Mehrschichtige piezoelektrische Aktuatoren vs. elektromagnetische Aktuatoren: Ein technischer Vergleich und eine Anwendungsanalyse

1. Einleitung
2. Funktionsweise der einzelnen Technologien
3. Technischer Vergleich im direkten Vergleich
4. Anwendungsfälle und Entscheidungsfindung
5.Bestarsensor: Mehrschichtige piezoelektrische Aktuatoren
6. Schlussfolgerung

Einführung
Aktoren müssen in der heutigen industriellen Automatisierung mehr leisten als je zuvor. In der Halbleiterfertigung, bei Medizinrobotern und anderen optischen Systemen werden kleinere, schnellere und präzisere Bewegungssteuerungssysteme eingesetzt als noch vor zehn Jahren.
Heutzutage stellen Ingenieure bestimmte Anforderungen an Aktuatoren. Erstens müssen sie klein sein. Zweitens müssen sie schnell reagieren. In manchen Anwendungen müssen sie auch dort funktionieren, wo keine Magnetfelder eingesetzt werden können. Diese Anforderungen sprengen die Möglichkeiten herkömmlicher elektromagnetischer Aktuatoren für viele Anwendungen.
Die beiden bevorzugten Technologien sind elektromagnetische und mehrschichtige piezoelektrische Aktuatoren. Es handelt sich um ausgereifte, stabile und leicht verfügbare Technologien. Die physikalischen Grundlagen dieser Technologien sind jedoch grundverschieden, und sie weisen zwar ähnliche, aber in den für präzise Bewegungssteuerungsanwendungen wichtigsten Bereichen entscheidende Unterschiede auf.
Bestar-Sensor Designs Mehrschichtige piezoelektrische Keramik Für präzise Betätigungselemente. Dieser Blog bietet einen objektiven technischen Vergleich der Technologien, um Ingenieure bei ihrer Technologieauswahl zu unterstützen.

Wie die einzelnen Technologien funktionieren
1. Elektromagnetische Aktuatoren
Elektromagnetische Aktuatoren wandeln elektrische Energie mittels Magnetismus in mechanische Energie um. Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld. Dieses Feld wirkt auf einen Permanentmagneten oder ein ferromagnetisches Element und erzeugt so eine Kraft. Durch Variieren des Stroms lassen sich Kraft und Position steuern.
Die Lorentzkraft bildet die Grundlage für Motoren, Magnetspulen, Schwingspulenantriebe und Linearmotoren. Die Technologie ist ausgereift, lässt sich mit jeder Ansteuerelektronik einfach steuern und ermöglicht große Hübe, auch über lange Strecken.
Mechanisch besteht diese Technologie häufig aus einer Spule, einem Magneten, zu dem sie sich bewegt, und einem Lager- oder Führungssystem. Zwischen den beweglichen und festen Teilen besteht ein Spalt. Ein gewisses Maß an Reibung, Verschleiß und magnetischer Hysterese ist daher zu erwarten.
2. Mehrschichtige piezoelektrische Aktuatoren
Piezoelektrische Aktuatoren basieren auf einem völlig anderen Prinzip. Bestimmte Keramikarten verformen sich unter Spannung. Dies ist der sogenannte inverse piezoelektrische Effekt. Legt man beispielsweise eine positive Spannung an, dehnt sich die Keramik leicht aus. Legt man eine negative Spannung an, zieht sie sich zusammen.
Die Auslenkung pro einzelner Keramikschicht ist sehr gering, in der Größenordnung von Nanometern pro Volt. Durch den mehrschichtigen Aufbau des Bauelements – viele dünne Keramikschichten in elektrischer Reihen- und mechanischer Parallelschaltung – addieren sich jedoch alle Auslenkungswerte. Dies führt zu einem kompakten Keramikstapel, der bei akzeptablen Ansteuerspannungen eine nutzbare Auslenkung erzeugt.
Das Gerät besitzt weder Spulen noch Magnete oder bewegliche Teile. Der Keramikstapel ist ein Halbleiterbauelement. Er dehnt sich im festen Zustand aus und zieht sich zusammen; es entstehen keine Reibung, keine Spalten und kein Verschleiß.

Technischer Vergleich im direkten Vergleich
Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Leistungsunterschiede zwischen den beiden Technologien hinsichtlich der Parameter zusammen, die bei Präzisionsanwendungen am wichtigsten sind.

Anwendungsfälle und Entscheidungsfindung
1. Tintenstrahldruckköpfe: Hochfrequenz-Präzisionsventile
Tintenstrahldruckköpfe müssen Tröpfchen mit sehr hohen Wiederholungsraten ausstoßen (bis zu zehntausende Tröpfchen pro Sekunde). Der Ausstoß der Tröpfchen muss gleichmäßig und hochpräzise erfolgen. Elektromagnetische Ventile können diese hohen Raten nicht garantieren. Die Induktivität der Spule begrenzt die Geschwindigkeit – Strom kann angelegt und abgeschaltet werden, wodurch die Betätigungsgeschwindigkeit eingeschränkt wird.
Piezoelektrische Aktuatoren kennen diese Einschränkung nicht. Sie können in realen Anwendungen bis in den Bereich von mehreren zehn Kilohertz und in Spezialprodukten sogar noch darüber hinaus arbeiten. Deshalb nutzen industrielle Tintenstrahlköpfe, ultraschnelle Dosiersteuerungen und andere Anwendungen zur Flüssigkeitssteuerung, die präzise dosierte Mengen bei hoher Geschwindigkeit erfordern, heute die piezoelektrische Technologie.
2. Subnanometer-Anpassung in Optik und Lithographie
Lithographiesysteme in der Halbleiterfertigung erfordern die Positionierung optischer Elemente im Subnanometerbereich. Optische Justiersysteme müssen Spiegel mit einer Genauigkeit von besser als einer Lichtwellenlänge ausrichten können. Dies ist mit einem elektromagnetischen Aktuatorsystem ohne Feinpositioniertisch nicht möglich.
Piezoelektrische Aktuatoren sind die Lösung. Sie weisen eine lineare Beziehung zwischen angelegter Spannung und Auslenkung auf, sind spielfrei und reibungsfrei. Ihre Positionsauflösung wird ausschließlich durch die Leistungsfähigkeit der Ansteuerelektronik bestimmt. Geschlossene Regelsysteme, die eine Auflösung im Subnanometerbereich ermöglichen, sind in miniaturisierten Gehäusen mit Präzisionsverstärkern erhältlich.
Aus diesem Grund sind Piezo-Positioniertische das Herzstück von Inspektionswerkzeugen für die Halbleiterindustrie, adaptiver Optik, faseroptischer Ausrichtung und konfokalen Mikroskopen.
3. Mikropumpe für Medizin und Biopharmazie
Die Miniaturisierung in der Medizintechnik schreitet stetig voran. Für implantierbare Medikamentenverabreichungssysteme, patientennahe Diagnosegeräte und Instrumentenspitzen für chirurgische Eingriffe werden kleinere, leichtere und effizientere Aktuatormechanismen benötigt.
Elektromagnetische Aktuatoren lassen sich nicht gut skalieren. Die von ihnen erzeugte Kraft nimmt mit abnehmender Größe rapide ab.
Piezoelektrische Aktuatoren lassen sich gut skalieren. Der mehrschichtige Aufbau weist eine hohe Kraft im Kubikzentimeterbereich auf.
Piezoelektrische Pumpen mit Membranbetätigung können Flüssigkeiten präzise fördern und dosieren bei geringem Stromverbrauch und eignen sich für batteriebetriebene medizinische Geräte, die einen niedrigen Stromverbrauch aufweisen müssen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die chirurgische Robotik. Die Spitzen minimalinvasiver Instrumente erfordern geringe Größe, hohe Kraft und präzise Positionskontrolle. Piezoelektrische Komponenten ermöglichen diese Eigenschaften in einer kompakten Bauform, die mit elektromagnetisch betriebenen Komponenten nicht realisierbar ist.

Bestarsensor: Mehrschichtige piezoelektrische Aktoren
Bestar-Sensor Das Unternehmen entwickelt und produziert mehrschichtige piezoelektrische Keramikaktoren unter Einsatz modernster Kobrenntechnologien. Die Komponenten weisen verschiedene Merkmale auf.
1. Hohe Ausgangskraftdichte
Das von Bestar-Sensor Dies ermöglicht die Anordnung vieler dünner Keramikschichten in einem kleinen Gehäuse. Die vielen Schichten dieses Stapels erzeugen eine kumulative Verschiebung und Kraft. Dadurch werden eine hohe Blockierkraft und eine nutzbare Verschiebung bei geringem Volumen erzielt.
2. Langfristige Zyklusstabilität
Bestar-Sensor Durch den Einsatz strenger Materialbeschaffungs- und Fertigungsverfahren wird die Zusammensetzung der Keramik für den gesamten Schichtaufbau sichergestellt. Dies ermöglicht die Aufrechterhaltung der Verdrängungsleistung über Hunderte von Millionen Zyklen.
3. Präzise Fertigung und niedrigere Ansteuerspannungen
Je dünner die einzelnen Schichten eines Schichtstapels sind, desto mehr Schichten sind beteiligt. Dies führt zu einem geringeren elektrischen Feld in jeder Schicht. Ein geringeres elektrisches Feld bedeutet, dass eine niedrigere angelegte Spannung benötigt wird, um die gleiche Auslenkung zu erzielen. Die Reduzierung der Ansteuerspannung vereinfacht die Entwicklung der Ansteuerelektronik und verringert die Isolationsspannung der Keramikschichten, was die Zuverlässigkeit erhöht. Bestar-SensorDie Fähigkeit des Herstellers, die Schichtdicke während des Sinterprozesses zu kontrollieren, beeinflusst sowohl die elektrische Leistungsfähigkeit als auch die Lebensdauer des Aktuators.

Abschluss
Elektromagnetische und piezoelektrische Aktuatoren konkurrieren nicht um denselben Markt. Ihre Leistungsfähigkeit ist sehr unterschiedlich, und der Schlüssel zu ihrer Anwendung liegt in der genauen Definition des jeweiligen Anwendungszwecks.
Wenn die Anwendung einen langen Hub, eine einfach zu implementierende Ansteuerelektronik mit niedriger Spannung erfordert und die Kosten eine entscheidende Rolle spielen, sind elektromagnetische Aktuatoren nach wie vor die erste Wahl. Sie eignen sich ideal für die allgemeine Automatisierung, lineare Bewegungen, Positioniergenauigkeit im Millimeterbereich und vieles mehr.
Wenn die Anwendung eine Positioniergenauigkeit im Submikrometerbereich, einen Betrieb bei hohen Frequenzen, eine geringe Wärmeabgabe und einen geringen statischen Stromverbrauch oder einen Betrieb in hohen Magnetfeldern erfordert, ist der piezoelektrische Mehrschichtaktor elektromagnetischen Geräten überlegen.
Die Trends in der Präzisionsfertigung schaffen die Betriebsbedingungen, die den Einsatz piezoelektrischer Aktuatoren begünstigen. Mikrotechnologie, kürzere Zykluszeiten, engere Toleranzen und Energieeffizienz sind branchenübergreifend relevant. Bestar-SensorDie mehrschichtigen piezoelektrischen Komponenten von sind bereit, die Herausforderungen der Ingenieure zu meistern und die für Präzisionsanwendungen erforderlichen technischen Spezifikationen und Fertigungsgenauigkeit zu liefern.