Statisches und Dynamisches Verhalten piezoelektrischer Multilayer-Biegeaktoren

Kurzfassung der Dissertation von Dr.-Ing. Rüdiger G. Ballas

Im Bereich der Aktorik nimmt die Gruppe der piezokeramischen Multilayer-Biege­aktoren eine Schlüsselstellung ein. Diese weisen Stellkräfte von einigen Newton bei hohen Auslenkungen (einige 100 µm) auf, ein Aspekt, welcher insbesondere für Mikro-Elektromechanische Systeme (MEMS) von großem Interesse ist.

Im Rahmen dieser Dissertation am Institut für Elektromechanische Konstruktionen der TU Darmstadt wurden die theoretischen Grundlagen zur Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens jeglicher Art einseitig eingespannter piezoelektrischer n-Schicht-Biege­aktoren erarbeitet und die beschreibenden Gleichungen in analytisch geschlossener Form abgeleitet. Aus den gewonnenen Kenntnissen bezüglich des dynamischen Verhaltens piezoelektrischer Multilayer-Biegeaktoren erfolgte in einem nächsten Schritt die systematische Entwicklung deren schaltungstechnischer Darstellung im Rahmen der Netzwerktheorie.

Netzwerk-theoretisches Modell eines Biegeaktors.

Die analytischen Berechnungen auf Basis der entwickelten strukturdynamischen Ansätze wurden realen Messungen an einem monomorphen Biegeaktor in Multilayertechnologie gegenübergestellt.

Der zweite Hauptschwerpunkt der Arbeit konzentrierte sich auf die Entwicklung und Realisierung eines smarten Sensor-Aktor-Systems. Durch Integration von kapazitiven bzw. induktiven Wegsensoren konnten Aktor-Sensor-Systeme realisiert werden, mit denen es möglich ist, die für piezokeramische Aktoren typischen Hysterese-, Drift- und Kriecheigenschaften zu kompensieren.

Prinzip eines Pneumatik-Ventils mit piezoelektrischem Biegeaktor (Festo KG)

Die Dissertation gibt einen Einblick in die zur analytischen Beschreibung piezoelektrischer Multilayer-Biegeaktoren notwendigen mechanischen, elektromechanischen und strukturdynamischen Grundlagen. Die Sensorintegration baut die Brücke von der reinen Biegeaktorik zu einem smarten Sensor-Aktor-Sys­tem. Dabei kristallisiert sich deutlich die Interdisziplinarität der Thematik heraus. Die erfolgreichen Ansätze seitens der Aktorik dienen als Beispiel zur Lösung ähnlicher Probleme in Industrie und Forschung und bilden den Übergang zu integrierten elektromechanischen Systemen. 

Die Dissertation ist zu Beginn des Jahres 2007 als englischsprachiges Opens external link in new windowFachbuch beim Springer-Verlag Heidelberg erschienen.

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Institut für Elektromechanische Konstruktionen

Mikrotechnik

Prof. Dr.-Ing. Helmut F. Schlaak

S3/06 128
Merckstraße 25
64283 Darmstadt

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+49 6151 16-4096

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