​Konstruktionsprinzipien linearer Piezoaktuatoren

Übersicht

Es gibt zwei grundlegende Bauformen piezoelektrischer Aktuatoren:


I) Die Direktbetätigung mit Stacks. Die modernste Bauart von Piezostacks sind die CMA-Piezos (Ceramics Multilayer Actuator). Diese bestehen aus einer Vielzahl gestapelter dünner Schichten, die weniger als 100 µm dick sind. Die maximale Betriebsspannung beträgt 200 V oder weniger. Diese Bauart wird deshalb als Niedervoltaktuatorik bezeichnet. Eine zweite, ältere Bauart besteht aus verlebten Plättchen mit einer Stärke von typisch 0,5 mm. Die Betriebsspannung dieser Hochvoltaktuatoren beträgt typischerweise 1000 V. Deshalb werden sie Hochvoltaktuatoren genannt. 


II) Hubübersetzte Piezoaktuatoren mit einem speziellen Getriebe oder strukturellen Effekten zur Verstärkung des Hubs. Ein Beispiel für einen Aktuator, der einen strukturellen Verformungseffekt nutzt, ist der Biegewandler (Smart-Structures).

Biegewandler

Der Hub von Biegeaktuatoren ist hoch und kann leicht 1 mm und mehr erreichen. Akustische Anwendungen von Biegewandlern sind weit verbreitet. Telefonkapseln für Lautsprecher, Ultraschallreiniger, Ventilantriebe und Pumpenantriebe sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Biegewandler nutzen die stressinduzierte Verformung und erzeugen einen Nutzhub in Analogie zu Bimetallstreifen. Ein Biegewandler besteht aus mehreren Schichten, zum Beispiel einer Piezoschicht (P) und einem passiven Träger wie einem Metallblech (M). Die aktiven und passiven Schichten sind schubsteif miteinander verklebt. Die bekanntesten Varianten sind P-M, P-P und P + -M-P. Das +/- gibt die entgegengesetzten Phasen der Verschiebung (Expansion, Kontraktion) an. Als aktive Piezoschicht kann auch ein dünner Vielschichtaktuator (Low-Profile-Mehrschichtstapel-Aktuator) genutzt werden.   

Intelligente Materialien und Multifunktionale Strukturen

Seit den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts hat sich eine internationale Szene etabliert, die intelligenten Strukturen erforscht. Die Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung smarter oder multifunktionaler Strukturen. Diese Strukturen sind mehr als nur lasttragend. Sie integrieren zusätzlich Funktionen wie Aktuation, Sensierung oder Energy Harvesting. Piezoelektrika und Formgedächtnislegierungen sind nur zwei Beispiele für mechanisch aktive Materialien, die in faserverstärkte Kunststoffe integriert werden können. Bei Aktivierung dieser Materialkomponenten können gezielt spannungsinduzierte strukturelle Verformungen ausgelöst werden. Smarte Strukturen wurden bereits erfolgreich für die aktive Schwingungsdämpfung und aerodynamische Steuerung demonstriert. Die spaltfreie, glatte Form macht diese Anwendung zu einem höchst attraktiven aerodynamischen Steuerungseleme

Ausdehnung von Stapelaktuatoren, Piezostacks

Stapelaktuatoren haben eine maximale Dehnung von 0,1 % = 1000 Microstrain. Standardaktuatoren sind verfügbar, die einen Hub von 10 bis 100 Mikrometer haben. Diese Aktuatoren sind ideal für die Präzisionspositionierung und andere Anwendungen wie Ventilsteuerung und Schall- und Vibrationsmanagement. Sollten größere Hübe erforderlich sein, kann ein Übersetzungsmechanismus verwendet werden.

Prinzipbild der Hubübersetzung eines Piezoaktuators mit einem Hebelgetriebe

Die Qualität und Effektivität eines Übersetzungsgetriebes für Piezo ist durch die Erhaltung des Arbeitsvermögens des Piezostacks, der als Antrieb dient, charakterisiert. Das Arbeitsvermögen ist die elastische Energie gleich dem Produkt aus ½ freien Hub und der Blockierkraft. Verformungen der Lastübertragungselemente führen zwangsläufig zu einer Minderung des Arbeitsvermögens. Solche Getriebe sind Sonderanfertigungen und werden typischerweise mit Biegegelenken ausgestattet, um Spiel und Verschleiß auszuschließen.


Die nächste Abbildung zeigt das Prinzip anhand eines optimierten Piezoantriebes für die Luftfahrt. Der Übersetzungsmechanismus transformiert die Ausdehnung des Piezostacks in eine Zugbewegung. Der Aktuator wurde für die schnelle Steuerung einer aerodynamischen Klappe in einem Hubschrauberrotorblatt entwickelt und erprobt.

Hochleistungsantrieb in einem Hubschrauberrotorblatt. Quelle: ICAS 2008, PIEZO ACTIVE VIBRATION AND NOISE CONTROL IN HELICOPTERS