Was ist ein Piezoaktor?
Der Piezoaktor ist eine Form eines elektromechanischen Mikrosteuerungssystems. Es beruht auf dem piezoelektrischen Effekt einiger Kristalle, so dass beim Anlegen eines elektrischen Feldes an den Kristall eine mechanische Spannung in seinem Strukturgitter erzeugt wird, die in eine Bewegung im Mikrometer- oder Nanometerbereich umgewandelt werden kann. Die Arten von Aktuatoren können von schweren Industrieanlagen mit pneumatischer oder hydraulischer Kraft bis hin zu kleinen piezoelektrischen Aktuatoren reichen, die einen sehr begrenzten, aber genau gesteuerten Bewegungsbereich haben. Ein typischer piezoelektrischer Aktuator erzeugt eine Längsbewegung, wenn eine elektrische Kraft auf die Einheit einer Welle oder einer anderen mechanischen Verbindung mit einem Verschiebungsbereich von etwa 4 bis 17 Mikron (0,0002 bis 0,0007 Zoll) ausgeübt wird. Diese Art von Aktuatorsystem wird häufig in einen Dehnungsmessstreifen eingebaut, der auch als Extensometer bezeichnet wird und zur Messung sehr feiner Kontraktions- und Expansionswerte in Materialien und Oberflächen verwendet wird.
Es gibt drei allgemeine Arten von Konstruktionen oder Bewegungsschemata für Piezoaktoren, die den einzigartigen Bereich der Piezoaktorteile bestimmen, aus denen die mechanische Bewegung des Geräts besteht. Hierbei handelt es sich um zylindrische, bimorphe und unimorphe oder mehrschichtige Aktuatoren, die jeweils auch eine Modenbezeichnung haben, die von der Art des piezoelektrischen Koeffizienten für die induzierte mechanische Spannung abhängt. Ein mehrschichtiger Aktuator mit 33 Moden ist so konstruiert, dass er Bewegungen entlang des Pfades des angelegten elektrischen Feldes erzeugt, während ein zylindrischer Aktuator mit 31 Moden Bewegungen senkrecht zur elektrischen Kraft zeigt. Ein 15-Moden-Aktuator nutzt die Scherdehnung im Kristall für die Diagonalkraft, sie sind jedoch nicht so häufig wie andere Arten von piezoelektrischen Aktuatoren, da die Scherdehnung eine komplexere Kristallreaktion ist, die schwer zu steuern ist und für die Systeme hergestellt werden müssen.
Der Verwendungszweck eines Piezoaktors beruht in der Regel darauf, dass dieser in Sekundenbruchteilen mechanisch auf elektrische Kraft ansprechen kann und im Betrieb keine nennenswerten elektromagnetischen Störungen erzeugt. Dies umfasst die gemeinsame Verwendung der Komponenten in abstimmbaren Lasern und verschiedenen Sensoren für adaptive Optiken sowie die Steuerung des Mikroniveaus von Ventilen, bei denen die Durchflussmenge des Kraftstoffs für die erzeugte Schubmenge entscheidend ist, beispielsweise in Kraftstoffeinspritzsystemen und Avioniksteuerungen. Der piezoelektrische Aktor hat auch viele Anwendungen auf dem Gebiet der Medizin, wo er in Mikropumpen für Verfahren wie Dialyse und automatisierte Medikamentendispenser oder Tröpfchendispenser eingebaut wird. Forschungsarenen hängen auch vom piezoelektrischen Aktor ab, beispielsweise dort, wo er ein wesentlicher Bestandteil des Rasterkraftmikroskops (AFM) auf dem Gebiet der Nanotechnologie ist.
Weitere fortschrittliche Forschungsgebiete, in denen der Piezoaktor zum Einsatz kommt, sind die Präzisionsbearbeitung, astronomische Steuerungen für Teleskope, die Biotechnologieforschung sowie die Halbleitertechnik und die Herstellung integrierter Schaltkreise. Einige dieser Felder erfordern einen piezoelektrischen Aktuator, der Bewegungsbereiche von bis zu 2 Mikrometer (0,0001 Zoll) in einem Zeitraum von weniger als 0,001 Sekunden steuern kann. Der Piezoaktor ist auch für solche Anwendungen ein optimales Gerät, da er mehrere einzigartige Eigenschaften aufweist, darunter einen sehr geringen Stromverbrauch, keine Magnetfelder erzeugt und bei kryogenen Temperaturen betrieben werden kann. Das wahrscheinlich nützlichste Merkmal des Geräts ist jedoch, dass es sich um ein Festkörpergerät handelt, für das keine Zahnräder oder Lager erforderlich sind, sodass es milliardenfach wiederholt betrieben werden kann, ohne dass Anzeichen für Leistungseinbußen vorliegen.