Hohe Zuverlässigkeit und niedrige Ansteuerspannung:

Multilayer-Piezobiegeaktoren für viele Anwendungen

PICMA Multilayer-Biegeaktoren

Piezokeramische Multilayer-Biegeaktoren sind in der MiniaturAktorik richtige Tausendsassas. Mit Stellkräften von einigen Newton bei hohen Auslenkungen bis zu einigen 100 µm und niedrigen Ansteuerspannungen lassen sie sich bei Mikro-Elektromechanischen Systemen (MEMS) sehr vielseitig einsetzen. Neuartige Technologien erlauben heute zudem die Fertigung in nahezu beliebigen Konturen und Abmessungen in großen Stückzahlen. Die Spanne typischer Einsatzbeispiele reicht deshalb von verschiedensten Pump-, Dosier- oder Scananwendungen bis hin zu modernen Hörgeräten.

Bei piezokeramischen Biegeaktoren hängen Lebensdauer und Zuverlässigkeit stark von den Umgebungsbedingungen am Einsatzort ab. Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Betriebsspannung können sie erheblich beeinträchtigen. Abhilfe schaffen optimierte Materialien und Herstellungsverfahren, ein entsprechender Aufbau und die Wahl der geeigneten Isolierung. PI Ceramic (vgl. Kastentext) setzt deshalb bei den PICMA Bender Biegeaktoren mit Erfolg auf eine spezielle Fertigungstechnologie, die eine rundum vollkeramische Isolierung bewirkt. Dadurch sind die keramischen piezoaktiven Schichten im Biegewandler bei anliegendem elektrischem Feld vor Elektrolysereaktionen mit Feuchtigkeit geschützt. Gleichzeitig werden mechanische Beschädigungen der empfindlichen Elektroden verhindert. Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind dadurch gegenüber herkömmlich polymerisolierten Aktoren signifikant erhöht. Der vollkeramische Aufbau des Aktors ist zudem nahezu perfekt temperaturkompensiert. Bei Temperaturschwankungen in der Anwendung gibt es keine ungewollten Auslenkungen und mechanischen Spannungen im Aktor.

Variable Konturen und kundenspezifische Ausführungen

Aufgrund des Herstellungsverfahrens sind die Biegeaktoren in nahezu beliebigen Konturen und Abmessungen fertigbar, was die Integration in die Applikation erleichtert. So lassen sich auch eher ungewöhnliche Formen mit sehr geringen Fertigungstoleranzen realisieren, wie abgeschrägte Kanten und Innenbohrungen. Biegeaktoren mit kleinsten Abmessungen von wenigen Millimetern, z.B. mit nur 4 mm x 10 mm Kantenlänge, können ebenso hergestellt werden wie runde Aktoren und natürlich sind auch größere Abmessungen möglich. Die Geometrie wird dabei lediglich von den Anforderungen an Krafterzeugung und Dynamik bestimmt. Der runde Biegeaktor PD410 beispielsweise erreicht bei einem Durchmesser von 44 mm und 0,7 mm Höhe einen Hub von bis zu 240 µm in beide Auslenkungsrichtungen.

Neben unterschiedlichen Abmessungen gibt es aber noch weitere kundenspezifische Anpassungsmöglichkeiten. So ist die Höhe der aktiven Schichten variabel ab einer Mindesthöhe von 15 µm, sodass mit Ansteuerspannungen von nur 10 V gearbeitet werden kann. Eine einseitige Auslenkung ist durch Aufbringen auf ein passives Substrat möglich, womit eine höhere Steifigkeit und eine relativ größere Auslenkung in eine Richtung als bei bidirektionalen Biegeelementen erreicht werden kann. Hohe Linearität und Wiederholgenauigkeit im positionsgeregelten Betrieb lassen sich durch das zusätzliche Aufbringen von Positionssensoren erzielen. Dazu werden Dehnmessstreifen-Sensoren (DMS), bestehend aus einer dünnen Metallfolie, auf der Piezokeramik angebracht. Bei Bedarf können Multilayer-Kontraktorplatten auch auf kundeneigenem Substrat (Metall, Silizium) appliziert werden. Die Kontraktorplatten sind ebenfalls in verschiedenen Geometrien erhältlich, z.B. quadratisch oder als runde Scheibe.

Breites Anwendungsspektrum

Piezobiegeaktoren für viele Anwendungen. Piezobiegeaktoren für viele Anwendungen.

Hohe Zuverlässigkeit und niedrige Ansteuerspannung: Multilayer-Piezobiegeaktoren für viele Anwendungen. (Bilder: PI)

Die je nach Auslegung und Belastung der Biegeaktoren mit bis etwa 1000 Hz ausgesprochen hohe Resonanzfrequenz bietet zudem beste Voraussetzungen für hochdynamische Anwendungen. Ihre Zuverlässigkeit und die flexiblen Ansteuerspannungen machen sie zur idealen Antriebslösung bei präzisen Dosier- und Pumpvorgängen, z.B. in Druckern oder in der Medizintechnik. Weitere Einsatzbereiche finden sich in der optischen Strahlablenkung, z.B. bei Scananwendungen und – dank der kleinen Abmessungen – auch in mobilen oder sogar implantierbaren Geräten. Bei speziellen Hörhilfen beispielsweise wirkt das Piezoelement als akustomechanischer Wandler, der Schall wird dabei über Knochenleitung übertragen.

Den Einsatzmöglichkeiten sind damit kaum Grenzen gesetzt, zumal neben einer angemessenen Preisgestaltung bei kundenspezifischen Ausführungen auch die Betreuung vom Prototypen bis hin zur späteren Serienfertigung ebenso gewährleistet ist wie die Integration der Piezokeramiken in das Kundenprodukt. Dazu gehören sowohl die elektrische Kontaktierung der Elemente nach Kundenvorgaben als auch die Montage in beigestellte Bauelemente, das Verkleben oder der Verguss. Die Biegeaktoren können z.B. mit speziell angepassten Halterungen versehen werden, die den Einbau beim Kunden erleichtern.

Über PI Ceramic
PI Ceramic, ein Tochterunternehmen von PI (Physik Instrumente in Karlsruhe) mit Sitz im thüringischen Lederhose, ist eines der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. Derzeit beschäftigt PI Ceramic über 220 Mitarbeiter, darunter allein 40 Ingenieure, in der Piezoforschung, -entwicklung und -herstellung. Breitgefächertes Know-how im komplexen Entwicklungs- und Herstellungsprozess funktionskeramischer Bauelemente verbunden mit modernster Ausstattung gewährleisten hohe Qualität, Flexibilität und Liefertreue. Das Unternehmen liefert piezokeramische Lösungen für alle wichtigen High-Tech-Märkte, angefangen von der Industrieautomation und Halbleiterindustrie über Medizintechnik, Maschinenbau und Feinwerktechnik bis hin zu Luft- und Raumfahrt sowie dem Automobilbereich.
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Dipl.-Phys. Birgit Schulze

Markt & Produkte bei Physik Instrumente (PI)

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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