Piezoelektrische Biegewandler

Die vielfältigen industriellen Einsatzmöglichkeiten von piezoelektrischen Biegewandlern als Aktoren und hochpräzise Positioniersysteme erfordern eine an die jeweilige Aufgabe angepasste Leistungsfähigkeit. Dies setzt voraus, dass bereits in der Entwurfs- und Entwicklungsphase das statische und dynamische Verhalten solcher Aktor-Strukturen in der jeweiligen Anwendung vorhergesagt werden kann. Die geometrischen Abmessungen der einzelnen aktiven und passiven Schichten, ihre Abfolge im Schichtsystem und ihre elasto- und elektromechanischen Eigenschaften sind dabei Schlüsselfaktoren. Dieses Buch konzentriert sich auf die analytische Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens von piezoelektrischen Mehrschicht-Biegewandlern. Es soll Studierenden der Natur- und Ingenieurwissenschaften, insbesondere der Physik, der Mikro- und Feinwerktechnik, der Mess- und Sensortechnik, der Mechatronik und Automatisierungstechnik sowie Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen in der Praxis ein solides technisches Werkzeug für den Entwurf von piezokeramischen Biegewandlern an die Hand geben. Die Vorteile der analytischen Beschreibung werden anhand realer Messungen an einem Monomorph in Multilayer-Technologie demonstriert. Die Anforderungen an das Verständnis des Materials beschränken sich auf Grundkenntnisse der ein- und mehrdimensionalen Analysis sowie der elementaren Newtonschen Mechanik, der technischen Mechanik und der Elektrizitätslehre.

Autorentext

Rüdiger G. Ballas studierte Mikrosystemtechnik an der Hochschule Kaiserslautern und promovierte an der TU Darmstadt auf dem Gebiet der piezoelektrischen Biegewandler. Seit 2013 ist er Professor für Elektrotechnik an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt und Preisträger mehrerer nationaler und internationaler Auszeichnungen auf dem Gebiet piezoelektrischer Materialien und deren Anwendungen. Neben seiner Tätigkeit als Prodekan des Fachbereichs Ingenieurwissenschaften an der Wilhelm Büchner Hochschule liegen seine Forschungsschwerpunkte insbesondere auf piezoelektrischen Materialien, Sensoren und Aktoren sowie auf piezoelektrischer Energiegewinnung und (mikro-)elektromechanischen Systemen (MEMS). Während seiner beruflichen Laufbahn war er bei verschiedenen Unternehmen in der Forschung und Entwicklung tätig, die sich mit piezoelektrischen Sensoren und Aktoren befassen.

Inhalt

Einleitung.- Piezoelektrizität.- Piezoelektrische Funktionskeramik PZT.- Aufbereitung und Herstellung von PZT-Keramiken.- Energiedichte der elastischen Verformung.- Energiedichte im elektrostatischen Feld.- Piezoelektrische Zustandsgleichungen.- Statisches Verhalten piezoelektrischer Biegewandler.- Lagrange-Gleichungen und Aspekte der Variationsrechnung.- Hamilton-Prinzip und piezoelektrische Biegewandler.- Dynamisches Verhalten piezoelektrischer Biegewandler.- Piezoelektrischer Biegewandler als elektromechanisches System.- Messplatz für piezoelektrische Biegewandler.- Messungen am realen Biegewandler und analytische Berechnungen im Vergleich.