VERSTEHEN

Vielfalt an FUNKTIONSEINHEITEN

Aktoren, Sensoren, Generatoren, Transformatoren und Schallwandler

Die Nutzung piezokeramischer Wandler in technischen Anwendungen erfolgt in einer Systemumgebung, zu der die spezifische elektrische Beschaltung sowie die Einbettung in eine mechanische Umgebung gehören. Die konkrete Ausgestaltung ist anwendungsabhängig und komplex (Kapitel „Anwendungen").

Die Entwicklung und Fertigung funktioneller Baugruppen erfolgt stark interdisziplinär. Dieser Aspekt der mehrstufigen Technologieverkettung wird durch Einbeziehung der Leistungsanbieter entlang der gesamten Wertschöpfungskette berücksichtigt (Kapitel „Vernetzen").

Aktoren

Piezoaktoren setzen elektrische Signale (U) in präzise und kontrollierte mechanische Verformungen (S) um. Kleinste Änderungen der elektrischen Spannung generieren kleinste Verformungen, so dass Positionieren im Nanometerbereich möglich ist. Die Positioniergenauigkeit ist primär durch die Temperatur und die Stabilität der elektrischen Ansteuerung bestimmt.

Die Größe der Verformung (Verschiebung) selbst hängt von außen einwirkenden Kräften ab. Im Fall der Blockierung einer Auslenkungsrichtung ist die Verschiebung in dieser Richtung Null, die generierte Kraft (F) errreicht einen charakteristischen Wert, die Blockierkraft.

Piezoaktoren werden z.B. für hochpräzise Stell- und Positionieraufgaben leichter und schwerer Bauteile eingesetzt. Kurze Ansprechzeiten und hohe Beschleunigungen begründen die Anwendung zur Ventilsteuerung z.B. von Injektoren zur Kraftstoffeinspritzung in Verbrennungsmotoren. Weitere attraktive Anwendungen basieren auf Stellmotoren und Pumpen in Miniaturausführung.

Sensoren

Als Sensor wandeln Piezokomponenten externe mechanische Größen, wie Kraft (F) oder Druck (P), in ein elektrisches Signal um, welches einem Auswertesystem zugeführt wird. Im Unterschied zu konventionellen Messwandlern, die auf lastabhängier Zustandsänderung beruhen (z.B. Dehnmessstreifen), wandelt das Piezoelement die Form der Energie (mechanisch - elektrisch). Entsprechend der Bauform unterscheidet man Axialsensoren und Biegesensoren. Grundsätzlich sind piezokramische Sensorelemente für den dynamischen Betrieb geeigenet. Unter statischer Last wird die messbare Ladungstrennung im Werkstoff abgebaut. Deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz kann das Messelement durch eine Zeitkonstante, die sich aus dem Produkt aus Kapazität des Piezowandlers und der Eingangsimpedanz der Messschaltung ergibt, beschrieben werden. Diese sollte um den Faktor 10 größer sein, als die zu messende Frequenz, was durch die Bauelementkonstrukltion und die Schaltungsauslegung in gewissen Grenzen reguliert werden kann.

Piezosensoren werden zur Messung von Kraft, Druck und Beschleunigung eingesetzt. Bekanntes Applikationsbeispiel sind Klopfsensoren im Automobil.

Generatoren

Ein piezoelektrischer Generator wandelt externe mechanische Kräfte in elektrische Energie um. Bei optimiertem Design ist das elektrische Spannungssignal proportional zur mechanischen Spannung. Mit Piezoelementen können bei entsprechender Auslegung Hochspannungen erzeugt werden, was u.a. in Gasfeuerzeugen und Gasanzündern genutzt wird. Eine alternative Anwendung ist die Generierung elektrischer Energie aus Schwingungen der Umgebung (Energy Harvesting). Der piezoelektrische Generator wird verformt und setzt an den Elektroden Ladungen frei, die einer externen elektrischen Schaltung zugeführt werden. Die erzielbaren Leistungen sind vergleichsweise gering und liegen im 100 µW - 1 mW Bereich. Eine realistische Anwendung ist z.B. die dezentrale Energieversorgung verbrauchsarmer Sensoren.

Transformatoren

Piezokeramische Transformatoren wandeln eine Eingangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung. Das Transformationsverhältnis ist durch die Bauteilauslegung bestimmt. Der Energietransport vom Eingang in den Ausgang erfolgt durch piezoelektrisch angeregte mechanische Schwingungen. Piezotransformatoren sind eine Alternative zu elektromagnetischen Transformatoren, die sich durch kompakte Bauweise, hohen Wirkungsgrad, hohe elektrische Isolation zwischen Ein- und Ausgang, sowie nicht vorhandene magnetische Streufelder auszeichnen. Es können Leistungen bis 50 W übertragen werden. Die Einhaltung der Spannungsstabilität unter Last und bei Temperaturänderungen sind Probleme, die durch die Auslegung des Transformators und der elektrischen Beschaltung gelöst werden müssen.

Schallwandler

Piezokeramische Komponenten sind in der Lage, elektrische Wechselsignale in ausbreitungsfähige Wellen zu wandeln. Typischerweise werden Schall- oder Ultraschallwellen generiert. Diese werden genutzt um Abstände in Luft, Wasser oder anderen Medien zu messen, Fließgeschwindigkeitsprofile zu erfassen oder Füllstände zu bestimmen. Ultraschallschwingungen werden auch zur Reinigung von Oberflächen, zur Verdampfung von Flüssigkeiten, zur Bearbeitung komplizierter Werkstoffe, zum Verschweißen von Kunststoffen und für die medizinische Diagnostik verwendet. Da der piezoelektrische Effekt reversibel ist, kann ein Wandler sowohl Ultraschwellwellen anregen als auch eintreffende Schallwellen in elektrische Signal wandeln. Beide Funktionen werden z.T. kombiniert angewendet, aber häufig separat genutzt um die Einzelaufgaben besser optimieren zu können. Herzstück eines Schallwandlersystems ist das piezokeramische Element, das in der Regel in Kombination mit weiteren passiven Elementen (Membranen, Gehäuse, akustische Anpassschichten, Vorspannelemente, Amplitudenwandler) betrieben wird. Je nach Anwendungsfall werden spezifische elektronische Schaltungen eingesetzt.