Eigenschaften von Piezoaktoren

Unbegrenzte Auflösung
Piezoaktoren wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Energie um und ermöglichen Bewegungen im Sub-Nanometerbereich. Es gibt keine reibenden Teile, die die Auflösung begrenzen.

Steifigkeit, Belastbarkeit, Krafterzeugung
In erster Näherung ist ein Piezoaktor ein Feder-Masse-System. Die Steifigkeit des Aktors hängt u.a. vom Elastizitätsmodul der Keramik (ca. 25 % von Stahl), dem Querschnitt und der Länge des aktiven Materials, sowie weiteren nichtlinearen Parametern ab. Gängige Aktoren bieten Steifigkeiten zwischen 1 und 2.000 N/μm und Druck-Belastbarkeiten zwischen 10 und 100.000 N. Für Zugbelastungen sind vorgespannte Gehäuse oder externe Federn notwendig. Scherkräfte, Biege- und Drehmomente müssen über geeignete Maßnahmen abgefangen werden.

Keine Abnutzung, kein Verschleiß
Piezoaktoren besitzen keine beweglichen Teile wie Zahnräder oder Lager. Ihre Bewegung basiert auf kristallinen Festkörpereffekten und ist daher verschleißfrei. Bei Langzeituntersuchungen haben Piezoaktoren von PI mehrere Milliarden Zyklen ohne messbare Veränderung des Verhaltens durchlaufen.

Betrieb bei kryogenen Temperaturen
Der Piezoeffekt existiert auch bei geringsten Temperaturen bis nahe 0 Kelvin.

Vakuum- und Reinraumtauglich
Piezoaktoren benötigen weder Schmiermittel noch verursachen sie Abrieb. Die vollkeramisch isolierten PICMA® Aktoren kommen darüber hinaus ohne Polymerisolation aus und sind deshalb ideal für UHV-Anwendungen geeignet.

Betriebsspannung
Es haben sich zwei Typen von Piezoaktoren durchgesetzt:
Monolithisch gesinterte PICMA® Multilayeraktoren (Niedervoltaktoren) arbeiten bei Spannungen bis ca. 130 V und bestehen aus Keramiklagen von 20 bis 100 μm Dicke.
Klassische Hochvoltaktoren (PICA Hochleistungsaktoren) sind aus 0,5 bis 1 mm dicken Scheiben aufgebaut und werden bei Spannungen bis zu 1.000 V betrieben. PICA Aktoren können mit größeren Querschnitten und daher für größere Belastbarkeit gefertigt werden als die kompakteren monolithischen Multilayer-Piezoaktoren.

Geringer Energiebedarf
Im statischen Betrieb benötigen Piezoaktoren praktisch keine Energie, selbst wenn schwere Lasten dauerhaft gehalten werden. Das Verhalten ist etwa mit dem eines elektrischen Kondensators vergleichbar. Im statischen Zustand wird keine Wärme erzeugt.

Schnelles Ansprechverhalten
Piezoaktoren ermöglichen Ansprechzeiten von wenigen Mikrosekunden. Beschleunigungen von mehr als 10.000 g sind erreichbar.

Große Krafterzeugung
Hochlast-Piezoaktoren für Lasten von mehreren Tonnen sind verfügbar. Sie erreichen Stellwege bis zu 300 μm und Auflösungen im Sub-Nanometerbereich.

Positionsauflösung
Die Piezokeramik selbst arbeitet reibungsfrei und bietet theoretisch eine unbegrenzte Auflösung. In der Praxis wird die tatsächliche Auflösung durch elektrische und mechanische Faktoren begrenzt:
a) Sensor- und Regelelektronik, Verstärker: Rauschen sowie Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störfeldern beeinflussen die Positionsstabilität
b) Mechanische Parameter: Konstruktion und Montagepräzision von Aktor und Vorspannung sowie gegebenenfalls des Sensors können mikroskopische Reibung verursachen und die Auflösung und Genauigkeit begrenzen. Piezoaktoren erreichen eine Auflösung und Stabilität im Sub-Nanometerbereich.

Kein Einfluss von Magnetfeldern
Der Piezoeffekt basiert auf elektrischen Feldern, daher erzeugen Piezoaktoren weder Magnetfelder noch werden sie davon beeinflusst.

Stellweg
Stellwege von Piezoaktoren liegen typischerweise bei einigen 10 bis einigen 100 μm für Linearaktoren. Biegeaktoren erreichen einige Millimeter.