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Antriebstechnik Multilayer-Piezobiegeaktoren für Anwendungen in der Medizintechnik

Biegeaktoren sind Antriebslösungen für präzise Dosier- und Pumpvorgängen, z.B. bei Druckern oder in der Medizintechnik. Weitere Einsatzbereiche finden sich in der optischen Strahlablenkung und auch in mobilen oder gar implantierbaren Geräten, z.B. Hörhilfen. PI Ceramic setzt bei den Picma-Bender-Biegeaktoren auf eine spezielle Fertigungstechnologie, die eine rundum vollkeramische Isolierung bewirkt.

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Hohe Zuverlässigkeit und niedrige Ansteuerspannung: Multilayer-Piezobiegeaktoren eignen sich für unterschiedliche Anwendungen.
Hohe Zuverlässigkeit und niedrige Ansteuerspannung: Multilayer-Piezobiegeaktoren eignen sich für unterschiedliche Anwendungen.
(Bild: PI)

Bei piezokeramischen Biegeaktoren hängen Lebensdauer und Zuverlässigkeit stark von den Umgebungsbedingungen am Einsatzort ab. Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Betriebsspannung können sie erheblich beeinträchtigen. Abhilfe sollen optimierte Materialien und Herstellungsverfahren, ein entsprechender Aufbau und die Wahl der geeigneten Isolierung schaffen. PI Ceramic setzt deshalb bei den Picma-Bender Biegeaktoren auf eine spezielle Fertigungstechnologie, die eine rundum vollkeramische Isolierung bewirkt. Dadurch sind die keramischen piezoaktiven Schichten im Biegewandler bei anliegendem elektrischem Feld vor Elektrolysereaktionen mit Feuchtigkeit geschützt. Gleichzeitig sollen mechanische Beschädigungen der empfindlichen Elektroden verhindert werden. Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind dadurch gegenüber herkömmlich polymerisolierten Aktoren signifikant erhöht. Der vollkeramische Aufbau des Aktors soll zudem nahezu perfekt temperaturkompensiert sein. Das heißt, bei Temperaturschwankungen in der Anwendung gibt es keine ungewollten Auslenkungen und mechanischen Spannungen im Aktor.

Variable Konturen und kundenspezifische Ausführungen

Das Herstellungsverfahren sorgt für nahezu beliebigen Konturen und Abmessungen der Biegeaktoren, was die Integration in die Applikation erleichtert. So lassen sich auch eher ungewöhnliche Formen mit sehr geringen Fertigungstoleranzen realisieren, wie abgeschrägte Kanten und Innenbohrungen. Biegeaktoren mit kleinsten Abmessungen von wenigen Millimetern, z.B. mit nur 4 mm × 10 mm Kantenlänge, können ebenso hergestellt werden wie runde Aktoren und natürlich sind auch größere Abmessungen möglich. Die Geometrie wird dabei lediglich von den Anforderungen an Krafterzeugung und Dynamik bestimmt. Der runde Biegeaktor PD410 beispielsweise erreicht bei einem Durchmesser von 44 mm und 0,7 mm Höhe einen Hub von bis zu 240 µm in beide Auslenkungsrichtungen.

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Neben unterschiedlichen Abmessungen gibt es aber noch weitere kundenspezifische Anpassungsmöglichkeiten. So ist die Höhe der aktiven Schichten variabel ab einer Mindesthöhe von 15 µm, sodass mit Ansteuerspannungen von nur 10 V gearbeitet werden kann. Eine einseitige Auslenkung ist durch Aufbringen auf ein passives Substrat möglich, womit eine höhere Steifigkeit und eine relativ größere Auslenkung in eine Richtung als bei bidirektionalen Biegeelementen erreicht werden kann. Hohe Linearität und Wiederholgenauigkeit im positionsgeregelten Betrieb lassen sich durch das zusätzliche Aufbringen von Positionssensoren erzielen. Dazu werden Dehnmessstreifen-Sensoren (DMS), bestehend aus einer dünnen Metallfolie, auf der Piezokeramik angebracht. Bei Bedarf können Multilayer-Kontraktorplatten auch auf kundeneigenem Substrat (Metall, Silizium) appliziert werden. Die Kontraktorplatten sind ebenfalls in verschiedenen Geometrien erhältlich, z.B. quadratisch oder als runde Scheibe.

Breites Anwendungsspektrum

Kundenbetreuung vom Prototypen bis zur Serienfertigung

Die – je nach Auslegung und Belastung der Biegeaktoren mit bis etwa 1000 Hz – hohe Resonanzfrequenz soll beste Voraussetzungen für hochdynamische Anwendungen bieten. Aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und der flexiblen Ansteuerspannungen ist diese Antriebslösung laut PI besonders geeignet für präzise Dosier- und Pumpvorgänge, z.B. in Druckern oder in der Medizintechnik. Weitere Einsatzbereiche finden sich in der optischen Strahlablenkung, z.B. bei Scananwendungen und – dank der kleinen Abmessungen – auch in mobilen oder sogar implantierbaren Geräten. Bei speziellen Hörhilfen beispielsweise wirkt das Piezoelement als akustomechanischer Wandler, der Schall wird dabei über Knochenleitung übertragen.

PI gewährleistet eine Betreuung vom Prototypen bis hin zur späteren Serienfertigung ebenso wie die Integration der Piezokeramiken in das Kundenprodukt. Dazu gehören sowohl die elektrische Kontaktierung der Elemente nach Kundenvorgaben als auch die Montage in beigestellte Bauelemente, das Verkleben oder der Verguss. Die Biegeaktoren können z.B. mit speziell angepassten Halterungen versehen werden, die den Einbau beim Kunden erleichtern. (sh)

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