Piezopedia - Systeme mit integrierter Wegübersetzung

Die Vorteile von Piezo-Hebelübertragungssystemen.

6. Systeme mit integrierter Wegübersetzung

Viele von piezosystem jena eingesetzten Piezoelemente besitzen eine integrierte Wegübersetzung durch Hebel (Abb. 2.5.1). Diese Konstruktion bietet folgende Vorteile:

  • Es können größere Bewegungen als die Bewegung des Stapelaktors ausgeführt werden.
  • Ein Parallelogrammdesign ermöglicht es, die Bewegung paralleler auszuführen als in einem einfachen Stapelaktor
  • Auf Grund der Festkörpergelenke entsteht kein mechanisches Spiel und die Bewegung kann ähnlich genau, wie bei einem Aktor ohne Hebelübersetzung, ausgeführt werden.
  • Hebelübersetzungen arbeiten über eine lange Zeit verschleißfrei.
  • Auf Grund der Hebelübersetzung ist die Kapazität des gesamten Systems wesentlich geringer als die Kapazität eines entsprechenden Stapels (mit der gleichen Bewegung). Dies kann vorteilhaft sein für dynamische Anwendungen wegen der geringeren elektrischen aktuellen Anforderungen (siehe auch Abschnitt 10.2. Strombedarf).

Piezoaktoren, integriert in ein Festkörpergelenk mit Wegübersetzung, können als ein einheitlicher Aktor mit entsprechender Steifigkeit und Resonanzfrequenz betrachtet werden. In unseren Datenblättern geben wir diese Werte für unsere Elemente an.

Elektrisch weisen diese Elemente im statischen Betrieb einen sehr hohen Innenwiderstand auf und ist bei dynamischer Ansteuerung in erster Näherung als Kapazität darstellbar. Die elektrischen Werte entsprechen denen der eingesetzten piezoelektrischen Aktoren.

Wir möchten Ihnen an dieser Stelle die wesentlichen Veränderungen, die sich aus der Übersetzung ergeben, darstellen:

Der maximale Hub vergrößert sich linear zum Übersetzungsverhältnis TF.

(6.1)

Die Steifigkeit verringert sich quadratisch mit dem Übersetzungsverhältnis.

(6.2)

TF – Übersetzungsverhältnis eines eingesetzten Hebelverhältnisses; cT – Steifigkeit des Piezoelementes; cF – Steifigkeit des Übersetzungselementes

Auf Grund der verringerten Steifigkeit ist eine deutliche Resonanzüberhöhung vorhanden. Diese kann Werte bis 100 erreichen (Abb. 6.1).

Die Resonanzfrequenz verringert sich linear mit dem Übersetzungsverhältnis.

(6.3)

Resonanzfrequenzen eines einseitig befestigten Piezostapels, die bis zu 50kHz erreichen, können sich somit auf Frequenzen von 30Hz bis 1,5kHz verringern.

Abb. 6.1. Frequenzverhalten eines wegübersetzten Elementes der Serie PU 100

Bei ungünstigem Versuchsaufbau können Nebenresonanzen angeregt werden, die auch unterhalb der Resonanzfrequenz auftreten können. Diese Werte der Frequenzen können niedriger sein als die Hauptfrequenz des Aktors.

Die Blockierkraft Fmax (siehe Kapitel 4.5) nimmt ebenfalls linear mit dem Übersetzungsverhältnis ab.

(6.4)

Querversatz

Bei der Bewegung eines Parallelogramms in eine Richtung tritt prinzipiell ein leichter Querversatz in der zweiten Richtung auf. Die Bewegung selber erfolgt aber trotzdem parallel. Die Bewegung folgt einer parabolischen Kurve, die Endstücke führen dabei eine parallele Bewegung aus. Sie ist paralleler als die Ausdehnung eines einzelnen Stapels.

Der Querversatz ist abhängig von der Konstruktion und liegt in der Größenordnung von ca. 0,2 %.

So wird sich z.B. ein TRITOR bei 40µm Auslenkung in x-Richtung ca. 50nm in y-Richtung bewegen. Für die meisten Anwendungen wirkt sich dieser Querversatz nicht störend aus, sollte aber bei anderen Anwendungen beachtet werden.

Aus dem Verhältnis 500:1 zwischen gewollter Bewegung und Querversatz wird deutlich, dass sich die Bewegung des Piezoelementes auch mit dieser Abweichung als Gerade annähern lässt.

So ist es prinzipiell möglich, ein eindimensionales Verschiebeelement entlang dieser Linie auszurichten. Damit kann der Querversatz weiter minimiert werden. Das Ergebnis derartiger Messungen ist im Abb. 6.2 dargestellt, für einen Aktuator der Serie PU 100 konnte der Querversatz auf ca. 15nm minimiert werden.

Abb. 6.2. Querversatz bei der Bewegung eines Elementes (PU 100) mit Parallelogrammanordnung


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