Piezo-Aktoren
Zusammenfassung
Physik und Praxis der Piezo-Aktorik: der inverse Piezoeffekt wandelt Spannung in Verschiebung im Promillebereich mit Nanometer-Auflösung. Der PI-Katalog liefert Formeln, Werkstoffdaten und Ansteuerkonzepte (Spannungs-/Ladungssteuerung), KEMET die Kennwerte resin-beschichteter Multilayer-Aktoren (AE-Serie) und ein PCBmotor-Whitepaper den Aufbau eines PCB-integrierten Ultraschallmotors.
Inhalt
Physik & Materialien (PI-Katalog)
- Inverser Piezoeffekt: elektrisches Feld → Längenänderung; direkter Effekt = Sensorik. PZT-Keramik (Bleizirkonat-Titanat) muss ferroelektrisch gepolt sein (Feld einige kV/mm unterhalb der Curie-Temperatur).
- Aktorwerkstoffe sind ferroelektrisch weiche PZT: PIC151 (d33 = 500 pm/V, TC = 250 °C), PIC153 (600 pm/V, große Auslenkungen), PIC255/252 (400 pm/V, bipolar/hochtemperaturfest, TC = 350 °C). Scherkoeffizienten d15 erreichen großsignal bis 2000 pm/V.
- Longitudinale Stapelaktoren: ΔL = n·d33·V (n Keramikschichten mechanisch in Reihe, elektrisch parallel); Nominalauslenkung 0,1–0,15 % der Aktorlänge; Blockierkraft ~30 N/mm² Querschnitt (bis > 10.000 N).
- Elektrisch verhält sich der Aktor wie ein Kondensator: C = n·ε33ᵀ·A/hL; Kapazität wächst mit Spannung/Temperatur um bis zu 200 % (Kleinsignalwert + 70 % Sicherheitsfaktor). Leckströme im µA-Bereich → Halten der Position nahezu verlustfrei.
- Nichtidealitäten: Hysterese 10–15 % bei spannungsgesteuertem Betrieb; Kriechen ≈ 1–2 % pro logarithmischer Zeitdekade. Beides verschwindet im Positionsregelkreis (Sub-nm-Genauigkeit möglich).
- Dynamik: Ansprechzeit Tmin ≈ 1/(3·f0); Beispiel f0 = 10 kHz (einseitig eingespannt) → Auslenkung in 30 µs. Dynamische Kraft Fdyn ≈ ±4π²·meff·ΔL·f² (1000 Hz, 2 µm pp, 1 kg → ±40 N). Resonanzfrequenz sinkt mit Last (f0’ = f0·√(meff/meff’)) und halbiert sich bei einseitiger Einspannung.
PI PICMA® Stack (P-882…P-888)
- Monolithische Multilayer-Stacks, vollkeramisch isoliert (Co-Firing), Betriebsspannung −20…+120 V, UHV-kompatibel bis 10⁻⁹ hPa, Temperatur −40…+150 °C, Sub-nm-Auflösung.
- Beispiel P-885.51 (5×5×18 mm): 15 µm nominal / 18 µm maximal, 900 N Blockierkraft, Steifigkeit 50 N/µm, 1,5 µF, Resonanz 70 kHz. Empfohlene Vorspannung 30 MPa.
KEMET/TOKIN AE-Serie (resin coated)
- Multilayer-Piezoaktoren, Harz-beschichtet; max. 150 VDC; Auslenkung 4–42 µm je nach Länge (5–40 mm), Kräfte 200 N (2×3 mm) bis 20.000 N (25×25 mm); Kraft ~3.500 N/cm² Querschnitt.
- Betrieb −25…+85 °C, tan δ ≤ 5 %, Kapazität 0,09–30,5 µF, E-Modul 4,4·10¹⁰ N/m²; Antrieb bis ~⅓ der Eigenresonanz (mehrere zehn kHz).
- Lebensdauerabschätzung (DC-Betrieb): MTTFr = MTTFs · (150/V)^3,2 · (90/rF)^4,9 · 1,5^((40−T)/10); Beispiel 100 V, 25 °C, 60 % rF → ca. 24.500 h.
- Montage: druckvorgespannt betreiben (20–50 % der Blockierkraft, harzbeschichtete Typen zugempfindlich), Epoxykleber, rote Litze an Plus, keine Umkehrspannung; nach Überhitzung > 100 °C oder langer Lagerung neu polarisieren.
PCBmotor – Piezo-Ultraschallmotor auf Leiterplatte (2016)
- Prinzip Traveling Wave: FR4-Statorring mit SMD-Piezoelementen (Beispiel Ø30 mm, 48 Elemente je Seite, 6-Wellen-Schwingungsmodus); gefederter Rotor wandelt die elliptische Oberflächenbewegung in Rotation.
- Resonanz ~45 kHz; Treiber erzeugt zwei um 90° versetzte Sinusphasen, über Trafos auf 100–200 Vrms hochtransformiert (Versorgung 5 V); freier Stator wirkt wie ~330 pF, Treiberwirkungsgrad ~85 %, Gesamt-Wirkungsgrad nur 5–10 %.
- Resonanztracking (µC PIC16F684): Frequenzsweep beim Start, dann Nachführung auf maximalen Gleichstromverbrauch (Temperatur-/Driftkompensation).
- Kennwerte: Drehzahlen bis 120 U/min ohne Getriebe, 100 % Haltemoment stromlos; Ø30-mm-Stator ~2 U/s Leerlauf, ~25 Nmm Stallmoment. Baugrößen 20–90 mm (Stallmoment 8–162 Nmm, Leistung 40–177 mW). Rekordauflösung 2011: 2,6 Mio. Schritte/Umdrehung. Lebensdauer bestimmt durch Reibschicht; Ventiltest > 1000 h bzw. ~125.000 Aktivierungen.
Ansteuerung (gemeinsam)
- Hohe Spannungen (typ. 20–200 V) an kapazitiver Last: Linearverstärker (bis ~700 Hz Vollaussteuerung) oder PWM-geschaltete Verstärker mit Energierückgewinnung (nur ~20 % Leistungsaufnahme, dynamisch bis > 2 kHz; z. B. PI E-617/E-481).
- Ladungssteuerung: Ladung korreliert deutlich linearer mit der Auslenkung als Spannung → Hysterese sinkt von 10–15 % auf ~2 % ohne Regelkreis (z. B. PI E-506.10); ungeeignet für langes Positionshalten. Siehe auch Operationsverstärker (ADA4700 für ±50 V).
Quellen
raw/PI_Piezoelektrische_Aktoren_CAT128D.pdf– PI Ceramic Katalog CAT128D (Bauelemente, Technologie S. 35 ff., Verstärkertechnik S. 61 ff.)raw/KEM_P0101_AE.pdf– KEMET Multilayer-Piezoaktoren AE-Serie (P0101_AE, 2018)raw/white_paper_how_to_reduce_motor_size_pcbmotor.pdf– PCBMotor White Paper (Jan 2016)