Anwendungsfelder von Piezoelementen als elektromechanische Wandler

Piezoaktuatoren haben einzigartige Eigenschaften, die außergewöhnliche Lösungen ermöglichen. Im Allgemeinen lassen sich Piezoanwendungen in vier Anwendungsbereiche unterteilen: 

  • Stelltechnik, Positionierung
  • Spannungstransformation
  • Energy Harvesting
  • Sensoren

Stelltechnik/Betätigungselemente

Piezostelltechnik ermöglicht eine Vielzahl unterschiedlichster Funktionslemente: Linearpositionierung, Linear- und Rotationsmotoren, Antriebe für Pumpen, pneumatische und hydraulische Ventile, Einspritzdüsen, Dispenser, Vibrationsquellen (Shaker) zur Schall- und dynamischen Krafterzeugung, auch zur Geräusch- und Vibrationsdämpfung, vielfältige Mechanismen der optischen Technik, der Material- und Bauteilprüfung, Lautsprecher, Inkjet-Drucker, und schließlich elektrische Energieerzeugung (Energy Harvesting).

Spannungswandler

Piezotransformatoren eignen sich perfekt zur Erzeugung hoher Spannungen. Ein piezoelektrischer Transformator ist ein Keramikblock mit zwei Funktionsabschnitten.  Der Transformator wird in mechanischer Resonanz bei hohen Frequenzen betrieben, um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen. Die Energie wird zweimal umgewandelt: Die elektrische Eingangsleistung wird im ersten Abschnitt in mechanische Leistung umgewandelt, welche den gesamten Piezokörper in Schwingungen versetzt. Der zweite Funktionsabschnitt wandelt die mechanische Schwingung wieder in elektrische Leistung um. Die Ausgangsspannung ist abhängig von den Verhältnissen der Schwingungsamplituden und der Abstände der Elektroden in beiden Abschnitten. Piezotransformatoren nutzen sowohl den direkten als auch den inversen Piezoeffekt.

Energy Harvesting

Die Entnahme und Umwandlung mechanischer Energie aus schwingenden Strukturen ist die Kernkompetenz von Piezogeneratoren. Sie werden überall dort eingesetzt, wo Schwingungen vorhanden sind, und verwandeln diese in elektrische Energie. Die Amplitude der mechanischen Verformung, die Frequenz der Schwingung und der Wirkungsgrad des Piezomaterials bestimmen die Ausgangsleistung eines Piezogenerators. Piezo Stacks von PIEZOTECHNICS sind die perfekte Wahl für die Gestaltung solcher Elemente. Piezogeneratoren sind ideal zur Versorgung kleiner elektrischer Lasten geeignet, beispielsweise für die Versorgung kabelloser Sensoren.

Sensoren

Piezo ist die ideale Lösung für dynamische Sensoranwendungen wie die Messung von Beschleunigung und Kraft. Kräfte, die an einem Piezostapel einwirken, verformen diesen und erzeugen ein Spannungssignal an den Anschlüssen. Piezostacks von PIEZOTECHNICS erzeugen extrem hohe nutzbare Spannungen und ermöglichen die direkte Messung ohne zusätzlichen Verstärker. Die technischen Grenzen dieser Elemente sind im niederfrequenten Betrieb zu sehen. Dort sind Sensoren aus Quarzmaterialien die eindeutig bessere Wahl.