitt und der Länge des aktiven Materials und einer weiteren Anzahl nichtlinearer Parameter ab (Link). Gängige Aktoren bieten Steifigkeiten zwischen 1 und 2.000 N/µm und Druck-Belastbarkeiten zwischen 10 und 100.000 N. Für Zugbelastungen sind vorgespannte Gehäuse oder externe Federn notwendig. Scherkräfte, Biege- und Drehmomente müssen über geeignete Maßnahmen abgefangen werden.
Stellweg
Stellwege von Piezoaktoren liegen typischerweise bei einigen 10 bis einigen 100 µm für Linearaktoren. Bieger und hebelübersetzte Systeme erreichen einige Millimeter. Ultraschall-Piezomotoren und Piezo-Walk-Antriebe werden für längere Stellwege eingesetzt.
Positionsauflösung
Piezokeramik arbeitet reibungsfrei und bietet theoretisch eine unbegrenzte Auflösung. In der Praxis wird die tatsächliche Auflösung durch elektrische und mechanische Faktoren begrenzt:
a) Sensor- und Regelelektronik, Verstärker: Rauschen sowie Empfindlichkeit
gegenüber elektromagnetischen Störfeldern beeinflussen die Positionsstabilität.
b) Mechanische Parameter: Konstruktion und Montagepräzision von Sensor, Aktor
und Vorspannung können mikroskopische Reibung verursachen und die Auf-
lösung und Genauigkeit begrenzen.
Piezoaktoren und Piezo-Positioniersysteme von PI erreichen eine Auflösung und Stabilität im Sub-Nanometerbereich. Weitere Informationen siehe Link.
Betrieb im offenen und geschlossenen Regelkreis
Im Gegensatz zu vielen anderen Antrieben können Piezoaktoren auch ohne Regelung betrieben werden. Die Auslenkung ist dann in etwa proportional zur Steuerspannung. Hysterese, Nichtlinearität und Kriecheffekte begrenzen hier die Absolutgenauigkeit. Bei Positionieranwendungen, die hohe Linearität, Langzeit-Stabilität, Wiederholbarkeit und Absolutgenauigkeit erfordern, werden positionsgeregelte Piezoaktoren und Mechaniken eingesetzt (Link). Mit entsprechenden Controllern sind damit Reproduzierbarkeiten im Sub-Nanometerbereich möglich.
Hochauflösende Sensoren für den geregelten Betrieb
LVDT (Linear Variable Differential Transformer), Dehnungsmessstreifen und kapazitive Sensoren werden am häufigsten zum positionsgeregelten Betrieb eingesetzt. Die höchste Genauigkeit wird von kapazitiven Sensoren erreicht. Weitere Informationen siehe Link.
Dynamisches Verhalten
Ein Piezoaktor kann seine nominale Auslenkung in ungefähr 1 / 3 der Periode der Resonanzfrequenz erreichen. Anstiegszeiten im Mikrosekundenbereich und Beschleunigungen von mehr als 10.000 g sind möglich. Dadurch werden schnelle Schaltanwendungen wie z.B. Einspritzventile, Hydraulikventile, Schaltrelais, optische Schalter und adaptive Optik möglich. Weitere Informationen siehe Link.
Leistungsaufnahme
Piezoaktoren verhalten sich elektrisch ähnlich wie kapazitive Lasten. Im statischen Betrieb benötigen sie praktisch keine Energie, selbst beim Halten hoher Lasten. In dynamischen Anwendungen nimmt der Energieverbrauch linear mit Frequenz und Aktorkapazität zu. Ein kompakter Piezotranslator mit ca. 100 N Belastbarkeit benötigt bei 1.000 Hz und 10 µm Hub weniger als 10 Watt Leistung, während ein Hochlastaktor (> 10 kN Belastbarkeit) bei gleichen Bedingungen einige 100 Watt verbraucht. Weitere Informationen siehe Link.
Schutz vor Beschädigung
Piezokeramik ist spröde und verträgt keine hohen Zug- oder Scherkräfte. Daher muss bei der mechanischen Konstruktion des Aktors oder bei dessen Einbau darauf geachtet werden, dass unerwünschte Kräfte von der Keramik ferngehalten werden. Dies kann durch Federvorspannungen, Ankopplung über Kugelkopfstücke, flexible Kopplungen usw. geschehen (weitere Hinweise siehe Link). Außerdem muss die Keramik vor Feuchtigkeit und dem Eindringen von Fremdkörpern geschützt werden. Ein enger Kontakt zwischen dem Piezomechanikhersteller und dem Anwender ermöglicht die optimale Anpassung des Piezosystems an die Anwendungsumgebung.
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Ultraschall-Piezomotoren.
Beispiel eines kompakten Piezo-Nanopositionier- und Scan-systems mit integrierten Flexureführungen, Sensoren und Hebelübersetzung.
Piezoaktor mit flüssigkeitsgeschütztem Gehäuse und Kühlluft- / Sperrluftanschluss. |
Eigenschaften und Betrieb piezoelektrischer Aktoren
