Prinzip, Auswahl und Design von piezoelektrische Aktoren

Die Gebrüder Curie demonstrierten Ende des 19. Jahrhunderts den direkten piezoelektrischen Effekt und zeigten auf, wie eine auf natürlich vorkommende Kristalle wie Quarz ausgeübte Kraft eine elektrische Ladung erzeugt (Bild 1a). Es gibt auch den umgekehrten Effekt: Das Anlegen eines elektrischen Feldes an ein Material mit piezoelektrischen Eigenschaften verursacht eine physikalische Verformung (Bild 1b), die zu einer Auslenkung von wenigen Mikrometern führt.

Seit der Forschung der Curies entstanden verschiedene synthetische piezoelektrische Materialien oder ferroelektrische Keramiken. Diese bieten eine viel höhere piezoelektrische Konstante als natürliche Materialien. Nach dem Sintern sind die Dipole innerhalb der Kristallstruktur zufällig ausgerichtet. Durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes werden die Dipole polarisiert. Nach Entfernen dieses Feldes bleibt eine Restpolarisation bestehen, die der Keramik ihre piezoelektrischen Eigenschaften verleiht.

Unter diesen synthetischen Materialien weist Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(ZrTi)O₃; PZT) eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Betriebstemperatur auf, was den Einsatz in praktischen Anwendungen ermöglicht. Seine direkten piezoelektrischen Eigenschaften werden in Bauelementen wie Druck-, Vibrations-, Beschleunigungs- und Stoßsensoren, Ultraschallempfängern und Diagnosegeräten, Sonargeräten, Fischfindern, Geräten für zerstörungsfreie Prüfung und Mikrofonen genutzt.

Andererseits lassen sich mit dem inversen piezoelektrischen Effekt die Kristallabmessungen dimensionieren, um Aktoren für präzise Positioniertische, Ventile, Kameraobjektivmotoren für Zoom und Autofokus, Ultraschallquellen und Lautsprecher zu entwickeln.

Es gibt verschiedene Arten von Aktoren, die durch Anlegen einer Spannung in Längs- oder Querrichtung unterschiedliche Bewegungen erzeugen. Bild 2 vergleicht Längs-, Quer- und gestapelte (stacked) Längselemente, die die Richtung der Auslenkung zeigen, sowie ein bimorphes Querelement, das eine Biegeauslenkung erzeugt.

Der Aktor mit Längseffekt (Longitudial) erfordert eine hohe Spannung, um eine Auslenkung zu erzielen, da der Elektrodenabstand groß ist. Beim Aktor mit Quereffekt (Transversal) lässt sich die Spannung verringern, da der Elektrodenabstand kürzer sein kann – allerdings ist die Auslenkung dann geringer, da sie in der Richtung senkrecht zur Polarisationsrichtung erfolgt. Der gestapelte (stacked) Aktor hat einen kurzen Elektrodenabstand und nutzt die Auslenkung in Polarisationsrichtung, so dass diese mit einer niedrigen Spannung erzielt werden kann – mit der Herausforderung, jede piezoelektrische Keramik stapeln zu müssen. Darüber hinaus erzielt der bimorphe Aktor eine große Auslenkung bei niedriger Spannung – da er diese aber in Biegerichtung nutzt, kann keine große Kraft erzeugt werden, und es gibt ein Problem mit der Haltbarkeit bei wiederholten Betätigungen.

Um diese Herausforderungen zu überwinden, sollten Entwickler auf integral gebrannte, laminierte piezoelektrische Aktoren zurückgreifen. Integral gebrannte, mehrschichtige piezoelektrische Aktoren machen den Raum zwischen den Elektroden noch schmaler und erzielen somit eine große Auslenkung bei einer für den praktischen Gebrauch ausreichend niedrigen Spannung.

Im Vergleich zu elektromagnetischen Aktoren, wie kleinen Elektromotoren oder Magnetspulen, mit denen sich präzise gesteuerte Bewegungen erzeugen lassen, bieten piezoelektrische Aktoren eine Reihe von Vorteilen. So verfügen sie etwa über eine sehr schnelle Reaktionszeit. Darüber hinaus erzeugen sie kein elektromagnetisches Rauschen, was zu einem einfacheren Systemdesign führt. Außerdem lassen sich dadurch Abschirm- und Filterkomponenten aus der Stückliste entfernen und zusätzlich wird die EMV-Konformität verbessert. Da nur minimale Wärme entsteht, gestaltet sich auch das Wärmemanagement einfacher. Kompakte Abmessungen und geringes Gewicht sind weitere Vorteile, zudem ermöglichen piezoelektrische Aktoren eine präzise Steuerung mit hoher Auflösung. Die Tabelle 1 vergleicht die wichtigsten Aspekte, die bei der Entwicklung mit elektromagnetischen und piezoelektrischen Aktoren zu beachten sind.

Eine Lösung, um die Integrität des Aktors bei wiederholter Betätigung zu erhalten, ist der Einsatz eines piezoelektrischen Aktors mit einem Vollelektroden-Aufbau von Kemet. Diese Struktur verhindert Spannungen im nicht aktiven, isolierten Bereich zwischen den positiven und negativen Innenelektroden. Der nicht aktive Bereich dehnt und zieht sich nicht in der gleichen Weise aus bzw. zusammen wie die aktiven Bereiche, was dazu führt, dass das Aktorelement durch wiederholtes Betätigen brechen kann. Durch die Ausdehnung der Elektrode über die gesamte Breite jeder Platte und den neuen Glasisolator zwischen den Elektroden (Bild 3) beseitigt der Elektrodenaufbau von Kemet diesen nicht aktiven Bereich und erhöht somit die Widerstandsfähigkeit gegen wiederholte Betätigung.

Für anspruchsvollere Umgebungen bieten sich mehrschichtige piezoelektrische Aktoren an, die vollständig hermetisch in einem Metallgehäuse versiegelt sind (Bild 4). Die Abschirmung von der Umgebung verhindert, dass der Aktor durch Feuchtigkeit beeinträchtigt wird, während ein eigens entwickeltes Piezomaterial mit hoher Auslenkung und einer vorgespannten Balgstruktur zum Einsatz kommt, dass eine beispiellose Lebensdauer und Leistungsfähigkeit garantiert.

Für den Einsatz in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und dort, wo eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist, können Aktoren mit Metallgehäuse von Vorteil sein. Die Versionen ASB, ASL und AHB von Kemet verfügen über einen integrierten Metallflansch, der die Montage vereinfacht.

Die Dimensionsänderung des Piezoelements kann für eine lineare Auslenkung zur Betätigung von Pumpen, Ventilen und präzisen Positionierungseinrichtungen dienen. Bild 5 beschreibt, wie piezoelektrische Aktoren, die auf drei Achsen installiert sind, die Mechanismen für die x-y-Tischposition und den Linsenfokus in einem Präzisionsprüfgerät steuern.

Bild 6 zeigt, wie ein piezoelektrischer Aktor das Auftragen von Klebstoff steuert und eine präzise Dosierung gewährleistet, die für die Hochgeschwindigkeitsmontage von Produkten wie Smartphones ausgelegt ist.

Piezoelektrische Aktoren wie die Serie AE und die kreisförmige Serie AER von Kemet sind für allgemeine Anwendungen harzbeschichtet. Kreisförmige Aktoren können in Positionierungsanwendungen eingesetzt werden und bieten Vorteile wie geringe Kapazität und hohe Wärmeableitung. Sie kommen auch zur Feinabstimmung der Laserwellenlänge und -phase in hochpräzisen Fabry-Perot-Resonatoren in der Interferometrie (Bild 7) zum Einsatz. Durch die Steuerung der Auslenkung und Kontraktion des piezoelektrischen Aktors lässt sich die Wellenlänge des Lasers variieren.

Bild 8 beschreibt, wie sich die Längenänderung des Aktors in einem Massendurchflussregler nutzen lässt. In Anlagen, die Filme/Beschichtungen aufbringen oder ein Ätzen durchführen, wie es in der Halbleiterfertigung üblich ist, sorgen diese Aktoren in solchen Durchflussreglern für eine hochpräzise Steuerung des Gasflusses.

Mit minimalen beweglichen Teilen und Leistungsmerkmalen wie dem mehrschichtigen Vollelektroden-Aufbau sind piezoelektrische Aktoren zuverlässiger als alternative elektromechanische Aktoren. Um piezoelektrische Aktoren noch zuverlässiger und leistungsfähiger zu machen, können Entwickler einige Designrichtlinien berücksichtigen: Beim Aufbau der Befestigung sollten sie darauf achten, dass der Aktor nicht gebogen, verdreht oder Zugkräften ausgesetzt wird. Als Faustregel gilt, dass die Torsionskraft weniger als 0,3 Nm für einen Aktor betragen sollte, der eine Kraft (Druckwiderstand) von 800 N erzeugt. Die Zugkraft sollte auf 50 N oder weniger begrenzt werden. Der Aktor sollte so installiert sein, dass die Mittelachse der erzeugten Auslenkung zur Mittelachse der Last ausgerichtet ist.

Bezüglich der Ansteuerung des Aktors ist der Betrag der Auslenkung ungefähr proportional zur angelegten Spannung. Ein Controller ist notwendig, um das erforderliche Spannungsmuster zu erzeugen und treibt den Aktor über einen Verstärker an, der die erforderlichen Steuerspannungen erzeugt. Bei hochpräzisen Positionierungsanwendungen kann eine Rückkopplung mit geschlossenem Regelkreis die Kontrolle über die Auslenkung verbessern. Sperr- bzw. umgekehrte Spannungen dürfen nicht angelegt werden.

Beim Design der Ansteuerschaltung sollten Entwickler Hysterese, Ringing, Kriechen und andere ähnliche Phänomene berücksichtigen. Um starkes Schwingen zu vermeiden, das zum Bruch des Aktors führen kann, sollten Entwickler den Anstieg oder Abfall der angelegten Spannung auf unter 1/3 der Resonanzfrequenz des Aktors begrenzen.

Die Betätigung des piezoelektrischen Aktors ähnelt dem Einbringen elektrischer Ladungen in einen relativ großen Kondensator. Ein großer elektrischer Strom ist erforderlich, um die schnelle Reaktion des Aktors zu realisieren. Für die Impulsansteuerung sollte das Treiberdesign die Eigenerwärmung, den Lade-/Entladestrom und die Impedanz der Stromversorgung berücksichtigen. (prm)