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Wie bereits im Abschnitt “Piezokeramische Werkstoffe” dargestellt,
unterscheidet man zwischen “weichen“ und “harten“ PZT -Keramiken. Die
Unterschiede in den Parametern finden ihren Ausdruck auch in den
entsprechenden Applikationen.
Wichtigste Einsatzgebiete der
"weichen" piezoelektrischen Keramiken sind Aktoren für die Mikro- und
Nanopositionierung, Sensoren und elektro-akustische Anwendungen (Schallgeber
und -aufnehmer). Vorteile der „weichen“ PZT-Materialien liegen im großen
Piezomodul, moderat hohen Permittivitäten und hohen Koppelfaktoren.
Piezokeramische Aktoren nutzen den Effekt der Deformation des Piezokristalls
bei Anlegen eines elektrischen Feldes. Eine damit verbundene hohe Auflösung
der Längenänderung und große mechanische Belastbarkeit machen diese Elemente
prädestiniert für den Einsatz in Gebieten der Hochtechnologien
(Halbleiterbereich, Optik und Telekommunikation, etc.), aber auch im
zunehmenden Maße im Automobilbereich (Kraftstoff-Einspritzsysteme), für
Mikropumpen, der pneumatischen Ventiltechnik und Schwingungsdämpfung.
Sensoren nehmen einen weiteren breiten Raum in den Anwendungen ein.
Neben den klassischen Schwingungsaufnehmern, wie z. B. zur Detektion von
Unwuchten an rotierenden Maschinenteilen oder auch Crash-Detektoren im
Automobilbereich, kommen Anwendungen in der Füllstands- und
Durchflussmessung mittels Ultraschall, immer häufiger zum Einsatz. Dabei
wird z. B. die Laufzeit des reflektierten Echos einer Ultraschallwelle an
der Medien-oberfläche ausgewertet. Durchflussmessungen basieren auf
Laufzeitmessungen oder dem sog. Doppler-Prinzip (Phasendifferenz-Messung).
Weitere typische Applikationen von „weichen“ Piezokeramiken liegen in der
Objektidentifikation bzw. -Überwachung (z. B.
Parkflächen-Überwachungssensoren, Glasbruchdetektoren, etc.), Schallgeber
(Buzzer) und Schallaufnehmer (Mikrofone), bis hin zum Einsatz als
Tonabnehmer an Musikinstrumenten.
Wichtigste Anwendungen der
„harten“ Piezokeramikmaterialien liegen auf den Gebieten der Generierung
hoher Ultraschall- Leistungen. Die Vorteile dieser PZT-Materialien sind
gekennzeichnet durch eine moderate Permittivität, große piezoelektrische
Koppelfaktoren, hohe Güten und sehr gute Stabilität bei hohen mechanischen
Belastungen und Betriebsfeldstärken. Niedrige dielektrische Verluste
ermöglichen den Dauereinsatz im Resonanzbetrieb mit nur geringer
Eigenerwärmung des Bauteiles.
Praktische Beispiele der Anwendungen
findet man in den Bereichen der Ultraschallreinigung (typischerweise kHz
Bereich), der Materialbearbeitung (Ultraschallschweißen, -bonden, -bohren,
usw.), Ultraschallprozessoren (z. B. zum Dispergieren flüssiger Medien), im
medizinischen Bereich (Ultraschall-Zahnstein-Entfernung, chirurgische
Instrumente, usw.) und auch der Sonartechnik. Die klassischen
Piezo-Zündelemente sind im täglichen Leben nicht mehr wegzudenken.
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Piezokeramischer Stapelaktor
Durchflussmessprinzip
Prinzipaufbau eines Verbundschwingers
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