Was ist ein Piezomotor?
Ein Piezomotor ist ein Gerät, das Bewegung erzeugt, wenn ein elektrisches Feld in bestimmten Kristallen oder künstlichen Materialien Bewegung erzeugt. Die Piezoelektrizität wurde erstmals in den 1880er Jahren nachgewiesen, als festgestellt wurde, dass Quarzkristalle bei Belastung durch Schlagen oder Komprimieren elektrische Ströme erzeugen. Dieser Effekt ist das Gegenteil von dem, was einen piezoelektrischen Motor antreibt, bei dem die Elektrizität verwendet wird, um eine Bewegung von einem Material zu erzeugen, das empfindlich für das elektrische Feld ist.
Der Bedarf an diesen Motoren wuchs Ende des 20. Jahrhunderts mit zunehmendem Bedarf an Miniaturisierung. Standard-Elektromotoren haben eine praktische Mindestgröße, unterhalb derer sie nicht zuverlässig arbeiten können. Ein piezoelektrischer Motor kann im Miniaturmaßstab hergestellt werden, liefert eine präzise Bewegung in sehr kleinen Schritten und verbraucht während des Betriebs oder im Ruhezustand sehr wenig Energie.
Ein Piezomotor enthält nur sehr wenige Teile. Ein Hochfrequenzoszillator liefert eine Frequenz, die das piezoelektrische Material anregt. Dieses Material ändert aufgrund seiner Kristalleigenschaften seine Form. Die resultierende Bewegung bewirkt, dass das Material mit einem Schlitten oder einer Rolle in Kontakt kommt.
Der Schlitten oder die Rolle ist mit einem weichen Gummi oder Polymer beschichtet, der als Reibschicht bezeichnet wird und dem piezoelektrischen Material ermöglicht, ihn zu greifen und zu bewegen. Jedes Mal, wenn der Oszillator einen Frequenzimpuls erzeugt, wird das Material angeregt und bewegt sich. Dies bewirkt eine Bewegung des Schlittens oder der Rolle.
Ein Piezomotor nutzt diesen Effekt aus, indem er die Schwingfrequenz schnell ein- und ausschaltet. Jeder Impuls erzeugt eine kleine, aber wohldefinierte Bewegung des Piezomaterials, und die schnellen Frequenzzyklen erzeugen eine fortlaufende Bewegung. Schieber können Rotoren für eine Hin- und Herbewegung ersetzen, die als Schalter fungieren kann.
Der größte Vorteil dieser Motoren war die Miniaturisierung. Es gibt auch andere Vorteile, einschließlich eines geringen Stromverbrauchs und eines geringen Wartungsbedarfs. Ein piezoelektrischer Motor ist auch relativ unempfindlich gegen magnetische und elektrische Störungen, da die Kristallstruktur bestimmte Frequenzen benötigt, um Bewegung zu erzeugen.
Natürliche Kristalle, einschließlich Quarz und Turmalin, können piezoelektrische Eigenschaften liefern. Üblicherweise werden Keramiken auf der Basis von Titan und anderen Mineralien verwendet. Einige auf Fluorpolymer-Technologie basierende Polymere können auch piezoelektrische Eigenschaften aufweisen.
Ein Standard-Elektromotor kann eine hohe Drehzahl mit einem geringen Drehmoment bereitstellen, die Drehkraft, die eine Drehung verursacht. Piezomotoren hingegen arbeiten mit niedrigeren Drehzahlen, haben jedoch ein hohes Drehmoment für ihre Größe. Außerdem können sie sehr präzise Bewegungen liefern, die mit Elektromotoren nicht möglich sind. Die Fähigkeit zur Miniaturisierung im Nanomaßstab oder in mikroskopischer Größe ermöglicht den Einsatz in einer Vielzahl von medizinischen, industriellen und Verbraucheranwendungen.