Piezoelektrische Aktoren
BAUELEMENTE, TECHNOLOGIE, ANSTEUERUNG

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P iI cCE

Inhalt

PI Ceramic – Führend in Piezotechnologie .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 3Piezoaktoren
PICMA® Stack Multilayer-Piezoaktoren P-882 – P-888 .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 6Kundenspezifische Ausführungen.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 8Gekapselte PICMA® Stack Piezoaktoren P-885 • P-888.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 9PICMA® Chip Miniatur Multilayer-Piezoaktoren PL0xx • PD0xx. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 10
PICMA® Bender Biegeaktoren PL112 – PL140 • PD410.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 11
Kundenspezifische Ausführungen.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 13
DuraAct Flächenwandler P-876 .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 14
PT-Tube Piezorohre PT120 – PT140 .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 16
PICA Stack Piezoaktoren P-007 – P-056 .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 18
PICA Power Piezoaktoren P-010.xxP – P-056.xxP .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 20
PICA Thru Ringaktoren P-00.xxH – P-025.xxH.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 22
PICA Shear Scheraktoren P-111 – P-151 .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 24
Picoactuator® P-405 .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 26
Integrierte Baugruppen.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 27
Piezoverstärker für die Ansteuerung von Piezoaktoren
Produktübersicht.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 28
Technische Daten der Piezoverstärker.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 32
Piezotechnologie
Inhaltsübersicht.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .
Grundlagen der Piezoelektrizität .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .
Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .
Verstärkertechnik: Piezoelektronik zur Ansteuerung von Piezoaktoren .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .
Handhabungshinweise. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

34
35
45
61
64

Physik Instrumente (PI): Weltbewegende Antriebe
Präzisionspositionierung für Industrie und Forschung .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 66
Produktübersicht PI.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 68

Impressum
PI Ceramic GmbH, Lindenstrasse, 07589 Lederhose
Registration: HRB 203.582, Amtsgericht Jena
USt-IdNr.: DE 155932487
Geschäftsführung: Albrecht Otto, Dr. Peter Schittenhelm, Dr. Karl SpannerTel. +49 36604 / 882-0, Fax +49-36604-882-4109
info@piceramic.de, www.piceramic.de
Die folgenden aufgeführten Firmennamen oder Marken sind eingetragene Warenzeichen der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG:
PI®, PIC®, PICMA®, PILine®, PIFOC®, PiezoWalk®, NEXACT®, NEXLINE®, PInano®, NanoCube®, Picoactuator®,
Nanoautomation®

2

Die folgenden aufgeführten Firmennamen oder Marken sind eingetragene Warenzeichen Ihrer Inhaber:µManager, LabVIEW, Leica, Linux, MATLAB, MetaMorph, Microsoft, National Instruments, Nikon, Olympus,
Windows, Zeissw w w.p i c e r a mi c.d e

PI CeramicFÜhrend in piezotechnologie

PI Ceramic, kurz PIC, ist eines der weltweit
führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. PIC bietet alles von piezokeramischen
Bauelementen bis hin zu Systemlösungen
für Forschung und Industrie in allen HighTech Märkten, wie z.B. der Medizintechnik,
dem Maschinen- und Automobilbau, oderder Halbleitertechnik.

Kernkompetenzen
von PI Ceramic

Kundenspezifische Entwicklungen
Die besondere Ausrichtung von PI Ceramic
macht es möglich, in kürzester Zeit auf Kundenwünsche zu reagieren.
PIC hat sich dabei auf Stückzahlen von einigen 100 bis zu mehreren 100,000 spezialisiert. Unsere Entwicklungs- und Beratungsingenieure verfügen über einen enormen
Erfahrungsreichtum bezüglich der Anwendung von Piezoaktorik und Sensorik und arbeiten schon im Vorfeld eines Projektes sehreng mit den Entwicklern unsererer Kundenzusammen. Dadurch ermöglichen sie ihnen,
erfolgreichere Produkte schneller auf den
Markt zu bringen.
Materialforschung und Entwicklung
PIC entwickelt alle piezokeramischen Materialien selbst. Dafür unterhält PIC eigene
Laboratorien, Prototypenbau sowie Messund Prüfeinrichtung. Zudem arbeitet PIC im
In- und Ausland eng mit den führenden
Hochschulen und Forschungseinrichtungenauf dem Gebiet der Piezoelektrizität zusammen.
Flexible Fertigung
Zusätzlich zum breiten Spektrum an Standardprodukten nimmt die schnellstmögliche

Umsetzung kundenspezifischer Anforderungen einen wichtigen Stellenwert ein. Die
Formgebung in Press- und Multilayer-Technologie ist jederzeit kurzfristig möglich.
Dabei können einzelne Prototypen wie auch
große Serien gefertigt werden. Alle Prozessschritte finden im Haus statt und unterliegen
ständigen Kontrollen, wodurch Qualität und
Termintreue gesichert sind.
Zertifizierte Qualität
Bereits seit 1997 ist PI Ceramic nach derNorm ISO 9001 zertifiziert, bei der neben der
Produktqualität vor allem die Erwartungen
und Zufriedenheit des Kunden im Vordergrund stehen. Außerdem ist PIC nach ISO
14001 (Umweltmanagement) und OHSAS
18001 (Arbeitssicherheit) zertifiziert, die zusammen ein Integriertes Management System (IMS) bilden. PI Ceramic ist ein
Tochterunternehmen von Physik Instrumente (PI) und entwickelt und produziert
alle Piezoaktoren für die Nanopositionier­syste­me von PI. Auch die Antriebe
für PILine® Ultraschall-Piezomotoren und
NEXLINE® Hochlast-Schreitantriebe stammen aus dem Hause PIC.

 Standard-Piezokomponenten für Aktor-,
Ultraschall- und Sensor­anwendungen Systemlösungen Fertigung von piezoelektrischen Bauelementen bis zu
mehreren 1.000.000
Stück pro Jahr Entwicklung kundenspezifischer Lösungen Hohe Flexibilität imtechnologischen
Prozess, kurze Lieferzeiten, Fertigung vonEinzelstücken und
Kleinstmengen Alle Schlüsseltechnologien und modernste Ausrüstungenfür die Keramikfertigung im Haus
 Zertifiziert nachISO 9001, ISO 14001
und OHSAS 18001

Firmengebäude von PI Ceramic in Lederhose, Thüringen. Zum Jahresende 2011, rechtzeitig zum 20-jährigen
Firmenjubiläum, vergrößert ein Anbau die Gesamtfläche für Fertigung, Entwicklung, Vertrieb und Verwaltung(links im Bild). Damit einher geht eine Steigerung der Fertigungskapazitäten um 150%.

3

piezotechnology

Zuverlässigkeit und Kundennähe
Unser Leitbild

PI Ceramic bietet4 Piezokeramische
Werkstoffe (PZT) Piezokeramische
Bauelemente Kunden-und anwendungs­­spezifische
Ultraschallwandler /Transducer PICMA® Monolithische
Multilayer-Piezoaktoren Miniatur-Piezoaktoren PICMA® MultilayerBiegeelemente PICA HochlastPiezoaktoren PT-Tube Piezorohre Vorgespannte Aktoren
mit Gehäuse Piezokomposite –DuraAct
Flächenwandler

Unser Ziel ist die gleichbleibend hohe,geprüfte Qualität sowohl bei unseren Standardprodukten als auch bei kunden­spezi­
fischen Bauelementen. Wir möchten, dassSie, unsere Kunden, mit der Leistung unserer Produkte zufrieden sind. Für uns beginnt
Kundenservice mit dem ersten informativen
Vorgespräch und reicht weit über die
Auslieferung der Produkte hinaus.
Beratung durch die Piezo-Spezialisten
Sie möchten komplexe Probleme lösen – wirlassen Sie damit nicht allein. Mit unserer
langjährigen Erfahrung bei der Konzeption,
Entwicklung, Konstruktion und Herstellung
von individuellen Lösungen begleiten wir
Sie von der Idee bis zur Serienreife.
Wir nehmen uns die Zeit, die für ein fundiertes Verständnis der Thematik notwendig
ist, und erarbeiten frühzeitig einen umfassenden und optimalen Lösungsweg,
sei es mit bestehenden oder mit neuen
Technologien.

w w w.p i c e r a mi c.d eAfter-Sales Service
Auch nach dem Verkauf stehen unsere Fachleute für Sie bereit und beraten Sie, z.B. bei
Systemerweiterungen oder technischen
Fragen.
Damit erreichen wir als PI Ceramic unser Ziel:
Lang anhaltende Geschäftsbeziehungen undeine vertrauensvolle Kommunikation mit
Kunden und Lieferanten, die wichtiger sindals jeder kurzzeitige Erfolg.
PI Ceramic liefert piezokeramische Lösungen für alle wichtigen High-Tech Märkte: Industrieautomation
 Halbleiterindustrie Medizintechnik Maschinenbau und Feinwerktechnik Luft- und Raumfahrt Automobilbereich Telekommunikation

Erfahrung und Know-how
F e r t i g u n g s t e c h n o l o g i e a uf n e u e s t e m S t a n d

Der Entwicklungs- und Herstellungsprozessvon piezokeramischen Komponenten ist
sehr komplex. Hier verfügt PI Ceramic überlangjährige Erfahrung und ausgereifte Fertigungsverfahren. Maschinen und Vorrichtungen entsprechen dem neuesten Stand derTechnik.
Rapid Prototyping
In enger Absprache mit dem Kunden werden
die Anforderungen schnell und flexibel umgesetzt. Prototypen und Kleinserien kundenspezifischer Piezobaugruppen stehen bereits
nach sehr kurzen Bearbeitungszeiten zur Verfügung. Die Produktionsbedingungen, wie
z.B. die Materialkomposition oder die Sintertemperatur, werden dabei individuell auf das
Keramikmaterial abgestimmt, um optimale
Werkstoffparameter zu erreichen.
Präzisions-Bearbeitungstechnologie
PIC setzt Bearbeitungstechniken aus derHalbleiterindustrie ein, um die empfindlichen Piezokeramiken besonders präzise zu

bearbeiten. Bereits im „Grünzustand“,also noch vor dem Sintern, sorgen spezielle
Fräsmaschinen für exakte Formgebung. Gesinterte Keramikblöcke werden mit Präzisions­sägen bearbeitet, wie sie auch für
die Trennung einzelner Wafer verwendet
werden. Feinste Bohrungen, strukturierte
Keramikoberflächen, selbst komplexe, dreidimensionale Konturen sind herstellbar.
Automatisierte Serienfertigung –Vorsprung für OEM Kunden
Die industrielle Anwendung erfordert häufig
hohe Stückzahlen kundenspezifischer Bauelemente. Der Übergang zur Großserienfertigung ist bei PI Ceramic sicher undkostengünstig möglich, bei gleichzeitig konstant hoher Qualität der Produkte. PIC besitzt
die Kapazitäten für die Herstellung und Bearbeitung mittlerer und großer Serien inverketteten automatisierten Linien. Die Metallisierung der Keramikkörper übernehmen
dabei Siebdruckautomaten und modernste
PVD-Anlagen.

Automatisierte Abläufe optimieren den Durchsatz

5

piezotechnology

PICMA® Stack Multilayer-Piezoaktoren
KERAMISCH ISOLIERTE HOCHLEISTUNGSAKTORENÜberlegene Lebensdauer

Hohe Steifigkeit

UHV-kompatibel bis 10-9 hPaµs-Ansprechzeit

Sub-nm-Auflösung



Patentierte PICMA® Stack Multilayer-Piezoaktoren mit
hoher Zuverlässigkeit
Betriebsspannung -20 bis 120 V. Keramische Isolierung,polymerfrei. Unempfindlich gegen Luftfeuchtigkeit. UHVkompatibel bis 10-9 hPa, kein Ausgasen, hohe Ausheiztemperatur. Gekapselte Varianten für Betrieb in Spritzwasser
oder Öl
Sonderausführungen mit geänderten Spezifikationen
 Für hohe Betriebstemperatur bis 200 °C
 Sonderelektroden für Ströme bis zu 20 A
 Variable Geometrie: Innenbohrung, rund, rechteckig
 Keramische oder metallische Endstücke invielen Varianten
 Applizierte DMS-Sensoren für Positionsstabilität

6

Flexibel durch zahlreiche
Ausführungsvarianten

Geeignete Verstärker
E-610 Piezoverstärker / Servocontroller
E-617 Hochleistungs-Piezoverstärker
E-831 OEM-Piezoverstärkermodul
Geltende Patente
Deutsches Patent Nr. 10021919C2
Deutsches Patent Nr. 10234787C1
Deutsches Patent Nr. 10348836B3
Deutsches Patent Nr. 102005015405B3
Deutsches Patent Nr. 102007011652B4
US-Patent Nr. 7,449,077
Japan-Patent Nr. 4667863
China-Patent Nr. ZL03813218.4

Einsatzgebiete
Industrie und Forschung. Kryogene Umgebung bei
reduzierter Auslenkung. Für schnelle Schalter, Präzisionspositionierung, aktive und adaptive Systeme

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T iEcCeHrNa OmLi O
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© Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2011. Änderungen vorbehalten. Aktuelle Revision unter www.pi.ws. 12/02/21.0

P-882 – P-888

PICA Thru Ringaktoren

Bestellnummern*

Abmessungen
A × B × L [mm]Nominalstellweg[µm] (0 – 100 V)

Max. Stellweg[µm] (0 – 120 V)

P-882.11

3×2×9

6,5 ±20 %8 ±20 %

P-882.31

3 × 2 × 13,5

11 ±20H%o c h b e l
13a±20s t%b a r e

P-882.51

3 × 2 × 18

15 ±10 %18 ±10 %

210

12

0,31

70

P-883.11

3×3×9

6,5 ±20 %8 ±20 %

290

36

0,21

135

P-883.31

3 × 3 × 13,5

11 ±20 %13 ±20 %

310

24

0,35

90

P-883.51

3 × 3 × 18

15 ±10 %18 ±10 %

310

18

0,48

70

P-885.115×5×9

6,5 ±20 %8 ±20 %

800

100

0,6

135

P-885.31

5 × 5 × 13,5

11 ±20 %13 ±20 %

870

67

1,1

90

P-885.51

5 × 5 × 18

15 ±10 %18 ±10 %

900

50

1,5

70

P-885.91

5 × 5 × 36

32 ±10 %38 ±10 %

950

25

3,1

40

P-887.31

7 × 7 × 13,5

11 ±20 %13 ±20 %

1700

130

2,2

90

P-887.51

7 × 7 × 18

15 ±10 %18 ±10 %

1750

100

3,1

70

P-887.91

7 × 7 × 36

32 ±10 %38 ±10 %

1850

50

6,4

40

P-888.31

10 × 10 × 13,5

11 ±20 %13 ±20 %

3500

267

4,3

90

P-888.51

10 × 10 × 18

15 ±10 %18 ±10 %

3600

200

6,0

70

P-888.91

10 × 10 × 36

32 ±10 %38 ±10 %

3800

100

13,0

AWG 32 (Ø 0,49 mm); P-885, P-887, P-888:
AWG 30 (Ø 0,61 mm)
Empfohlene Vorspannung für den
dynamischen Betrieb: 15 MPa
Maximale Vorspannung für konstante
Kraftausübung: 30 MPa

Steifigkeit[N/µm]

Elektrische Kapazität[µF] ±20 %Resonanzfrequenz[kHz] ±20 %

190

24

0,15

135

p210
i e z o Mu s t16e r t e x t 0,2290

Resonanzfrequenz gemessenbei 1 Vpp, unbelastet, beidseitig frei.
Bei einseitiger Einspannung halbiert
sich der Wert
Kapazität gemessen bei 1 Vpp, 1 kHz, RT
Betriebsspannungsbereich: -20 bis +120 V

40
Betriebstemperaturbereich: -40 bis+150 °C
Sonderausführungen und andere Spezifikationen auf Anfrage.

 

* Optional mit lötbaren Kontakten
erhältlich; dazu die letzte Ziffer der Bestellnummer in 0 ändern (z. B. P-882.10)
Piezokeramik PIC 252
Standardanschlüsse: 100 mm PTFEisolierte Anschlusslitzen, P-882, P-883:

Blockierkraft[N] (0 – 120 V)






PICMA® Stack Aktoren, L, A, B siehe Tabelle

7

WpW
Rn
Ao
MlI o
Cg
.D
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z .oPtI eCcE hyEKundenspezifische Ausführungen
P I C M A ® S TA C K P I E Z O A K T O R E N

Verschiedene Kopfstücke
Sphärische Endstücke. PI Ceramic hält passende Kopfstücke in Standardabmessungen vor und montiert sie vor
Auslieferung. Applikationsspezifische Endstücke sind auf
Anfrage fertigbar.

PICMA® Aktoren für höchste Dynamik
Für hochdynamische Anwendungen sind die Multilayeraktoren mit Elektroden für besonders hohe Ströme bis 20 A
versehen. Zusammen mit einem geschalteten Hochleistungsverstärker wie z. B. dem E-618 sind hohe Betriebsfrequenzen im kHz-Bereich erreichbar. Die Anstiegszeiten
bis zur Nominalauslenkung liegen bei einigen zehn Mikrosekunden.

PICMA® Multilayeraktoren mit vollkeramisch isolierter
Innenbohrung
Durch eine neuartige Fertigungstechnologie können Multilayer-Piezoaktoren auch mit Innenbohrungen hergestellt
werden. Mit speziellen Bearbeitungstechniken werden die
Löcher bereits in den ungesinterten Aktor eingebracht. Wie
bei den PICMA® Standardaktoren entsteht im Co-FiringProzess von Keramik und Innenelektroden die durchgehende keramische Isolierschicht, die den Piezoaktor vor
Luftfeuchtigkeit schützt und seine Lebensdauer gegenüber
herkömmlich polymerisolierten Aktoren deutlich erhöht.
PICMA® Piezostapelaktoren mit zusätzlicher Innenbohrungsind ideal geeignet z.B. für Fiber-Stretching Anwendungen.
PICMA® Aktoren mit Bohrung werden auf Anfrage gefertigt.

8

Hohe Betriebstemperatur bis 200 °C
Für besonders hochdynamische Anwendungen bzw.
hohe Umgebungstemperaturen gibt es Varianten von
PICMA® Multilayeraktoren, die bei Temperaturen bis zu
200 °C zuverlässig arbeiten können.

P Iw
Ew
Z O. p
T iEcCeHrNa OmLi O
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cG
. dYe

Gekapselte PICMA® Stack PiezoaktorenFÜR RAUE INDUSTRIEUMGEBUNGEN

P-885 • P-888
Überlegene Lebensdauer

Hohe Steifigkeit

UHV-kompatibel bis 10-9 hPaµs-Ansprechzeit

Sub-nm-Auflösung



Gekapselte PICMA® Stack Multilayer-Piezoaktoren
mit Inertgasfüllung
Betriebsspannung -20 bis 120 V. UHV-kompatibel bis
10-9 hPa. Variante für Betrieb in Spritzwasser, Umgebung
mit hoher Luftfeuchtigkeit oder Öl
 








   

     Bestellnummern

Abmessungen
OD × L[mm]

Nominalstellweg[µm](0–100 V)

Max.
Stellweg[µm](0–120 V)

Blockierkraft[N](0–120 V)

Steifigkeit[N/µm]

Elektrische Kapazität [µF]±20%

Resonanzfrequenz[kHz] 20%

P-885.55

11,2 × 22,5

14 ±10 %17 ±10 %

850

50

1,5

60

P-885.95

11,2 × 40,530 ±10 %36 ±10 %

900

25

3,1

35

P-888.55

18,6 × 22,5

14 ±10 %17 ±10 %

3400

200

6,0

60

Piezokeramik PIC 252
Standardanschlüsse: 100 mm PTFE-isolierte
Anschlusslitzen, AWG 30 (Ø 0,61 mm)
Resonanzfrequenz gemessen bei 1 Vpp,
unbelastet, beidseitig frei. Bei einseitiger






Flexibel durch zahlreiche
Ausführungsvarianten

Einspannung halbiert sich der Wert
Kapazität gemessen bei 1 Vpp, 1 kHz, RT
Betriebsspannungsbereich: -20 bis +120 V
Betriebstemperaturbereich: -40 bis +150 °C
Sonderausführungen auf Anfrage!






Wassergeschützte Vollkapselung

 
 

Gekapselte PICMA® Aktoren, Abmessungen in mm

Gekapselte PICMA® Stack Aktoren können auch dann verwendet werden, wenn
Öl, Spritzwasser oder dauerhaft hohe Luftfeuchtigkeit die Applikationsumgebung
bestimmen. Die Piezoaktoren sind von Inertgas umgeben

WpW
Rn
Ao
MlI o
Cg
.D
i eW
z .oPtI eCcE hyE

9PICMA® Chip Aktoren
M I N I AT U R M U LT I L AY E R - P I E Z O A K T O R E N

PL0xx • PD0xx

Mögliche Modifikationen
PTFE-isolierte Anschlusslitzen. Verschiedene Geometrien,
Innenbohrung. Überschliffene Keramikendflächen
Einsatzgebiete
Industrie und Forschung. Für Lasertuning, Mikrodosierung,
LifeScience

Ultrakompakt:
ab 2 x 2 x 2 mm
Ideal für den dynamischen
Betriebµs-Ansprechzeit

Sub-nm-Auflösung



Piezolinearaktor mit PICMA® Multilayer-Technologie
Betriebsspannung -20 bis 100 V. Keramische Isolierung,polymerfrei. Unempfindlich gegen Luftfeuchtigkeit.
UHV-kompatibel bis 10-9 hPa, kein Ausgasen, hohe Ausheiztemperatur. Varianten mit quadratischem oderringförmigem QuerschnittÜberlegene Lebensdauer

Flexibel durch zahlreiche
Ausführungsvarianten

BestellAbmesnummer* sungenA x B x TH
[mm]

Auslenkung**[µm] ±20 %(0 – 100 V)

Blockierkraft[N](0 – 100 V)

PL022.30

2x2x2

2,2

> 120

25

600

PL033.30

3x3x2

2,2

> 300

75

600

PL055.30

5x5x2

2,2

> 500

250

600

PL088.30

10 x 10 x 2

2,2> 20001100

600

Auslenkung**[µm] ±20 %(0 – 100 V)

Blockierkraft[N](0 – 100 V)

Elektrische
Kapazität[nF] ±20 %AxialeResonanzfrequenz[kHz]

BestellAbmesnummer* sungen
OD × ID × TH
[mm]

Elektrische
Kapazität[nF] ±20 %AxialeResonanzfrequenz[kHz]

PD050.30

5 x 2,5 x 2,45 2,0

>400

110

500

PD080.30

8 x 4,5 x 2,45 2,0

>1000

300

500

** Optional mit 100 mm PTFE-isolierten
Anschlusslitzen, AWG 32 (Ø 0,49 mm);dazu die letzte Ziffer der Bestellnummer in 1 ändern (z. B. PL022.31)** Die Werte beziehen sich auf das freie
Bauelement und können sich im
verklebten Zustand reduzieren.
Piezokeramik PIC 252
Standardanschlüsse: Lötbare Kontakte
Empfohlene Vorspannung für den dynamischen Betrieb: 15 MPa

Maximale Vorspannung für konstante
Kraftausübung: 30 MPa
Axiale Resonanzfrequenz gemessen bei
1 Vpp, unbelastet, beidseitig frei. Bei
einseitiger Einspannung halbiert sich derWert. Laterale Resonanzfrequenzen
können je nach Einbausituation unterhalb
der axialen liegen.
Kapazität gemessen bei 1 Vpp, 1 kHz, RT
Betriebsspannungsbereich: -20 bis +100 V
Betriebstemperaturbereich: -40 bis 150 °C

PICMA® Chip Miniatur Piezoaktor, A, B, TH siehe Tabelle.
Toleranzen A, B für PL022, PL033 ±0,10 mm, für PL055 ±0,15 mm,
für PL088 ±0,20 mm. Toleranz OD für PD080 ±0,30 mm

10

Geeignete Verstärker
E-610 Piezoverstärker / Servocontroller
E-617 Hochleistungs-Piezoverstärker
E-831 Piezoverstärker

Auf Anfrage können PICMA® Chip Piezoaktoren mit vollkeramisch isolierter
Innenbohrung (links) oder mit überschliffenen Keramikendflächen gefertigt
werden (rechts)

W
D eE
wW
wW
w..Pp Ii C
c Ee RrAaM
m Ii Cc.d© Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2011. Änderungen vorbehalten. Aktuelle Revision unter www.pi.ws. 12/02/21.0

PICMA® Bender
VOLLKERAMISCHE BIEGEAKTOREN MIT GROSSEM HUB

PL112 – PL140 •PD410


PICMA® Multilayer-Piezoelemente mit hoher
Zuverlässigkeit
Betriebsspannung 0 bis 60 V. Bidirektionale Auslenkung.
Keramische Isolierung, polymerfrei. UHV-kompatibelbis 10-9 hPa, kein Ausgasen, hohe Ausheiztemperatur.
Zuverlässig auch unter extremen BedingungenAuslenkung bis 2 mm
Kurze Ansprechzeit im
ms-BereichNanometer-Auflösung



Niedrige Betriebsspannung

Auslenkung der PICMA® Biegeaktoren

Einsatzgebiete
Industrie und Forschung, Vakuum. Für Medizintechnik,
Lasertechnik, Sensorik, Automatisierung, pneumatische
Ventile  




     Geeignete Verstärker
E-650 Piezoverstärker für Multilayer-Biegeaktoren

PICMA® Bender Biegeaktoren werden differenziell angesteuert

WpW
Rn
Ao
MlI o
Cg
.D
i eW
z .oPtI eCcE hyE© Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2011. Änderungen vorbehalten. Aktuelle Revision unter www.pi.ws. 12/03/23.0

11

Rechteckige Bieger

Bestellnummer

Betriebsspannung[V]

Auslenkung[µm] ±20 %Freie Länge Lf[mm]

PL112.10*

0–60 (±30)

±80

12

PL122.10

0–60 (±30)

±250

22

PL127.10

0–60 (±30)

±450

27

PL128.10*

0–60 (±30)±450

PL140.10

0–60 (±30)

Bestellnummer
PD410.10*

Abmessungen
L x W x TH [mm]Blockierkraft[N] ±20 %El. Kapazität[µF] ±20 %Resonanzfrequenz[Hz] ±20 %17,8 x 9,6 x 0,65

±2,02 • 1,1

2000

25,0 x 9,6 x 0,65

±1,1

2 • 2,4660

31,0 x 9,6 x 0,65

±1,0

2 • 3,4

380

28

35,5 x 6,3 x 0,75

±0,5

2 • 1,2

360

±1000

40

45,0 x 11,0 x 0,6±0,5

2 • 4,0160

Betriebsspannung[V]

Auslenkung[µm] ±20 %Freie Länge Lf[mm]

Abmessungen
OD x ID x TH [mm]Blockierkraft[N] ±20 %El. Kapazität[µF] ±20 %Resonanzfrequenz[Hz] ±20 %

0–60 (±30)

±270

-

44 x 7 x 0,65

±20

2 • 10,5

1000

Runde Bieger

Optional erhältlich mit 100 mm PTFE-isolierten Anschlusslitzen, AWG 32 (Ø 0,49 mm); dazu die letzte Ziffer der Bestellnummer in 1 ändern (z. B. PL112.11)
Piezokeramik PIC 251, *PIC252
Standardanschlüsse: lötbare Kontakte
Resonanzfrequenz bezogen auf 1 Vpp, einseitig eingespannt mit freier Länge Lf, ohne Masselast. Für PD410.10: Einspannung mit drehbarer Lagerung am Außenumfang
Kapazität gemessen bei 1 Vpp, 1 kHz, RT
Betriebstemperaturbereich: -20 °C bis +85 °C; * -20 °C bis +150 °C
Empfohlene Montage: Epoxidharzklebung. Alle Spezifikationen sind abhängig von den realen Einspannbedingungen und der aufgebrachten mechanischen Last.
Sonderausführungen und andere Spezifikationen auf Anfrage.










 





 



PL112 - PL140.10 Abmessungen in mm.
L, LF, W, TH siehe Datentabelle

 

 



PD410 runder PICMA® Bender, Abmessungen in mm.
ID, OD, TH siehe Datentabelle

12

P Iw
Ew
Z O. p
T iEcCeHrNa OmLi O
w
cG
. dYe

Kundenspezifische Ausführungen
PICMA® BENDER PIEZOAKTORENDie Biegeaktoren P-871 mit aufgebrachten DMS-Positionssensoren bieten geregelte Auslenkungen bis 1,6 mm mit
Ansprechzeiten im Millisekundenbereich. Die integrierten
Sensoren ermöglichen im positionsgeregelten Betrieb
eine wesentlich bessere Linearität und Wiederholbarkeit.
Zur einfachen Installation werden die Aktoren mit Kabeln,
Steckern und einem Montageadapter ausgeliefert.

Multilayer-Kontraktorplatten sind in verschiedenen Geometrien, z.B. quadratisch oder als Scheibe fertigbar und auf Anfrage erhältlich. Diese Platten können z.B. auf Metall- oder
Siliziumsubstraten appliziert werden, um Biege- oder Pumpelemente mit niedrigen Ansteuerspannungen zu realisieren.

Multilayer-Biegeaktoren sind in nahezu beliebigen Konturen
fertigbar. Das Herstellungsverfahren ermöglicht u.a. auch
Innenbohrungen mit vollständiger keramischer Isolierung.
Die Höhe der aktiven Schichten ist variabel ab einer Mindesthöhe von 15 µm, so dass mit Ansteuerspannungen von
nur 10 V gearbeitet werden kann.

Bieger mit unidirektionaler Auslenkung bestehen aus einer
einzigen aktiven Piezokeramikschicht, die mit einem Substrat aus Al2O3-Keramik oder aus Edelstahl verklebt wird.
Verglichen mit dem bimorphen Aufbau erreichen diese Aktoren eine höhere Steifigkeit und eine größere Auslenkung,die allerdings nur in einer Richtung erfolgt.

PICMA Bender sind in kleinsten Abmessungen von wenigen
Millimetern fertigbar. Abgebildet ist eine mit Anschlussdrähten versehene Ausführung mit 4 x 10 mm Kantenlänge,im Vergleich zu einem PL127.10.

WpW
Rn
Ao
MlI o
Cg
.D
i eW
z .oPtI eCcE hyE

13DuraAct Flächenwandler
BIEGSAM UND ROBUST

P-876





Einsatz als Aktor, Sensor
oder Energieerzeuger
Kostengünstig
Minimale Biegeradienbis 12 mm

Flächenwandler
Funktionalität als Aktor- und Sensorkomponente. Nominale
Betriebsspannung von 100 bis zu 1000 V, je nach aktiver
Schichthöhe. Mögliche Energieerzeugung für autarke
Systeme bis in den Milliwattbereich. Applizierbar auch auf
gekrümmten Flächen
Robuster, kostengünstiger Aufbau
Laminierte Struktur aus einer piezokeramischen Platte,
Elektroden und Polymermaterialien. Herstellung durch
blasenfreies Injektionsverfahren. Die Polymerummantelung
dient gleichzeitig als elektrische Isolierung und als mechanische Vorspannung, so dass der DuraAct biegsam ist
Kundenspezifische DuraAct Flächenwandler Flexible Wahl der Größe
 Flexible Wahl der Dicke und damit der Biegsamkeit Flexible Wahl des piezokeramischen Materials
 Variable Gestaltung der elektrischen Anschlüsse
 Kombinierte Aktor/Sensor-Applikationen,auch mit mehreren Piezokeramikschichten
 Multilayer-Piezoelemente Feldanordnungen (Array)

14

Einsatzgebiete
Industrie und Forschung. Applizierbar auch auf gekrümmten
Flächen, oder zur Integration in Strukturen. Für adaptive
Systeme, Energy Harvesting, Strukturüberwachung(Structural Health Monitoring)

PlatteSchematischer Aufbau des Aktors

Geltende Patente
Deutsches Patent Nr. 10051784C1
US-Patent Nr. 6,930,439
Geeignete Verstärker
E-413 DuraAct und PICA Shear Piezoverstärker
E-835 DuraActPiezoverstärker

W
D eE
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m Ii Cc.d© Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2011. Änderungen vorbehalten. Aktuelle Revision unter www.pi.ws. 11/12/23.0

PICA Thru Ringaktoren

Betriebsspannungsbereich [V]Min. laterale
Kontraktion[µm/m]

Rel. laterale
Kontraktion[µm/m/V]

Blockierkraft[N]

Abmessungen[mm]

Min. Biegeradius[mm]

Piezokeramikhöhe [µm]Elektrische
Kapazität[nF] ±20%

P-876.A11-50 bis +200

400

1,6

90

61 x 35 x 0,4

12

100

150

P-876.A12-100 bis +400

650

1,3

265

61 x 35 x 0,5

20

200

90

P-876.A15-250 bis +1000

800

0,64

775

61 x 35 x 0,8

70

500

45

P-876.SP1-100 bis +400

650

1,3

280

16 x 13 x 0,5

-

200

8

H o c h b e l a s t b a r e p i e z o Mu s t e r t e x t

Piezokeramik PIC 255
Standardanschlüsse: Lötpunkte
Betriebstemperaturbereich: -20 bis +150 °C
Sonderausführungen und andere Spezifikationen auf Anfrage.

Beim Anlegen einer Spannung kontrahiert der DuraAct Flächenwandler
in lateraler Richtung

P-876.A (links), P-876.SP1 (rechts), Abmessungen in mm

Elektronikmodule zur Verarbeitung vonSensordaten, zur Ansteuerung des DuraAct Aktors
oder für Energy Harvesting können wandlernah angebracht werden

Angeordnet als Array ermöglichen DuraAct Wandler z.B. die zuverlässigeÜberwachung bzw. Ansteuerung größerer Bereiche

DuraAct Wandler können in verschiedenen Formen gefertigt werden

15

PpIi Ee Zz O
Ol
Lo
Og
Gy
Y
o Tt Ee C
cHhN
noPT-Tube Piezorohre
HOCHDYNAMISCHER BETRIEB MIT GERINGEN LASTEN

PT120 – PT140
Radiale, laterale und axiale
BewegungSub-nm-Auflösung



Ideal für OEM-AnwendungenFlexibel durch zahlreiche
Ausführungsvarianten

Piezoaktor/Scannerrohr
Betriebsspannung bis 1000 V oder bipolar bis ±250 V.
Monolithischer piezokeramischer Aktor mit minimalen
geometrischen Toleranzen. Radiale und axiale Kontraktion,
geringe Belastbarkeit. UHV-kompatible Versionen mit
mehrfach segmentierten Elektroden
Sonderausführungen mit geänderten Spezifikationen
 Materialien Spannungsbereich, Auslenkung Toleranzen
 Applizierte Sensoren
 Erweiterter Temperaturbereich Segmentierung der Elektroden, Umkontakte,umlaufende Isolierstege
 Nichtmagnetisch16

Mögliche Abmessungen Länge L max. 70 mm
 Außendurchmesser OD 2 bis 80 mm
 Innendurchmesser ID 0,8 bis 74 mm
 min. Wanddicke 0,30 mm

Sonderversionen der PT-Tube Piezoscannerrohre mit mehrfach segmentiertenäußeren Elektroden und Umkontakten

Einsatzgebiete
Industrie und Forschung, UHV-Umgebung bis 10-9 hPa. FürMikrodosierung, Mikromanipulation, Scanning Mikroskopie(AFM, STM, etc.), Faserstrecker

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Z O. p
T iEcCeHrNa OmLi O
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© Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2011. Änderungen vorbehalten. Aktuelle Revision unter www.pi.ws. 11/12/23.0

PICA Thru Ringaktoren

Bestellnummer

Abmessungen[mm] L x OD x ID

Max. Betriebsspannung [V]Elektrische Kapazität[nF] ±20%

Max. axiale
Kontraktion [µm]Max. radiale
Kontraktion [µm]PT120.00

20 x 2,2 x 1,0PT130.90

30 x 3,2 x 2,2

500

3

5

0,7

PT130.10

30 x 6,35 x 5,35

500

18

9

1,8

PT130.20

30 x 10,0 x 9,0

500

36

9

3

PT130.40

30 x 20,0 x 18,0

1000

35

9

6

PT140.70

40 x 40,0 x 38,0

1000

70

15

12

H o500c h b e l a s t b a r12
e p i e z o Mu s t e r t e9x t

0,9Angaben für max. Auslenkung jeweils bei max. Betriebsspannung.
Piezokeramik PIC 151
Kapazität gemessen bei 1 Vpp, 1 kHz, RT
Innenelektrode positiv. Standard: innen und außen eingebrannte Silberelektroden. Optional: Außenelektrode Dünnfilm (CuNi, Au)

Scannerrohre
Vierfachsegmentierte Elektroden für XY-Auslenkung, UHV-kompatibel bis 10-9 hPa
Bestellnummer

Abmessungen [mm]L x OD x ID

Max. Betriebsspannung [V]Elektrische Kapazität[nF] ±20%

Max. axiale
Kontraktion [µm]Max. radiale
Kontraktion [µm]Max. XY-Auslenkung [µm]PT230.94

30 x 3,2 x 2,2±250

3,6 x 2,2

9

0,9

±35

PT230.14

30 x 6,35 x 5,35±250

3,6 x 3,4

9

1,8

±16

PT230.24

30 x 10,0 x 9,0±250

3,6 x 7,7

9

3

±10

/ 

Angaben für max. Auslenkung jeweils bei max. Betriebsspannung. Max. XY-Auslenkung bei gleichzeitiger Ansteuerung mit +250 / -250 V an gegenüberliegenden Elektroden.
Piezokeramik PIC 255. Ausheizbar bis 150 °C.
Kapazität gemessen bei 1 Vpp, 1 kHz, RT
Vierfachsegmentierte Elektroden für XY-Auslenkung. Außenelektrode Dünnfilm (CuNi, Au), innen eingebrannte Silberelektroden,' 

2' 

 $$PT-Tube Aktoren, Abmessungen in mm. L, OD, ID siehe Datentabelle

17

WpW
Rn
Ao
MlI o
Cg
.D
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z .oPtI eCcE hyE

PICA Stack Piezoaktoren
HOHE KRÄFTE, GROSSE AUSLENKUNGEN, FLEXIBEL FERTIGBAR

P-007 – P-056
 Stellwege bis 300 μm
 Hohe Belastbarkeit
 Krafterzeugung bis 80 kN
 Sehr zuverlässig: >109 Zyklen
 μs-Ansprechzeit
 Sub-nm-Auflösung

Piezolinearaktor in gestapelter Bauweise
Betriebsspannung 0 bis 1000 V. Lange Lebensdauer ohne
Leistungseinbußen. Große spezifische Auslenkung. Hohe
Kräfte. Betriebstemperaturbereich -20 bis 85 °C
Mögliche Modifikationen
 DMS-Sensoren für Positionsstabilität
 Piezokeramikmaterial
 Spannungsbereich, Auslenkung, Lagendicke Belastbarkeit, Krafterzeugung Geometrie: rund, rechteckig
 Endstücke: flach, sphärisch, Metall, Keramik, Glas,
Saphir etc.
 Integrierte piezoelektrische Kraftdetektorscheiben
 Erweiterter Temperaturbereich, Temperatursensor

Sonderaktor mit kundenspezifischem Kopfstück und applizierten DMS-Sensoren.
Die Polymerschutzschicht kann unterschiedlich gefärbt sein. Standardversionen
werden mit Anschlusslitzen und schwarz umhüllt ausgeliefert

 Unmagnetische Ausführungen Verringerte Längentoleranzen

18

Einsatzgebiete
Industrie und Forschung. Für Hochlast-Präzisionspositionierung, Präzisionsmechanik und -fertigung,
Schaltanwendungen

Geeignete Verstärker
E-464 PICA Piezoverstärker
E-481 PICA Höchstleistungs-Piezoverstärker/Servocontroller
E-470 • E-472 • E-421 PICA Controller

I Ew
zO
wPw
. pT iEcceHrNa OmLi O
cG. dy ePhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2012. Änderungen vorbehalten. Aktuelle Revision unter www.pi.ws. 12/03/08.0

 Flexibel durch zahlreiche
Ausführungsvarianten

PICA Thru Ringaktoren

Bestellnummer

Stellweg (0–1000 V)[μm] -10/+20%

Durchmesser OD[mm]

Länge L[mm] ±0,5

Blockierkraft(0–1000 V) [N]

Steifigkeit[N/μm]Kapazität[nF] ±20%

Resonanzfrequenz [kHz]P-007.00

5

P-007.10

15

7

8

650

130

11

126

33

P-007.20

30

7

29

1000

59

35

64

P-007.40

60

7

54

36

1150

19

130

P-010.00

5

10

20

8

1400

270

21

P-010.10

15

126

10

17

1800

120

64

P-010.20

59

30

10

30

2100

71

130

35

P-010.40

60

10

56

2200

38

260

20

P-010.80

120

10

107

2400

20

510

10

P-016.10

15

16

17

4600

320

180

59

P-016.20

30

16

29

5500

190

340

36

P-016.40

60

16

54

6000

100

680

20

P-016.80

120

16

101

6500

54

1300

11

P-016.90

180

16

150

6500

36

2000

7

P-025.10

15

25

18

11000

740

400

56

P-025.20

30

25

30

13000

440

820

35

P-025.40

60

25

53

15000

250

1700

21

P-025.80

120

25

101

16000

130

3400

11

P-025.90

180

25

149

16000

89

5100

7

P-025.150

250

25

204

16000

65

7100

5

P-025.200

300

25

244

16000

54

8500

5

P-035.10

15

35

20

20000

1300

700

51

P-035.20

30

35

32

24000

810

1600

33

P-035.40

60

35

57

28000

460

3300

19

P-035.80

120

35

104

30000

250

6700

11

P-035.90

180

35

153

31000

170

10000

7

P-045.20

30

45

33

39000

1300

2800

32

P-045.40

60

45

58

44000

740

5700

19

P-045.80

120

45

105

49000

410

11000

10

P-045.90

180

45

154

50000

280

17000

7

P-050.20

30

50

33

48000

1600

3400

32

P-050.40

60

50

58

55000

910

7000

19

P-050.80

120

50

105

60000

500

14000

10

P-050.90

180

50

154

61000

340

22000

7

P-056.20

30

56

33

60000

2000

4300

32

P-056.40

60

56

58

66000

1100

8900

19

P-056.80

120

56

105

76000

630

18000

10

P-056.90

180

56

154

78000

430

27000

7

H 7o c h b e l a s t b17
a r e p i e z850
o Mu s t e r t59
ext

Maximale Vorspannung für konstante
Kraftausübung: 30 MPa
Resonanzfrequenz gemessen bei 1 Vpp,
unbelastet, beidseitig frei. Bei einseiti
ger Einspannung halbiert sich der Wert
Kapazität gemessen bei 1 Vpp, 1 kHz, RT

Piezokeramik PIC 151
Standardanschlüsse: 100 mm PTFE
isolierte Anschlusslitzen, AWG 24(Ø 1,15 mm)
Empfohlene Vorspannung für den
dynamischen Betrieb: 15 MPa

Betriebsspannungsbereich: 0 bis 1000 V
Betriebstemperaturbereich: -20 bis+85 °CStandardendstücke: Stahlscheiben,
je nach Modell 0,5 bis 2 mm dick
Mantelflächen: Schrumpfschlauch

Polyolefin, schwarz
Sonderausführungen und andere
Spezifikationen auf Anfrage.

< OD+0.4< OD+1< OD+3

D2.1 0.05

0.3

< 12

< OD+5

L 0.5

19

PICA Stack, Abmessungen in mm. L, OD s. Datentabelle

wpw
Rn
Ao
mlI o
c .gw
i ew
z .oPtI eccE hyS

PICA Power PiezoaktorenFÜR HOCHDYNAMISCHE ANWENDUNGEN

P-010.xxP –P-056.xxP



Hohe Ansteuerfrequenzen

Hohe Belastbarkeit

Krafterzeugung bis 70 kN

µs-Ansprechzeit

Sub-nm-Auflösung



Piezolinearaktor in gestapelter Bauweise
Betriebsspannung 0 bis 1000 V. Lange Lebensdauer ohne
Leistungseinbußen. Große Auslenkung bei kleiner elektrischer Kapazität. Integrierter Temperatursensor zum Schutzvor Überhitzung. Sehr zuverlässig: >109 Zyklen

20

Mögliche Modifikationen
 Bipolare Ansteuerung DMS-Sensoren für Positionsstabilität
 Piezokeramikmaterial
 Spannungsbereich, Auslenkung, Lagendicke Belastbarkeit, Krafterzeugung Geometrie: rund, rechteckig, Innenbohrung Endstücke: flach, sphärisch, Metall, Keramik,
Glas, Saphir etc.
 Integrierte piezoelektrische Kraftdetektorscheiben Betriebstemperatur bis 200 °C-9 hPa UHV-kompatibel bis 10
 Unmagnetische Ausführungen Verringerte Längentoleranzen

Betriebstemperatur
bis zu 150 °C

Flexibel durch zahlreiche
Ausführungsvarianten

Einsatzgebiete
Industrie und Forschung. Für aktive Schwingungsdämpfung, Präzisionsmechanik und -fertigung, aktive Strukturen(Adaptronik)
Geeignete Verstärker
E-481 PICA Höchstleistungs-Piezoverstärker / Servocontroller
E-470 • E-472 • E-421 PICA Controller
E-464 PICA Piezoverstärker

P Iw
Ew
Z O. p
T iEcCeHrNa OmLi O
w
cG
. dYe

© Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2011. Änderungen vorbehalten. Aktuelle Revision unter www.pi.ws. 11/12/23.0

PICA Thru Ringaktoren

Bestellnummer

Stellweg (0–1000 V)[µm] -10/+20%

Durchmesser OD[mm]

Länge L[mm] ±0,5

Blockierkraft(0–1000 V) [N]

Steifigkeit[N/µm]

P-010.00P

5P-010.10P

15

10
H o c h b e l a s t b18a r e

P-010.20P

30

10

31

2100

P-010.40P

60

10

58

2200

P-010.80P

120

10

111

P-016.10P

15

16

P-016.20P

30

P-016.40P

10

9

1200

240

17

129

p i e z o1800
Mu s t e r t e x120
t

46

64

68

90

37

37

180

20

2300

19

370

10

18

4500

300

130

64

16

31

5400

180

250

37

60

16

58

5600

94

510

20

P-016.80P

120

16

111

5900

49

1000

10

P-016.90P

180

16

163

6000

33

1600

7

P-025.10P

15

25

20

9900

660

320

58

P-025.20P

30

25

33

12000

400

630

35

P-025.40P

60

25

60

13000

220

1300

19

P-025.80P

120

25

113

14000

120

2600

10

P-025.90P

180

25

165

14000

80

4000

7

P-035.10P

15

35

21

18000

1200

530

55

P-035.20P

30

35

34

23000

760

1200

34

P-035.40P

60

35

61

26000

430

2500

19

P-035.80P

120

35

114

28000

230

5200

10

P-035.90P

180

35

166

29000

160

7800

7

P-045.20P

30

45

36

36000

1200

2100

32

P-045.40P

60

45

63

41000

680

4300

18

P-045.80P

120

45

116

44000

370

8800

10

P-045.90P

180

45

169

45000

250

13000

7

P-056.20P

30

56

36

54000

1800

3300

32

P-056.40P

60

56

63

66000

1100

6700

18

P-056.80P

120

56

116

68000

570

14000

10

P-056.90P

180

56

169

70000

390

21000

7

Maximale Vorspannung für konstante
Kraftausübung: 30 MPa
Resonanzfrequenz gemessen bei 1 Vpp,
unbelastet. Bei einseitiger Einspannung
halbiert sich der Wert
Kapazität gemessen bei 1 Vpp, 1 kHz, RT

Piezokeramik PIC 255
Standardanschlüsse: 100 mm PTFEisolierte Anschlusslitzen, AWG 24(Ø 1,15 mm). Temperatursensor PT 1000
Empfohlene Vorspannung für den
dynamischen Betrieb: 15 MPa

Betriebsspannungsbereich: 0 bis 1000 V
Betriebstemperaturbereich: -20 bis+150 °C
Standardendstücke: Stahlscheiben,
je nach Modell 0,5 bis 2 mm dick
Mantelflächen: SchrumpfschlauchKapazität[nF] ±20%

Resonanzfrequenz [kHz]FEP, transparent
Sonderausführungen und andere Spezifikationen auf Anfrage.















 







PICA Power, Abmessungen in mm. L, OD siehe Datentabelle

21

WpW
Rn
Ao
MlI o
Cg
.D
i eW
z .oPtI eCcE hyE

PICA Thru Ringaktoren
HOCHBELASTBARE PIEZOAKTOREN MIT INNENBOHRUNG



Hohe BelastbarkeitSehr zuverlässig: >109 Zyklen

µs-Ansprechzeit

Sub-nm-Auflösung



Flexibel durch zahlreiche
Ausführungsvarianten

Piezolinearaktor in gestapelter Bauweise
Betriebsspannung 0 bis 1000 V. Lange Lebensdauer
ohne Leistungseinbußen. Große spezifische Auslenkung.
Aufbringen einer mechanischen Vorspannung überInnenbohrung möglich
Mögliche Modifikationen
 DMS-Sensoren für Positionsstabilität
 Piezokeramikmaterial
 Spannungsbereich, Auslenkung, Lagendicke Belastbarkeit, Krafterzeugung Geometrie: rechteckig, andere Durchmesser
 Endstücke: flach, Metall, Keramik, Glas,
Saphir etc.
 Integrierte piezoelektrische Kraftdetektorscheiben
 Erweiterter Temperaturbereich-9 hPa UHV-kompatible Versionen bis 10
 Unmagnetische Ausführungen Verringerte Längentoleranzen

22

Einsatzgebiete
Industrie und Forschung. Für Optik, Präzisionsmechanik
und -fertigung, Lasertuning

PICA Thru werden in vielen Größen hergestellt. Standardversionen werden
mit Anschlusslitzen und schwarz umhüllt ausgeliefert. Sonderausführungensind auf Anfrage erhältlich

Geeignete Verstärker
E-464 PICA Piezoverstärker
E-481 PICA Höchstleistungs-Piezoverstärker/Servocontroller
E-462 PICA Piezoverstärker

W
D eE
wW
wW
w..Pp Ii C
c Ee RrAaM
m Ii Cc.d© Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2012. Änderungen vorbehalten. Aktuelle Revision unter www.pi.ws. 12/03/23.0

P-010.xxH –P-025.xxH

Blockierkraft[N] (0–1000 V)

Steifigkeit[N/µm]Kapazität[nF] ±20 %Resonanzfrequenz [kHz]5

PICA Thru Ringaktoren

10

1200

230

15

144

15

10 H o c h b e l a5s t b a r e

110

40

67

P-010.20H

30

10

5

27

1800

59

82

39

P-010.40H

60

10

5

54

1800

29

180

21

P-016.00H

5

16

8

7

2900

580

42

144

P-016.10H

15

16

8

15

4100

270

120

67

P-016.20H

30

16

8

27

4500

150

230

39

P-016.40H

60

16

8

52

4700

78

490

21

P-025.10H

15

25

16

16

7400

490

220

63

P-025.20H

30

25

16

27

8700

290

430

39

P-025.40H

60

25

16

51

9000

150

920

22

P-025.50H

80

25

16

66

9600

120

1200

17

Bestellnummer

Stellweg [µm](0–1000 V) -10/+20 %Durchmesser OD[mm]Durchmesser ID[mm]

Länge L[mm] ±0,5P-010.00H

5

7P-010.10H

Piezokeramik PIC151
Standardanschlüsse: 100 mm PTFEisolierte Anschlusslitzen, AWG 24(Ø 1,15 mm)
Empfohlene Vorspannung für den
dynamischen Betrieb: 15 MPa

Maximale Vorspannung für konstante
Kraftausübung: 30 MPa
Resonanzfrequenz gemessen bei 1 Vpp,
unbelastet, beidseitig frei. Bei einseitiger Einspannung halbiert sich der Wert
Kapazität gemessen bei 1 Vpp, 1 kHz, RT

p i e15z o Mu s1700
tertext

Betriebsspannungsbereich: 0 bis 1000 V
Betriebstemperaturbereich: -20 bis+85 °CStandardendstücke: Keramikringe(passives PZT)
Mantelflächen: außen Schrumpf-

schlauch Polyolefin, schwarz; innen
Epoxidharz
Sonderausführungen und andere
Spezifikationen auf Anfrage.



 

 

 

 

 

 

PICA Thru, Abmessungen in mm

23

PpIi Ee Zz O
Ol
Lo
Og
Gy
Y
o Tt Ee C
cHhNnoPICA Shear Scheraktoren
K O M PA K T E M E H R A C H S E N - A K T O R E N

P-111 – P-151
X-, XY-, XZ- und
XYZ-Versionen

Stellwege bis 10 µm

Sehr zuverlässig: >109 Zyklen



Picometer-Auflösung

µs-AnsprechzeitFlexibel durch zahlreiche
Ausführungsvarianten

Piezo-Scheraktoren
Betriebsspannung -250 bis +250 V. Laterale Bewegung basiert auf dem piezoelektrischen Schereffekt. Hervorragende
dynamische Eigenschaften bei minimalem elektrischem
Leistungsbedarf. Varianten mit Innenbohrung oder für den
Einsatz in kryogener Umgebung und UHV bis 10-9 hPa
Mögliche Modifikationen: Piezokeramikmaterial
 Unmagnetische Ausführungen Spannungsbereich, Auslenkung, Lagendicke,
Querschnittsabmessung Belastbarkeit, Krafterzeugung
 Endstücke: flach, sphärisch, Metall, Keramik, Glas,
Saphir etc.
 Verringerte Längentoleranzen

Achsen- und Kabelzuordnung für PICA Shear Aktoren. GND: 0 V, +: ± 250 V

Einsatzgebiete
Industrie und Forschung, Tieftemperatur-/Vakuumversionen
bis 10-9 hPa. Für Scanning-Anwendungen, Mikroskopie,
Präzisionsmechanik, Schaltanwendungen24

Geeignete Verstärker
E-413 DuraAct und PICA Shear Piezoverstärker
E-508 PICA Piezoverstärker Modul

Prinzip der Scherbewegung. ∆L bezeichnet den Stellweg

W
D eE
wW
wW
w..Pp Ii C
c Ee RrAaM
m Ii Cc.d© Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2012. Änderungen vorbehalten. Aktuelle Revision unter www.pi.ws. 12/04/10.0

PICA Thru Ringaktoren

Bestellnummer

AktiveAchsenStellweg [µm] (-250 bis+250V) -10/+20%

Querschnitt
A x B / ID [mm]Länge L[mm] ±0,3Max. Scherbelastung [N]Axiale Steifigkeit [N/µm]

Kapazität[nF] ±20%

Axiale Resonanzfrequenz [kHz]P-111.01

X

1*

3x3

3,5

20

70

0,5

330

P-111.03

X

3*

1,5

210

P-111.05

X

5

3x3

7,5

20

30

2,5

155

P-121.01

X

1*

5x5

3,5

50

190

1,4

330

P-121.03

X

3*

5x5

5,5

50

120

4,2

210

P-121.05

X

5

5x5

7,5

40

920

7

155

P-141.03

X

3*

10 x 10

5,5

200

490

17

210

P-141.05

X

5

10 x 10

7,5

200

360

28

155

P-141.10X

10

10 x 10

12

200

230

50

100

P-151.03

X

3*

16 x 16

5,5

300

1300

43

210

P-151.05

X

5

16 x 16

7,5

300

20

71

155

P-151.10

X

10

16 x 16

12

300

580

130

100

P-112.01

XY

1 x 1*

3x3

5

20

50

0,5 / 0,5230

P-112.03

XY

3 x 3*

3x3

9,5

10

25

1,5 / 1,5

120

P-122.01

XY

1 x 1*

5x5

5

50

140

1,4 / 1,4

230

P-122.03

XY

3 x 3*

5x5

9,5

40

70

4,2 / 4,2

120

P-122.05

XY

5x5

5x5

14

30

50

7/7

85

P-142.03

XY

3 x 3*

10 x 10

9,5

200

280

17 / 17120

P-142.05

XY

5x5

10 x 10

14

100

190

28 / 2885

P-142.10XY

10 x 1010 x 10

23

50

120

50 / 5050

P-152.03

XY

3 x 3*

16 x 16

9,5

300

730

43 / 43120

P-152.05

XY

5x5

16 x 16

14

300

490

71 / 7185

P-152.10XY

10 x 1016 x 16

23

100

300

130 / 13050

P-123.01

XYZ

1 x 1 x 1*

5x5

7,5

40

90

1,4 / 1,4 / 2,9155

P-123.03

XYZ

3 x 3 x 3*

5x5

15.5

10

45

4,2 / 4,2 / 7,375

P-143.01

XYZ

1 x 1 x 1*

10 x 10

7,5

200

360

5,6 / 5,6 / 11155

P-143.03

XYZ

3 x 3 x 3*

10 x 10

15,5

100

170

17 / 17 / 2975

P-143.05

XYZ

5x5x5

10 x 10

23

50

120

28 / 28 / 47

50

P-153.03

XYZ

3 x 3 x 3*

16 x 16

15,5

300

450

43 / 43 / 73

75

P-153.05

XYZ

5x5x5

16 x 16

23

100

300

71 / 71 / 120

50

P-153.10

XYZ

10 x 10 x 10

16 x 16

40

60

170

130 / 130 / 23030

3 xh3b e l a s t b 5,5
Hoc
a r e p i e z20o Mu s t e45
rtext

Varianten mit Innenbohrung
P-153.10H

XYZ

10 x 10 x 10

16 x 16 / 10

40

20

120

89 / 89 / 160

30

P-151.03H

X

3*

16 x 16 / 10

5,5

200

870

30

210

P-151.05HX

5

16 x 16 / 10

7,5

200

640

49

155

P-151.10HX

10

16 x 16 / 10

12

200

400

89

100

Varianten für kryogene und UHV-Umgebung
P-111.01T

X

1*

3x3

2,2

20

110

2 × 0,25

530

P-111.03T

X

3*

3x3

4,4

20

55

6 × 0,25

260

P-121.01T

X

1*

5x5

2,2

50

310

2 × 0,70

530

P-121.03T

X

3*

5x5

4,4

50

150

6 × 0,70

260

temperatur. Wert reduziert sich bei tiefen
Temperaturen.
Standardendstücke: Keramik (Al2O3, 96 % rein)
Mantelfläche: Epoxidharz
Sonderausführungen und andere Spezifikationen auf Anfrage.

 














 




Varianten für kryogene und UHV-Umgebung
Betriebstemperaturbereich: -269 °C bis+150 °C
Standardanschlüsse: Ta. Kontaktierung
mit leitfähigem Klebstoff oder Schweißen
möglich. Auslenkung gemessen bei Raum-ger Einspannung halbiert sich der Wert.
Kapazität gemessen bei 1 Vpp, 1 kHz, RT
Betriebsspannungsbereich: -250 V bis +250 V
Betriebstemperaturbereich: -20 °C bis +85 °C
Standardendstücke: Keramik (passives PZT)
Mantelfläche: Epoxidharz

* Toleranzen ± 30%
Piezokeramik PIC 255
Standardanschlüsse: 100 mm PTFE-isolierte
Anschlusslitzen, AWG 32 (Ø 0,49 mm)
Axiale Resonanzfrequenz gemessen bei
1 Vpp, unbelastet, beidseitig frei. Bei einseiti-










     


























PICA Shear Aktoren, A, B, L siehe Datentabelle, Abmessungen in mm. Die Achsen- und Litzenzahl ist vom Typ abhängig.
Links: P-1xx.xx und P-1xx.xxH (mit Innenbohrung), rechts: P-1xx.xxT, * <A+2,5 bei Querschnitt 3 x 3
























PpIi Ee Zz O
Ol
Lo
Og
Gy
Y
o Tt Ee C
cH
hN
no



25

Picoactuator®
MEHRACHS-AKTOREN MIT HOCHLINEARER AUSLENKUNG

P-405









Aktor in Stapelbauweise
Betriebsspannung bipolar bis ±500 V. Nahezu hysteresefreie
Auslenkung (<0,2%).
Kein Kriechen. Picoactuatoren sind als Longitudinal- undScheraktoren konfigurierbar bis zu Höhen von 20 mm undmaximalen Stellwegen von ±3 µm
Mögliche Modifikationen-9 hPa UHV-kompatibel bis 10
 Innenbohrung Kopfstücke

P-405, Abmessungen in mm. A, B, L s. Datentabelle

Aktive AbmesAchsen sungen
AxBxL
[mm]

Hohe Dynamik
Ideal für den Betrieb ohne
Positionsregelung
Geringer elektrischer
Leistungsbedarf
Minimale Längentoleranzen

Max.
Stellweg*(-500
bis+500 V)[µm]

AxialeSteifigkeit
[N/
µm]

Max.
Scherbelastung[N]

Elektrische
Kapazität[nF]± 10 %

AxialeResonanzfrequenz[kHz]

Longitudinalaktoren
P-405.05

Z

5 x 5 x 12,5

1

140

10

0,95

160

P-405.08Z

10 x 10 x 12,5 1

550

100

3,75

160

Scheraktoren

Anwendungsgebiete
Industrie und Forschung. Vakuum. Für hochdynamische,ungeregelte Scananwendungen, Kompensation von ungewollten Querbewegungen bei Nanopositioniersystemen("out-of-plane", "out-of-line")

26

Bestellnummer

Bleifreies, kristallines Aktormaterial

P-405.15

X

5 x 5 x 7,5

1

230

20

0,7

-

P-405.18

X

10 x 10 x 7,5

1

900

150

2,75

-

XZ

10 x 10 x 19

1/1

350

50

2,75 /
3,75

105

XZ-Aktoren
P-405.28* Toleranzen ±20%
Piezomaterial PIC 050
Standardanschlüsse: 100 mm PTFE-isolierte Anschlusslitzen, AWG 32 (Ø 0,76 mm)
Axiale Resonanzfrequenz gemessen bei 1 Vpp, unbelastet, beidseitig frei. Bei einseitiger Einspannung halbiert sich der Wert.
Kapazität gemessen bei 1 Vpp, 1 kHz, RT
Betriebsspannungsbereich: -500 V bis +500 V
Betriebstemperaturbereich: -20 °C bis +85 °C
Standardendstücke: Keramik
Mantelflächen: Epoxidharz
Sonderausführungen auf Anfrage!

Picoactuatoren® sind in verschiedenen Konfigurationen herstellbar

W
D eE
wW
wW
w..Pp Ii C
c Ee RrAaM
m Ii Cc.d© Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2011. Änderungen vorbehalten. Aktuelle Revision unter www.pi.ws. 12/04/03.0

Integrierte BaugruppenVon der keramik zur komplettlösung

Keramik in verschiedenen
Integrationsstufen
PIC sorgt für die Integration von Piezokeramiken in das Kundenprodukt. Dazu gehören
sowohl die elektrische Kontaktierung derElemente nach Kundenvorgaben als auchdie Montage in beigestellte Bauelemente,
das Verkleben oder der Verguss. Für den
Kunden beschleunigt das den Herstellungsprozess und verkürzt die Lieferzeiten.
Sensorkomponenten – Transducer
PI Ceramic liefert in großen Serien komplettierte Schallwandler für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche. Dazu gehören unter
anderem OEM Baugruppen für die Ultraschall-Durchflussmesstechnik, Füllstands-,
Kraft- und Beschleunigungsmessung.
Konfektionierte Piezoaktoren
Piezoaktoren können mit Sensoren zur Messung der Auslenkung versehen werden,
und eignen sich dann zur wiederholbaren
Positionierung mit Nanometergenauigkeit.
Häufig werden Piezoaktoren in ein mechanisches System integriert, wobei eine Hebelübersetzung die Stellwege verlängert.
Festkörperführungen sorgen dann für hohe
Steifigkeit und minimieren den seitlichen
Versatz.

Allen gemeinsam ist die Bewegungs­
auflösung im Nanometerbereich und die
lange Lebensdauer und außergewöhnliche Zuverlässigkeit. Die Kombination der
PICMA® Aktoren mit Festkörperführungen
und Präzisionsmesssystemen ergibt Geräte
zur Nanopositionierung in der höchsten Performanceklasse.

PICMA® Piezobiegeaktoren mit
applizierten DMS-Sensoren zur
Messung der Auslenkung

Piezomotoren
Piezokeramiken sind das Antriebselement
für Piezomotoren von Physik Instrumente(PI), die es ermöglichen, die besonderen
Eigenschaften der Piezoaktoren auch überlängere Verstellwege zu nutzen. PILine®
Ultraschall-Piezomotoren ermöglichen sehr
dynamische Zustellbewegungen und sinddabei so kompakt herstellbar, dass sie bereits
in vielen neuen Anwendungen eingesetzt
werden. Piezoschreitantriebe wiederum bieten über mehrere Millimeter die hohen Kräfte, die Piezoaktoren entwickeln. Die patentierten NEXLINE® und NEXACT® Antriebe
von PI mit ihrem komplexen Aufbau aus
Longitudinal-, Scher- und Biegeelementen
sowie entsprechender Kontaktierung werden komplett bei PI Ceramic gefertigt.

Hebelübersetztes System

Vorgespannte Aktoren – Hebel –Nanopositionierung
PICMA® Piezoaktoren von PI Ceramic sinddas Kernstück für Nanopositioniersysteme
von Physik Instrumente (PI). Sie werden inverschiedenen Stufen der Integration angeboten: als einfache Aktoren optional mit Positionssensor versehen, im Gehäuse mitoder ohne Vorspannung, mit Hebelübersetzung für einen vergrößerten Stellweg, bis
hin zum Hochleistungs-Nanopositioniersystem, in dem Piezoaktoren bis zu sechs Achsen über verschleiß- und reibungsfreie
Festkörpergelenke antreiben.

Aktormodule für NEXLINE® und NEXACT® Piezoschreitantriebe

27

piezotechnology

Piezoverstärker für die
Ansteuerung von Piezoaktoren
Au s g a n g s s p a n n u n g s b e r e i c h - 3 0 b i s 1 3 0 V

Einkanaliger Controller E-610
Die Piezoverstärker / Servocontroller E-610
verfügen über einen rauscharmen integrierten Piezoverstärker, der Spitzenströme
von 180 mA im Niederspannungsbereich
abgeben und aufnehmen kann.

 Preisgünstige einkanalige OEM-Lösung

Miniatur-Modul E-831
 Ungeregelte Ansteuerung

OEM-Modul E-660 für quasistatische
Ansteuerung +5 bis +110 V Separate Stromversorgung für bis zu
drei Elektroniken mit bis zu -30 / +130 V
Ausgangsspannung Bandbreite bis zu mehreren kHz

 Ungeregelte Versionen oder
Positionsregelung für DMS- &Kapazitivsensoren Notchfilter für höhere Bandbreite 180 mA Spitzenstrom Steckkontakte für Platinenmontage Stromversorgung inklusive;
Batteriebetrieb möglich Für Kapazitäten bis zu 20 μF
 Weiter miniaturisierbar: Extrem kleine
OEM-Varianten

Leistungsstarkes Piezoverstärkermodul
E-505.10
Speziell für hochdynamische Schaltanwendungen optimiertes Einschubmodul für das
modulare Piezocontrollersystem E-500.
Der integrierte rauscharme Verstärker
liefert Spitzenströme bis zu 10 A im Spannungsbereich von -30 bis +130 V.

28w w w.p i c e r a mi c.d e 10 A Spitzenstrom, Spitzenleistung bis
zu 1000 W
 Kleinsignalbandbreite >15 kHz Rauschen 1,0 mVrms
 Positionsregelung (optional) Digitale Schnittstellen- / Displaymodule(optional)

Hochlineares Verstärkermodul mit
Ladungssteuerung E-506.10
Das Verstärkermodul E-506.10 kannSpitzenströme von 2 A in einem
Spannungsbereich von -30 bis 130 V
abgeben und aufnehmen, und ist fürden Einsatz im Piezocontrollersystem
E-500 vorgesehen.

 280 W Spitzenleistung

Geschalteter Verstärker mit Energierückgewinnung E-617
Leistungsstark und gleichzeitig sparsam
ermöglicht der E-617 den hochdynamischen Dauerbetrieb von Piezoaktoren mit
großer Kapazität. Versionen zur Hutschienenmontage und OEM-Modul erhältlich.

 Spitzenstrom bis 2 A

Hochleistungs-Piezoverstärker E-618
Der E-618 ist speziell auf PICMA® Piezoaktoren mit Anschlüssen für hohe Ströme
abgestimmt. Die Kombination ist vor allem
für hochdynamische Daueranwendungenwie z.B. Prüfeinrichtungen für Einspritzventile geeignet.

 Spitzenstrom bis 20 A

 Integrierte Temperaturüberwachung zum
Schutz vor Überhitzung Optional: Positionsregelung, digitale
Schnittstellen, Display
Die elektrische Schaltung erfordert einenmassefreien Aufbau der Piezosysteme undentsprechende Anschlüsse.

 Hoher Dauerstrom bis 1 A Bandbreite bis 3,5 kHz Dauerstrom bis 0,8 A
 Bandbreite bis 15 kHz Integrierte Auswertung für Temperatursensor
 Optional mit digitalen Schnittstellen29

piezotechnology

Piezoverstärker für die Ansteuerung vonBiege-, Scheraktoren und DuraAct
F Ü R BIEGE - U ND SCHERAKTOREN , D U RAACT WANDLER

Piezoverstärker E-650 für
Multilayer-Biegeaktoren
Biegeaktoren mit Multilayer-Aufbau bieten
große Stellwege mit mittleren Kräften, z.B.
für dynamische Schaltanwendungen Speziell für den Betrieb von dynamischen
Multilayer-Piezobiegeaktoren ohne Positionssensor
 Ausgangsspannungsbereich 0 bis 60 V Zweikanalige Tischausführung oder OEMVersion zum Auflöten auf Platine 300 mA Spitzenstrom

Piezoverstärker E-413 für DuraAct
und PICA Shear
Scheraktoren bieten hohe Linearität, hohe
Steifigkeit und Dynamik.

 Ausgangsspannungsbereich bis -100 bis+400 V oder ± 250V
 100 mA Spitzenstrom OEM-Modul und Tischgerät für PICA
Shear Scherpiezoaktoren OEM-Modul für piezoelektrische DuraAct
Flächenwandler

OEM-Modul E-835: Bipolarer Betrieb
für piezoelektrische DuraAct Flächenwandler
DuraAct Elemente können als Aktor, Sensor
oder Energy Harvester eingesetzt werden.

30

w w w.p i c e r a mi c.d e 120 mA Spitzenstrom Ausgangsspannungsbereich -100 bis+250 V Kompakt: 87 x 50 x 21 mm Hohe Bandbreite bis über 4 kHz

Piezoverstärker für die Ansteuerung von
PICA Piezoaktoren
A U SGANGSSPANN U NG s b e r e i c h BIS 1 1 0 0 V

Modularer HochleistungsPiezoverstärker / Controller E-421, E-471
Hochlast-Piezoaktoren sind für den dynamischen Betrieb vorgesehen. Sie erreichen
Stellkräfte bis zu 30 000 N.

 0,5 A Spitzenstrom

Hochleistungs-Piezoverstärker E-481
Geschalteter Verstärker für hochdynamischen Betrieb von PICA Piezoaktoren mit
hoher Kapazität. Um die ungeregelte Positioniergenauigkeit zu verbessern, können
zusätzlich digitale Linearisierungsalgorithmen implementiert werden. Damit werden
dann Linearitätswerte um 99% erreicht.

 Spitzenstrom bis 2 A

Kompaktes Tischgerät
oder OEM-Modul E-462 (oben)
 Kompakter Einkanalverstärker

PICA Piezoverstärkermodul E-508
 Spitzenstrom bis zu 50 mA Ausgangsspannungsbereich
10 bis 1000 V Netz- oder 12 V Batteriebetrieb Für statischen oder quasi-statischen
Betrieb Ausgangsspannungsbereich 3 bis 1100 Voder bipolar Optional: Positionsregelung, digitale
Schnittstellen, Display Dauerstrom > 0,6 A
 Bandbreite > 10 kHz
 Integrierte Auswertung fürTemperatursensor
 Optional: Positionsregelung, digitale
Schnittstellen, Display

 Ausgangsspannungsbereich 3 bis±1100 V oder bipolar Einschubmodul für E-500 System Für Schaltanwendungen: Spezialversion
E-508.OE (400 mA)
 Positionsregelung (optional) Schnittstellen-/Displaymodule (optional)

31

piezotechnology

Piezoverstärker
T e c h n i s c h e D at e n

	

E-610

E-831

E-503 / E-505 /E-506

E-617 / E-504

E-618

OEM-Modul
MiniaturEinschubmodule
Ladungsgesteuert,
		OEM-Modul
für E-500
E-500 Controller			
Controllersystem system					geschalteter Verstärker,
mit Energierückgewinnung, verschiedene
Ausführungen

Leistungsverstärker mit
hohem
Ladestrom

Ausgangsspannung-30 bis 130 V				-20 bis 120 V /-30 bis 130 V-30 bis 130 V(abh. vom Netzteil)-30 bis 130 V-30 bis 130 V-30 bis 130 V

Eingangsspannung-2 bis 12 V

-2 bis 12 V

-2 bis 12 V

-2 bis 12 V

-2 bis 12 V

-2 bis 12 V

Spitzenstrom

180 mA (<15 ms)

100 mA

140 mA / 2 A / 10 A 2 A

2A

20 A

Dauerstrom

100 mA

50 mA

40 / 215 / 215 mA

215 mA

1A

0,8 A

Rauschen, 0 bis 100 kHz 1,6 mVrms
1 mVrms			<0,5. / <0,7 /1,0 mVrms<0,6 mVrms<30 mVrms, <100 mVpp

2 mVrms (1 µF)

Bandbreite, Kleinsignal

1 kHz

3,5 kHz3 / 5 / 10 kHz

5 kHz

3,5 kHz

15 kHzLinearität

10 bis 15%

10 bis 15%

10 bis 15%

2 bis 5%10 bis 15%

10 bis 15%

Piezoanschluss

LEMO, SteckerLötstifte
LEMO
leiste			

LEMO, 3-polig,
potentialfrei

Klemmen / Steckerleiste, LEMO
LEMO

Abmessungen

7TE/3HE

14TE/3HE

7 bis 14TE/3HE

			 E-505.10

50 x 30 x 14 mm

14TE/3HE

42TE/3HE

Betriebsspannung
12–30 V
-27 V, +127 V. ±15 V E-500 System
E-500 System
23-26 V / E-500 System 100–110 /						220–240 V
Leistungsaufnahme,
<30 W
<15 W
30 / 45 / 55 W
55 W
30 W
bis 160 W
max.
alle: kurzschlussfest
Vollständige Beschreibung und alle technischen Daten s. www.pi.ws

Die Entscheidung für eine Piezoelektronik
hängt von der konkreten Applikation ab. Die
Anforderungen an Genauigkeit, Spitzenstrom
und -spannung, Dynamik und Linearität sindunterschiedlich, hinzu kommen Kriterien wie
zum Beispiel ein eingeschränkter Bauraum,
die Anzahl der Achsen, oder auch die Forderung nach Steuerung über PC. Daher gibt es32

Ihre Applikation ist

Welcher Hochleistungs-Piezoverstärker

hochdynamisch ...

ist geeignet?

Positionieren mit Sub-Nanometergenauigkeit und hervorragender
Stabilität

E-505 Verstärkermodul im Controllersystem
E-500; für Langzeitstabilität optional
Positionsregelung mit kapazitiven oderDehnmessstreifen-Sensoren

Dynamisches Scannen
mit hoher Linearität

E-506 Linearisierter Verstärker mit Ladungssteuerung für maximale Dynamik;
E-505 Leistungsverstärker mit Positionsregelung

Dynamisches Scannen im
Dauerbetrieb

E-617, E-504 geschalteter Verstärker mit Energierückgewinnung für möglichst geringen Energiebedarf

Dynamisches Scannen im
Dauerbetrieb, hohe kapazitive
LastenE-618 mit besonders hohem Ladestrom bis 20 A
für sehr steile Anstiegsflanken
E-505.10 Verstärker mit hohem Ladestrom bis 10 A

Schnelles Schalten,
geringe Zyklenzahl

E-505.10 Verstärker mit hohem Ladestrom bis 10 A;
E-617, E-504 geschalteter Verstärker mit
Energierückgewinnungw w w.p i c e r a mi c.d ekeine Universalelektronik, die sich für alle Anwendungsbereiche gleich gut eignet.
Neben einer großen Auswahl analoger unddigitaler Verstärker und Controller bietet PI
auch kundenspezifische Produktentwicklungen und Anpassungen.
Das umfasst:
D ie komplette Breite unseres Produktspektrums von der elektronischen Komponente über Komplettgeräte als
OEM-Platine bis hin zum modularen,
gehausten SystemF ertigung in kleinen Stückzahlen wie auchin großen SerienD ie Entwicklung anhand spezieller
Produktnormen (landes- oder marktspeziische Standards wie z.B. Medizinprodukte­­gesetz) und die entsprechende
ZertifizierungA npassung der Systeme an spezielle
Umgebungsbedingungen (Vakuum, Weltraum, Reinraum)C opy-Exactly Vereinbarungen

	

E-650

E-413

E-835

für Multilayerfür Scheraktoren /für DuraAct
Bieger, auch als
für DuraAct 		
OEM-Modul			

E-421 / E-47x

E-481

E-462

Modul oder im
Chassis, optionale
Schnittstellengeschalteter Verstärker, mit Energierückgewinnung

auch als
OEM-Gerät

Ausgangsspannung
0 bis 60 V		-250 bis +250 /-100 bis 250 V-100 bis 400 V		

3 bis 1100 Voder bipolarbis 1100 Voder bipolar

10 bis 1000 V

Eingangsspannung-5 bis 5 V-5 bis 5 V / -2 bis 8 V-4 bis 10 V

0 bis 11 V

0 bis 11 V

0 bis 10 V

Spitzenstrom

18 mA

100 mA

120 mA

500 mA2A

0,5 mA

Dauerstrom

6 mA

24 mA

40 mA

100 mA

600 mA

0,3 mA

Rauschen, 0 bis 100 kHz

5 mVrms

100 mV PP (100 nF)

2 mV PP<25 mVrms

150 mVrms

50 mVrms

Bandbreite, Kleinsignal
bis 6 kHz
10 kHzbis 4,2 kHz>10 kHz
<5 kHz						

für statische
AnwendungenSpannungsverstärkung

6 ±0,150 ±1100 ±1100 ±1100 ±1

Piezoanschluss

D-Sub

D-Sub / Steckerleiste Lötpunkte

HV-LEMO

HV-LEMO

HV-LEMO

DC-Offset-

externes Pot.

Pot.

Pot.

Pot.

42TE/3HE-Modulbis 19‘‘ Rack

288 x 450 x 158 mm(19‘‘ Rack)

205 x 150 x 73 mm

25-

Abmessungen
160 x 125 x 50 mm 14 TE/3HE,
87 x 50 x 21 mm
		
220 x 105 x 54 mm		Betriebsspannung

90–240 V

Leistungsaufnahme, max. 30 W

24 V

12 V

100–120/220–240 V 100–120/220-240 V

10–15 V

48 W

18 W

150 W

1W

150 W

alle: kurzschlussfest
Vollständige Beschreibung und alle technischen Daten s. www.pi.ws

Die vollständige Beschreibung der in dieserÜbersicht vorgestellten Produkte finden Sie
bei uns im Internet unter www.pi.ws sowie im
PI Hauptkatalog, den wir auf Wunsch gerne
zusenden.

OEM-Shakerelektronik für
Ultraschallwandler
Je nach benötigtem Hub kann der Spannungs­bereich angepasst werden.
 Kleine Abmessung: 35 x 65 x 50 mm
 Bandbreite bis 20 kHz
 Leistung bis 5 W 24/7 Betrieb

Mikropumpen antreiben
Piezoelemente sind ideale Antriebe fürminiaturisierte Pump- und Dosiersysteme.
 Kompakte OEM-Elektronik Geeignet zur Platinenmontage(Lab-on-a-chip) Frequenz- und Amplitudensteuerung Optional mit Display

33

piezotechnology

Piezotechnologie
I n h a lt s v e r z e i c h n i s

Grundlagen der Piezoelektrizität.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 35
	Piezoelektrischer Effekt, ferroelektrische Polarisation,
Ausdehnung der polarisierten Piezokeramik
Piezoelektrische Aktormaterialien. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 36
Werkstoffe und Eigenschaften
Auslenkungsarten piezoelektrischer Aktoren .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 37
Longitudinale Stapelaktoren 37 – Scheraktoren, Picoactuator® 38
PT-Tube Rohraktoren 39 – Kontraktoren 40 – Biegeaktoren 41
Herstellung von Piezoaktoren .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 42
	Multilayer-Folientechnologie 42 – Presstechnologie 43
PT-Tube Rohraktoren, DuraAct 44
Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 45
Auslenkungsverhalten .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 45
Nichtlinearität 45 – Hysterese, Kriechen 46 – Positionsregelung 47
Temperaturabhängiges Verhalten.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 48
Kräfte und Steifigkeiten .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 50
	Vorspannung, Belastbarkeit, Steifigkeit 50 – Krafterzeugung und Auslenkung,Typische Lastfälle 51 – Aktordimensionierung und energetische Betrachtung 53
Dynamischer Betrieb. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 54
Resonanzfrequenz, Wie schnell kann sich ein Piezoaktor ausdehnen?
Dynamische Kräfte
Elektrische Ansteuerung. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 55
	El. Verhalten, El. Kapazität, Positionierbetrieb 55 – Leistungsaufnahme des Piezoaktors, Wärmeerzeugung im Piezoelement, Kontinuierlicher dynamischer Betrieb 56
Schaltanwendungen, Pulsbetrieb 57
Umgebungsbedingungen.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 58
	Vakuumumgebung, Edelgase, Magnetfelder, Gammastrahlung,Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit, Flüssigkeiten
Zuverlässigkeit von PICMA® Multilayeraktoren.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 59
	Lebensdauer bei Gleichspannungsbelastung 59 – Lebensdauer im dynamischen
Dauerbetrieb 60
Verstärkertechnik: Piezoelektronik zur Ansteuerung von Piezoaktoren.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 61
Charakteristisches Verhalten von Piezoverstärkern .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 61
	Leistungsanforderungen für den Piezobetrieb, Aussteuerkurve,
Einstellen der Steuerspannung
Lösungen für dynamische Daueranwendungen. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 62
	Geschaltete Verstärker mit Energierückgewinnung, Schutz des Piezoaktors durch
Temperaturüberwachung, geltende Patente 62 – Linearisierter Verstärker für Piezoauslenkung ohne Hysterese, Ladungssteuerung, Ladung und Auslenkung 63
Handhabung von Piezoaktoren . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 64
Mechanischer Einbau 64 – Elektrischer Anschluss, sicherer Betrieb 65

34w w w.p i c e r a mi c.d e∆L ∆L
L

+
o

P

L

+
o

Piezoelektrizität

Polarisation
axis
Polarisation
axis

P
(X)

Grundlagen

(X)

1
1

1
1

Ferroelektrische Polarisation

Piezoelektrischer Effekt
TH

3

(1)
(1)

(Z)
3
(Z)
3 6

3
In piezoelektrischen
Materialienbewirkt eine Zur Minimierung der inneren Energie des5
62Druckeinwirkung, dass Ladungen an den
Materials bilden sich in den Kristalliten der5
62
Oberflächen entstehen.P Dieser direkte pie- Keramik ferroelektrische Domänen (Abb. 2).
5P
2(Y)Innerhalb dieser Volumenbereiche sind die
zoelektrische Effekt, auch
Generatoroder542(Y)Orientierungen der spontanen Polarisation
Sensoreffekt genannt,(X)1wandelt
mechani4
1
gleich. Die unterschiedlichen Ausrichtungensche in elektrische Energie
um. Umgekehrt(X)aneinandergrenzender Domänen sind durch
bewirkt in diesen Materialien der inverse piDomänenwände getrennt. Um die Keramik
ezoelektrische Effekt eine Längenänderungauch makroskopisch piezoelektrisch zu mabeim Anlegen einer elektrischen Spannung.
chen, ist ein ferroelektrischer PolungsproDieser L Aktoreffekt wandelt elektrische in Polarisation
Polarisation
axis
axis nötig.
zessmechanische
Energie um.
L

(2)
(2)

∆L
∆L

TH

6

(1) Elementarzelle mit symme- R1R1
C1
trischer,kubischer Struktur
1(r)Radialschwingung
oberhalb der Curie-Tempe1(r)Radialschwingung
ratur TC

3

L1

Impendanz Z

3
3

3(r)
+

–

–

–

–

+

+

+

+

–

–

–

–

+

+

+

+

+

–

+

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––

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++

++

+

–

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––

––

–

+

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++

++

+

–

––

– –

––

–

++
– –

++
––

++
– –

+
–

+ ++ + +– –– – –

++
––

+
–

++

++

+

+

(1)(1)(2)(2)
–

–

+
–

+

+
+

–

–

–

–

+

Das erneute Anlegen eines Feldes unterhalb
der Polungsfeldstärke führt zu einer Ausdehnung der Keramik. Ein Teil dieses Effekts
ist auf die piezoelektrische Ionenverschiebung im Kristallgitter zurückzuführen undheißt intrinsisch.

––

++

+

+

+

+

–
–

––

++

+

–

+

––

++

–

–

–

+

–

+

–

–
–

3(r)

+

–

+

–

Ausdehnung der polarisierten
Piezokeramik(2)(2)fm(2) Tetragonal verzerrte ElemenDickenschwingung
tarzelle unterhalb der CurieTemperatur TC mit Dickenschwingung
spontaner
Polarisation
und spontaner
R1
Dehnung0–(1)

Ti, ZrAbb. 1
3

L1 L1

Ti,
Pb Zr

–

–

+

+ +

(3)(3)

–

TH

+

–

–

+

–

+

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+
–

+ +
– –

+

–

+

–

+
–

+
–

+
–

+
–

+
–

+

+

TH

22
P C/m
P C/m

(2)

Der extrinsische Anteil beruht auf einer reversiblen ferroelektrischen Umorientierung
PbPb
der Elementarzellen. Er erhöht sich mit
P C/m2
Ti,Ti,
ZrZr
wachsender
Ansteuerfeldstärke
und
ist
für
Abb. 2: Der Schnitt durch eine ferroelektrische Keramik zeigt deutlich die unterschiedlich polarisierten
den wesentlichen Teil der nichtlinearen Hys33
P
Domänen innerhalb der einzelnen Kristallite
terese- und Drifteigenschaften von ferro(Quelle: Fraunhofer-Institut für Keramische Technolo1(r)1(r)
elektrischen Piezokeramiken verantwortlich.
Radialschwingung
RadialschwingungOgien und Systeme
IKTS, Dresden)

Dickenschwingung

++ ++

+

–

– –

–

+

+

–

+

-P-P
r r

+
–

+

–

–

–

+

Ec

E kV/cm

35

+
–

+
–
++

–

–

-Pr
33
Längsschwingung
Längsschwingung

3Dickenschwingung
3
3(r)
3(r)

11

piezotechnology
22

E kV/cm
E kV/cm

+

-Ps

+

–

–

–

3
Radialschwingung++

Radialschwingung –+-Ec
Dickenschwingung
Dickenschwingung

–

+

–

Ti, Zr

–

–

+

+

+

–

–

–

+

EcEc
(1) UnpolarisiertePKeramik (2)Radialschwingungs
Keramik während der Polungund (3) Keramik nach der Polung

-P-P
s s

Pb

PsPs

PP

Längsschwingungr r

Ausrichtung der spontanen
Dickenschwingung
Polarisation
innerhalb einer-E-E
c cpiezo-ferroelektrischen
Keramikr1(r)Längsschwingung

Abb. 3

O2O2

2

+

+

(3)

+

(1)

–

(2)

–

+

+

+

+

–

∆L

L
L
+
+
o
o

+
o

P

P
Piezoelektrische Keramiken weisen zusätzPlich eine spontane Polarisation auf, d.h. der(1)1positive und der negative(1)Ladungsschwer(X)punkt der Elementarzellen sind voneinander
getrennt. Gleichzeitig verlängert sich die
Achse der Elementarzelle in Richtung der
spontanen Polarisation und es kommt zu einer spontanen Dehnung (Abb. 1).

Pb
O2

+

L

L

O2

C0C0

––

P

C1C1

(Z)
Dabei wird ein starkes (Z)elektrisches
Feld von33
einigen kV/mm angelegt, das im zuvor ungeordneten Keramikverbund
eine Unsym66
P
metrie erzeugt. PDas
elektrische
Feld sorgt
55
2(Y)
2(Y)
für eine Umorientierung der spontanen
Po44
11
larisation. Gleichzeitig
wachsen Domänen(X)(X)(Z)mit
3 günstiger Orientierung zur Polungsfeldrichtung, solche mit ungünstigerer
OrienC
6
tierung
schrumpfen. Die Domänenwände
werden5 dabei im Gitterverband verschoben.
2(Y)
Nach
dem Polungsprozess
bleibt der größte
4
Teil der Umorientierungen auch ohne elektrisches Feld erhalten (Abb. 3). Ein geringerer Teil der Domänenwände wird jedoch
beispielsweise durch innere mechanische
Spannungen zurück verschoben.

+

P

P

W

P
Der piezoelektrische
Effekt tritt sowohl inWeinkristallinen Materialien als auch in polyL
kristallinen
ferroelektrischen Keramiken auf.
TH
L
In Einkristallen
genügt als Voraussetzung
Polarisation
TH
axis
W
eine Unsymmetrie
im Aufbau
der ElemenWtarzellen desKristallgitters, d.h. eine polare
Achse, die sich unterhalb der Curie-Temperatur
TC herausbildet.
L

–

TH

+

TH

Dickenschwingung
Dickenschwingung

Piezoelektrische AktormaterialienW e r k s t o ff e u n d e i g e n s c h a f t e n

ation
s
C

6

P

5
2(Y)

(X)

1

4

Abb. 4
Orthogonales System zur
Beschreibung der Eigenschaften einer polarisierten
Piezokeramik. Achse 3 ist die
Polarisationsrichtung

1
Kommerziell verfügbare piezokeramische
Werkstoffe basieren meist auf dem Materialsystem Bleizirkonat-Bleititanat(PZT).
ZuL1
C0
sätze anderer Materialien beeinflussen die
Eigenschaften der PZT-Zusammensetzungen.

Serie basiert auf dem einkristallinen
Material
fm
fn
PIC050, das eine hochlineare, hysteresefreie
Kennlinie bei allerdings kleinen piezoelektrischen Koeffizienten aufweist.
Impendanz Z(Z)
3

Aktormaterialien von PI Ceramic

R1

PIC151	Modifizierte PZT-Keramik mit ausgewogenen Aktoreigenschaften.
f
Hohe piezoelektrischeFrequenz
Kopplung,
mittlere Permittivität, relativ hoheCurie-Temperatur.
	Standardwerkstoff für die Produktlinien PICA Stack, PICA Thru und
PT TubeFür aktorische Anwendungen kommen ferroelektrisch weiche Piezokeramiken mit
niedrigen Umpolfeldstärken zum Einsatz, dahier die extrinsischen Domänenbeiträge zu
hohen Gesamt-Piezomodulen führen. Dazu
gehören die Piezokeramiken PIC151, PIC153,
PIC255, PIC252 und PIC251.
Ferroelektrisch harte PZT-Materialien wie
PIC181 und PIC300 werden vorwiegend in
Leistungsschallanwendungen eingesetzt. Sie
besitzen eine höhere Umpolfestigkeit, hohemechanische Güten sowie geringere Hysteresewerte bei reduzierten piezoelektrischen
Deformationskoeffizienten. Die Picoactuator®–

–

–

–

–

+

+

+

+

–

–

–

–

+

+

+

+

–

–

–

–

+

+

+

+

–

–

–

–

+

–

–

+

–

+

–

+
–

+
–

+ +
– –

+

–

+

–

+
–

+
–

+
–

+
–

+

+

+

+

–

+

+

+

(1)
PIC151(2)
PIC153 PIC255/252(3)
PIC050Dichte ρ [g/cm3]

7,80

7,60

7,80

4,70

Curie-Temperatur Tc [°C]

250

185

P 350
C/m2

>500

Relative Permittivitätszahl in Polarisationsrichtung ε 33Τ/ε0 2400
4200
quer zur Polung ε11/ε 01980		

1750
1650

60
85

P20
r

<1

Dielektrischer Verlustfaktor tan δ [10 -3]

20

30

Elektromechanische Eigenschaften
-180
+

550
–
+

–

–

–
–

wingung++

Mechanischer Gütefaktor Q m

15,0		
-Ps

–

400
–

Elastische Nachgiebigkeitskonstantes11E [10 -12 m2 /N]

+

40
80
Ec

+

16,1

19,0		

20,7
-Pr

100

80

50

–

+

-Ec
d15 [pm/V]			

Akustomechanische Eigenschaften

–

–

600

+

500

+

d33 [pm/V]+

Piezoelektrischer Deformationskoeffizient, Piezomodul*
d31 [pm/V]-210		

s 33E [10 -12 m2 /N]

Erläuterungen und weitere Daten siehe Katalog „Piezokeramische Materialien und Bauelemente“* Der Deformationskoeffizient entspricht dem Ladungskoeffizienten bei Piezokomponenten. Der Wert
ist von der Ansteuerfeldstärke abhängig (Abb. 22, S. 45). Die Angabe in der Tabelle bezieht sich auf sehrgeringe Feldstärken (Kleinsignal).

PI Ceramic bietet eine große Vielfalt weiterer Materialien an, darunter
bleifreie Piezokeramiken,
die derzeit vor allem als Ultraschallwandler
3
Längsschwingung
eingesetzt werden.

36

+

–

Physikalische und dielektrische Eigenschaften

wingung

PIC153	Modifizierte PZT-Keramik für große
Auslenkungen.
	Hohe piezoelektrische Deformationskoeffizienten, hohe Permittivität, relativ geringe Curie-Temperatur.
	Sonderwerkstoff für die Produktlinien PICA Stack und PICA Thru sowie für verklebte Biegeaktoren

Für anwendungsspezifische1Eigenschaften können Aktoren aus Sondermaterialien hergestellt
werden, wobei die technische Umsetzung
indiviDickenschwingung
2duell geprüft werden muss. www.piceramic.de

PIC255	Modifizierte PZT-Keramik, die sichbesonders für den bipolaren Betrieb, in Scheraktoren sowie bei
hohen UmgebungstemperaturenPseignet.
	Hohe Umpolfeldstärke (>1kV/mm),
hohe Curie-Temperatur. Standardwerkstoff für die Produktlinien
PICA Power, PICA Shear, PT-Tube
und DuraAct
E kV/cm

W

PIC252	Variante des PIC255-Werkstoffes
mit niedrigerer Sintertemperatur
für den Einsatz im Multilayer-Folienprozess.
	Standardwerkstoff für die Produktlinien PICMA® Stack, PICMA® Chip,
PICMA® Bender sowie einiger
DuraAct-Produkte

L

PIC050	Kristalliner Werkstoff für lineare,hysteresefreie Positionierung mit
kleinen Auslenkungen im offenen
Regelkreis.
	Hervorragende
Stabilität, hohe
3Curie-Temperatur.
	Standardwerkstoff
für die Radialschwingung
Pico1(r)actuator®-Produktlinie
Dickenschwingung1w w w.p i c e r a mi c.d ePiezoelektrische Aktoren

Beispiele für longitudinale Stapelaktoren sind die
Multilayer-Piezoaktoren
PICMA® Stack, PICMA®
V®
Gekapselt,
P
E PICMA Chip,
V
P
E
V
sowie die aus Einzelplatten geklebten Stapelaktoren PICA Stack, PICA
Power, PICA Thru, undPE
der kristalline
PicoactuaPEV
tor®. PP EE
V

L bendAu s l e n k u n g s a r t e nF+

L bend

F-

VF+
V
VF-

V

Bei Ansteuerung mit einem elektrischen
Feld parallel zur Richtung der Polarisation findet im Piezoaktor neben der
Verlängerung in Polarisationsrichtung,die bei Longitudinalaktoren genutzt wird,
gleichzeitig immer eine Kontraktion
orthogonal zur Polarisation statt.
Dieser sogenannte transversale piezoelektrische Effekt wird bei Kontraktoren,
Piezorohren oder Biegeaktoren ausgenutzt.

V
VF-

E
E
E
E

ΔLlong	longitudinale
Auslenkung [m]d33(GS)	longitudinalerV
piezoelektrischer
VV
Großsignal-DeforGND
mationskoeffizient [m/V]n	Anzahl der gestapelten Keramikschichten V
GND
V	Betriebsspannung
[V]

P
P

E
E

P
P

E
E

P

E

P

E

P

E

F+

F-

aktoren aufgebaut, in denen viele Einzellagen mechanisch in Reihe und elektrisch parallel verschaltet sind (Abb. 5).

VF+

Die Wandlungseffizienz elektrischer in mechanische Energie ist für longitudinale
Stapelaktoren hoch. Sie erzielen Nominalauslenkungen von etwa 0,1 bis 0,15 % der
Aktorlänge. Die Nominalblockierkräfte liegen in der Größenordnung von 30 N/mm2
bezogen auf die Aktorquerschnittsfläche. Im
Aktor können damit Werte bis zu mehreren
10.000 Newton erreicht werden.

V
VFL long

In longitudinalen Piezoaktoren wird das
elektrische Feld in der Keramikschicht parallel zur Richtung der Polarisation angelegt.
Dadurch wird eine Dehnung oder Auslenkung in Richtung der Polarisation induziert.
Einzelne Schichten liefern relativ geringe
Auslenkungen. Um technisch nutzbare Auslenkungswerte zu erreichen, werden Stapel-

P
P
P
P

E
E

VF+
VF-

P

V
GND

P
P
P
P
P
P
P
P

E
V

L longLongitudinale Stapelaktoren

P
P

F+

Longitudinale Stapelaktoren eignen sichdurch ihre hohen Resonanzfrequenzen hervorragend für den hochdynamischen BeP
E
trieb. Eine mechanische
Vorspannung
desV
Aktors unterdrücktGNDdynamisch induzierte
Zugkräfte im spröden Keramikmaterial, so
dass Ansprechzeiten im Mikrosekundenbereich und hohe mechanische Leistungen erzeugt werden können.

V

P
P
P
P
P
P
P
P

E
E
E
E
E
E
E
E

GND

Abb. 5∆Llong = n d33(GS) V(Gleichung 1)

37

piezotechnology

Auslenkungsarten (Fortsetzung)Ein typischer Einsatzfall
für Scheraktoren sind
Antriebselemente fürsog. Stick-Slip-Motoren.
P
E
V

P

Außerdem können Scherspannungen nicht
durch eine mechanische Vorspannung kompensiert werden. Beides begrenzt die sinnvolle Aufbauhöhe von Scherstapeln.

L transE

Scheraktoren kombiniert mit Longitudinalaktoren ergeben sehr kompakte XYZ-Stapel
mit hohen Resonanzfrequenzen.

GND

P
E
GND
Scheraktoren
von
PI
P
E
Ceramic werden in den
Produktlinien PICA Shear
und PicoactuatorL angeboten.
trans

P
P
P
P

P
P
P
P
GND

V

E
E
E
E

Picoactuator® Technologie

E
E
E
E

GND

L shear
P
P
P
P

E
E
E
E

Scheraktoren

GND

V
GND

P

V

E

L shear

V

P
P
P
P
P
P
P
P

E
E
E
E
E
E
E
E

GND

Abb. 6
L axial

L lateralIn piezoelektrischen Scheraktoren wird dasEP
elektrische
Feld in der Keramikschicht orE
PEP
thogonal
zur Richtung der Polarisation anE
P
GND
P
E
gelegtP
E und die Auslenkung in Richtung derE
PPolarisation
ausgenutzt. Auch hier summieEP
ren sich in gestapelten Aktoren die Auslenkungen der einzelnen Schichten auf (Abb. 6).
Die Scherdeformationskoeffizienten d15 sindin der Regel die größten der piezoelektrischen Koeffizienten. Bei Ansteuerung mit
den nominalen Spannungen erreichen PICKeramiken Werte d15(GS) bis zu 2000 pm/V. DieL
zulässige Ansteuerfeldstärke ist begrenzt,
um ein Umpolen
der senkrecht orientierten
E
Polarisation zu vermeiden.
radial∆Lshear = n d15(GS) V (Gleichung 2)

P

L axialL radial
E
P

V

P
GND

Wenn Querkräfte auf den Aktor wirken, wird
die Scherbewegung zusätzlich durch eineV
GNDüberlagert. Derselbe Effekt tritt
Biegungbeim dynamischen Betrieb in der Nähe der
Resonanzfrequenz auf.

V

E

V

Picoactuator® Longitudinal- und Scheraktoren bestehen aus dem kristallinen piezoelektrischen Material PIC050. Die spezifische
Auslenkung liegt bei ±0,02 % (Scheraktoren)
bzw. ±0,01 % (Longitudinaler Piezoaktor) der
Aktorlänge und ist damit 10 mal geringer als
für klassische Piezoaktoren aus BleizirkonatBleititanat (PZT). Die Auslenkung ist dabei
hochlinear mit einer Abweichung von nur
0,2 %.

GND

V

38

w w w.p i c e r a mi c.d eAbb. 7:
Gemessene Nichtlinearität eines Picoactuator®

L bend

L trans

VF+
VF-

V
GND

V
P
P

E
E

P
P

E
E

GND

V

P
P
P
P

E
E
E
E

GND

P
P
P
P

E
E
E
E

GND

L shear

L trans

V
GND

P

E

V
E
E

GND

VF+
V
VF-

E

P

E

V

E
E

Rohraktoren
P

E

VF+
V
VF-

P
P
P
P

E
E
E
E

L bend

P
P

P

E
E
E
E

V
GND

E

VE

V

E

L shearL
Rohraktoren sind radial polarisiert. Die
Axiale Auslenkung
Elektroden sind auf den Mantelflächen auflV
V
ΔL= d31(GS)E
P
E
V axial P
so dass das Feld parallel zur Pot
PE
P gebracht,
EVlarisation ebenfalls in radialer RichtungV verV
P
E
GND
läuft. Rohraktoren nutzen den transversalen(Gleichung 3)
PE
piezoelektrischen
Effekt, um AuslenkungenP
E
P
E
sind axiale AuslenPzu Eerzeugen. Möglich
GND
PP EE
V
bzw. Längenänderungen(Abb. 8), VP Pkungen
EE
PP EE
P
E
Bewegungen wieV Änderungen desGND
P Platerale
EE
PE
Radius (Abb. 9), sowie Biegungen (Abb. 10).
lateral

P
P
P
P
P
P
P
P

F-

P

P

E
E
E
E
E
E
E
E

GND

F+

V

F-

GND

P

V

L longPI Ceramic bietet Präzisionsrohraktoren in
der Produktgruppe PT-Tube an.

V
GND

V

Abb. 8L radial

L axialDabei auftretende unerwünschte Verkippungen oder axiale Bewegungen können durch
komplexere Elektrodenanordnungen vermieden werden. So erzeugt eine 8-Elektrodenanordnung eine Gegenbiegung und erPreicht insgesamt eine laterale Verschiebung
GND
V
ohne Verkippung.
E

D

GND

E

Um die Biegung eines Rohres zu erzeugen, wird die äußere Elektrode in mehrere
Abschnitte segmentiert. Durch Ansteue- V RadialeP Auslenkung
E
GND
L
rung der jeweils gegenüber liegenden ElekFür große Radien gilt
troden verbiegt sich das Rohr in lateraler
folgende AbschätRichtung.
zung:lateralRohraktoren werden häufig in Rastersondenmikroskopen zur Erzeugung
dynamischer Scan-Bewegungen
P
Eim
P
E
offenenRegelkreis
sowie
als
FiberstretP
E
P
E
E
P
V
P
E
cher angewendet.
P
P
P

ID V
∆Lradial ≈P d31(GS)
E
2t
P
E

E
P

VF+
V
VF-

V

GND

(Gleichung 4)

GND

P
P
P
P
P
P
P
P

E
E
E
E
E
E
E
E

GND

GND

F+

P

GND

L axial

P
P

P
P
P
P

V

Abb. 9Biegeaktoren,
XY-Scannerrohre∆Llateral = 0.9 d31(GS)L lateral

ΔLshear	Scherauslenkung L
[m]
P
E
V
P
E
E
d15(GS)	piezoelektrischer
P
E
GND
P
E
Großsignal-ScherP
Deformationskoeffizient [m/V]n	Anzahl der gestaV
GND
pelten Keramik-P E
PE
V
schichten
P
E
PE
V	Betriebsspannung[V]
ΔLaxial	axiale Rohrauslenkung [m]ΔLradial	radiale Rohrauslenkung [m]ΔLlateral	laterale Rohrauslenkung [m]VPE
d31(GS)GND
	transversalerpiezoelektrischer
GroßsignalDeformationskoeffizient [m/V]lRohrlänge [m]ID	Rohrinnendurchmesser [m]t	Rohrwandstärke(=(OD-ID)/2) [m]Alle Rohrabmessungens. Datenblatt

radial

L shear

P
P
P
P
P
P
P
P

V

L axial

VF+
V
VF-

l2 V

ID

(Gleichung 5)
V

GND

E
E
E

Weitere Anwendungsbeispiele finden
sich in der Mikrodosierung zum Aufbau
von Nanoliterpumpen oder Tintenstrahldruckern.

GND

V

Abb. 10

piezotechnology

P

GND

V

E

39

Auslenkungsarten (Fortsetzung)
ΔLtrans	transversale Auslenkung [m]d31(GS)	transversalerpiezoelektrischer
Großsignal-Deformationskoeffizient[m/V]l	Länge der Piezokeramik in Auslenkungsrichtung[m]h	Dicke einer Keramikschicht [m]n	Anzahl der gestapelten Keramikschichten
V	Betriebsspannung[V]
ΔLbend	Biegeauslenkung[m]lf	freie Biegerlänge[m] (s. S. 12)
hp	Höhe Piezokeramikelement [m]lfPPpi_120137_illu_09.indd 1

E
E

Rh	Verhältnis der Höhen von Substrat(hs) und Piezokeramikelement(hp) in einem
Verbundbieger(Rh=hs/hp)
RE	Verhältnis der
Elastizitätsmodulevon Substrat (Es)und Piezokeramikelement (Ep) ineinem Verbundbieger (RE=Es/Ep)VF 	Festspannung zur
Biegeransteuerung [V] (V und VF
können mit einer
Offsetspannungüberlagert werden)

Kontraktoren
hP

02.04.12 16:08

Piezokontraktoren sind typischerweise flache
Bauelemente. Ihre Auslenkung erfolgt quer
zur Polarisationsrichtung und zum elektrischen Feld. Die Auslenkung von Kontraktoren beruht auf dem transversalen piezoelektrischen Effekt, wobei nominal bis ca.
20 µm erreicht werden.
Multilayerelemente bieten gegenüber einschichtigen Piezoelementen entscheidende Vorteile für die technische Realisierung:
Aufgrund der größeren Querschnittsfläche
erzeugen sie höhere Kräfte bzw. können sie
mit niedrigerer Ansteuerspannung betrieben werden (Abb. 11).
Durch die Kontraktion entstehen in der
Piezokeramik Zugspannungen, die in der
spröden Keramik Schäden verursachen
können. Eine Vorspannung ist daher empfehlenswert.
Für die Patchaktoren der Produktgruppe
DuraAct wird ein Piezokontraktor in einem

Polymer einlaminiert. Dadurch wird einemechanische Vorspannung erreicht, die die
Keramik vor Bruch schützt (s. S. 14)
Multilayer-Kontraktoren können als Sonderversionen der PICMA® Bender-Produktlinie
angefragt werden (s. S. 13).

ΔLtrans

V
GND

V

P

E

P
P
P
P

E
E
E
E

ΔLtrans = d31 (GS) l V
h
		

GND

Abb. 11(Gleichung 6)

40

1w w w . p i c e rpi_120137_illustrationen_variante.indd
amic.de04.04.12 11:13



: 
,' 




/ 







/)




steht bei der Ansteuerung und Kontraktion
der Keramik ein Biegemoment, welches die
geringe transversale Längenänderung ineine große Biegeauslenkung senkrecht zur
Kontraktion umwandelt. Je nach Geometriesind Übersetzungsfaktoren von 30 bis 40
erreichbar, allerdings auf Kosten der Wandlungseffizienz und der Krafterzeugung.

Aufgebracht auf ein Substrat wirken Kontraktoren als Biegeaktoren (Abb. 12). Für den
Aufbau von Vollkeramikbiegern werden zwei
aktive Piezo­keramikelemente zusammengefügt und elektrisch angesteuert. Wird ein
passives Substrat z.B. aus Metall oder Keramikmaterial verwendet, spricht man von Verbundbiegern. Die Piezokeramikelemente können sowohl als Einzelschichten als auch als
Multilayer-Elemente ausgeführt sein.

P

Abb. 17

Mit piezoelektrischen Biegeaktoren können
Auslenkungen bis zu einigen Millimetern
bei Ansprechzeiten im Millisekundenbereich erzielt werden. Die Blockierkräfte sindjedoch relativ gering. Sie liegen typischerweise im Bereich von Millinewton bis zu wenigen Newton.

Durch die Wahl einer zweiseitigen Einspannung mit drehbarer Lagerung (unten) statteiner einseitigen festen Einspannung (oben) kann das+VF Auslenkung
Verhältnis zwischen
PE
V
und Kraft des Biegers
verändertPE-VF
werden. Die Auslenkung reduziert sich um den Faktor vier
während sich die Blockierkraft
um den Faktor vier erhöht. Besonders hohe Kräfte können
erreicht werden, +V
wenn man stattF
streifenförmiger VBieger
zweiP
E
P
E
-VF flächige
seitig eingespannte
Biegeplatten bzw. –scheiben
einsetzt.

∆LbendPiezoelektrische Biegeaktoren funktionieren
nach dem Prinzip von Thermobimetallen.
Durch die Kopplung eines flächigen Piezokontraktors mit einer zweiten Schicht ent+VFV

7+ 

7+ 

7+ 

/)Biegeaktoren

+VF
V
-VF

P
P

E
E

Abb. 12: Auslenkung von Biegeaktoren

E

P
E
-V
Vollkeramikbieger
für die Parallelschaltung

PI Ceramic bietet vollkerami∆Ltranssche Multilayer-BiegeaktoV
ren mit sehr niedrigen
AnP
E
E
steuerspannungenin derP
GND®
Produktlinie PICMA Benderan. Verbundbieger können als
GND∆Ltrans
Sonderversionen hergestellt
werden, sowohl in Multilayerals auch in Einzelschichtausführung bzw. mit DuraActV
Aktoren.
P
E

F

V

+VF
V
-VF +V

ΔLbend
P
P
F

P
P

E
E

V

P
P
P
P

hp2

VF(Gleichung
7)

V
P
P
P
P

V
GND

ΔLbend =lf 2
3Vn d31(GS)
8
hp2

E
E
E
E

(Gleichung 8)

P
E
P
E
P
E
GND
P
E
(Betrieb gegen die Polarisationsrichtung
nurP mit E

E
E

GND

8

VF+

Abb. 13

Vollkeramikbieger für die Reihenschaltung
+VF
V
-VF

P
E
P
E 2
P3
E lf
P
= n dE

E
E

V
-VF



2' 

: 





GND

V

GND

P
E
reduzierter Spannung bzw.VFeldstärke
P möglich,EPE
vgl. S. 45ff.)

E
E

GND

Abb. 14V
GNDGND

P
PP

E
EE

V
GND

P

E

Abb. 15Symmetrischer
Dreischicht-Verbundbie+V
PE
V
P Parallelschaltung
E
V für die
ger
GND
F

P

-VF

+VF
V
-VF

E

P

E

P

E

V
GND

P

V

E

P
P
P
P
P
PV
∆Lshear P
P

1+Rh
3
l2
V
ΔLbend = n d31(GS) f 2
8
hp 1+1.5Rh+0.75Rh2+0.125RERh3(Gleichung 10)

V
GND

Abb. 16

P

E

E∆Llateral

V
GND

P

E

piezotechnology∆LaxialGleichungenP nachE Pfeifer, G.: Piezoelektrische lineare Stellantriebe. Wiss. Schriftenreihe der TU Chemnitz 6/1982
P

+VF
V
-VF

(Gleichung 9)
Anwendung DuraAct, PICMA® Bender (Sonderversionen)

+VF

V
-VF

V
-VF

shear

∆LlongV+VF

2RhRE (1+RhPP) ∆L EE
3l2
ΔLbend = n d31(GS) f 2
V
V
2E 2
P
(1+R
)2+0.25(1-RR)
8
hp RhREh
P h EE

V

P
P
P
P
P
P
P

E
E
E
E
E
E
E
E

P
P

E
E

P
P
P
P

E
E
E
E

GND

P

∆LbendZweischicht-Verbundbieger
mit einseitiger Auslenkung

+

P

E

GND

E

+

VF+

Abb. 18: Die Produkte des PICMA® Bender-Sortiments sind
Vollkeramikbieger, derenPEzwei PiezokeramikelementePE
jeweils Paus mehrerenaktiven
E
E
P(MultiV Schichten bestehen
GND
PE
layeraktoren
P
Es. S. 11).
P
P

E
E
E
E
E
E
E

V

VF-

E
E

GND

V
GND

41
+VF
V
-VF

GND
E

∆Lradial

Herstellung
Von piezoaktoren

Multilayer-Folientechnologie
Aufbereiten desPiezokeramikpulvers
Verschlickern

Foliengießen

Siebdrucken der Innenelektroden

Stapeln, Laminieren

Isostatisches Verpressen

Schneiden und Grünbearbeitung

Entbindern und Sintern (Cofiring)

Schleifen, Läppen

Aufbringen der Außenelektroden

Polarisieren

Konfektionieren

Endkontrolle

42

Abb. 19: In PICMA® Stack Aktoren
deckt eine keramische Isolierfolie
die inneren Elektroden ab

Multilayer-Folientechnologie
Die Technologien zur Herstellung piezoelektrischer Aktoren tragen entscheidend zu
deren Funktion, Qualität und Effizienz bei.
PI Ceramic beherrscht ein breites Spektrum
an Techniken, von der Multilayer-Folientechnologie für PICMA® Stapel- und Biegeaktoren über geklebte Stapelaktoren fürLongitudinal- und Scherauslenkungen bis
hin zum Aufbau kristalliner Picoactuator®
Aktoren, der DuraAct Flächenwandler undpiezokeramischer Rohre.
PI Ceramic Multilayeraktoren, kurz PICMA®,
werden in größeren Chargen in Folientechnik gefertigt. Zunächst werden dünne PZTFolien hergestellt, die noch im ungesinterten
Zustand mit dem Innenelektrodenmuster
bedruckt und anschließend zu einem Multilayerverbund laminiert werden. Im darauffolgenden Cofiring-Prozess werden Keramik
und Innenelektroden gemeinsam gesintert.
Das fertige, monolithische Multilayer-Piezoelement hat keinerlei Polymeranteile mehr.
Die Innenelektroden aller PICMA® Aktoren
sind keramisch isoliert (Abb. 19). PICMA®
Stack-Aktoren verwenden dazu einen patentierten Aufbau, bei dem eine dünne keramische Isolierfolie die Elektroden abdeckt,
ohne die Auslenkung signifikant einzuschränken.

Je feinkörniger das verwendete Keramikpulver ist, umso dünnere Multilayer-Schichten
können hergestellt werden. In PICMA® Stack
Stapelaktoren beträgt die Höhe der aktiven Schichten 60 µm, in PICMA® BenderAktoren 20 bis 30 µm, so dass die Bieger
mit einer sehr geringen Nominalspannung
von nur 60 V betrieben werden können.

In den vergangenen Jahren wurden die Techniken zur
Bearbeitung der Aktoren im ungesinterten Zustandkontinuierlich weiterentwickelt. Daher können auchrunde Geometrien bzw. PICMA® Aktoren mit Innenbohrung hergestellt werden

Für Anwendungen in extrem hohen Luftfeuchtigkeiten bzw. in rauen Industrieumgebungen wurden
hermetisch gekapselte PICMA® entwickelt. Sie sind
mit korrosionsfesten Edelstahlbälgen, Inertgasfüllung, Glasdurchführungen und LaserschweißungenausgerüstetPICMA® Multilayeraktoren werden in unterschiedlichsten Formen hergestellt. Je nach Anwendungsfall können
sie zusätzlich mit angepassten keramischen oder metallischen Endstücken, zusätzlicher Umhüllung, Temperatursensoren usw. konfektioniert werdenw w w.p i c e r a mi c.d ePresstechnologie
PICA Stapelaktoren wie PICA Stack, Thru
oder Shear bestehen aus dünnen piezokeramischen Platten mit einer Standardschichtdicke von 0,5 mm. Zur Herstellung werden
piezokeramische Zylinder oder Blöcke in
Presstechnologie geformt, gesintert und anschließend mit Hilfe von Diamant-Wafersägen in Platten getrennt. Metallische Elektroden werden je nach Material mit Dünn- oder
Dickschichtverfahren aufgebracht, anschließend wird die Keramik polarisiert.

on nicht durch eine ferroelektrische Polung
sondern durch die Schnittrichtung im Einkristall bestimmt. Alle weiteren Verarbeitungs- und Montageschritte ähneln denen
gestapelter PICA Aktoren.

Mischen der Rohstoffe

Kalzinieren, Vorsintern

MahlenSprühtrocknen

Pressen und Formgebung

Der Aufbau zu Stapelaktoren erfolgt durch
Verkleben der Platten, wobei zur Kontaktierung der aufgebrachten Elektroden jeweils
ein dünnes metallisches Kontaktplättchenzwischen zwei Keramikplatten liegt. Ein
Lötschritt verbindet die Kontaktplättchen
miteinander, anschließend wird der fertige
Stapel mit einer Polymerschutzschicht undgegebenenfalls mit einem zusätzlichen
Schrumpfschlauch versehen.
Picoactuator® Piezoaktoren bestehen aus
kristallinen Schichten mit einer Dicke von0,38 mm. Im Unterschied zur Keramik wird
die Orientierung der spontanen Polarisati-

Presstechnologie

Entbindern und Sintern

Läppen, Schleifen, Diamant-Trennsägen

Aufbringen der Elektroden durch
Siebdrucken oder Sputtern

Polarisieren

Fertig konfektionierte Stapelaktoren mit Metallendstück und DMS-Ausdehnungssensor (links), mit Anschlusslitzen, Temperatursensor und transparentem
FEP-Schrumpfschlauch (rechts)

Aufbau- und Verbindungstechnik:
Kleben, ggf. Ultraschall-Bohren fürInnenbohrung, Löten, Umhüllen

Endkontrolle

Die Endverarbeitung der in Presstechnologie hergestellten piezokeramischen Platten ist auf den künftigen Einsatz abgestimmt. Im Bild verschiedene Piezoaktormodule

43

piezotechnology

Herstellung von Piezoaktoren (Fortsetzung)
DuraAct Flächenaktoren/-wandler
Ausgangsprodukt zur Herstellung von
DuraAct Patch-Aktoren sind PiezokeramikKontraktorplatten. Je nach Piezokeramikhöhe werden diese Platten in Presstechnologie(> 0,2 mm) oder Folientechnologie (0,05 bis
0,2 mm) gefertigt. Die Platten werden mit
leitfähigen Gewebelagen, Positionierfolien
und Polyimid-Abdeckfolien zu einem Komposit verbunden.
Der Verbindungsprozess erfolgt in einem
Autoklaven im Vakuum mithilfe eines Injektionsverfahrens. Dadurch entstehen völlig
blasenfreie Laminate höchster Qualität.

Strukturierte Elektroden erlauben die gezielte Ansteuerung der Rohraktoren

PT -Tube Rohraktoren
PT -Tube-Aktoren werden aus piezokeramischen Zylindern gefertigt, die zuvor in Presstechnologie hergestellt wurden. Der Außendurchmesser und die Endflächenparallelität
werden durch spitzenloses Rundschleifen
und Planschleifen präzise eingestellt. Das
Innenloch wird mit einem Ultraschallverfahren gebohrt.

Das Aushärtetemperaturprofil des Autoklaven ist so gewählt, dass eine definierte interne Vorspannung der Piezokeramikplatten
aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien entsteht.
Das Ergebnis dieser patentierten Technologie sind robuste, biegbare Wandlerelemente, die in großen Stückzahlen gefertigt werden können.

Anschließend erfolgt die Metallisierung mit
Dünn- bzw. Dickschichtelektroden und gegebenenfalls die Strukturierung der Elektroden mit einem Laserabtragsverfahren.

Verschiedene Formen von DuraAct
Aktoren mit Keramikplatten in
Press- und Multilayertechnologie

Neben dem beschriebenen Ablauf zur Herstellung von Präzisionsrohren mit engsten
geometrischen Toleranzen steht auch das
preisgünstigere Extrusionsverfahren bei
kleinen Durchmessern zur Verfügung.

44

w w w.p i c e r a mi c.d e

Einlaminierte Keramikschichten in einer DuraAct
Wandleranordnung (Array)

Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren
Au s l e n k u n g s v e r h a lt e nPS

In den PI- und PIC-Datenblättern werden die
freien Auslenkungen der
Aktoren bei Nominalspannung angegeben.

Prem

unipolarsemi-bipolar
unipolarbipolarsemi-bipolar
Srem

bipolar

Ec

-Ec

Ec

Piezoelektrischer Deformationskoeffizient(Piezomodul)

E

Die Anstiege ΔS/ΔE zwischen den beiden Umkehrpunkten der nichtlinearen
Hysteresekurven werden
als piezoelektrische
Großsignal-Deformationskoeffizienten d(GS) definiert(Abb. 21). Wie der progressive Verlauf der Kurven
zeigt, nehmen diese Koeffizienten gewöhnlich mit
steigender Feldamplitude
zu (Abb. 22).

E

a)

b)

Abb. 20: Auslenkung ferroelektrischer Piezokeramiken bei verschiedenen Ansteueramplituden parallel zur
Polarisationsrichtung. Großsignalkennlinien in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke Ea) elektromechanisches Verhalten der longitudinalen Dehnung S, b) dielektrisches Verhalten der Polarisation P

Die spannungsabhängigen Auslenkungskurven von Piezoaktoren haben aufgrund
der extrinsischen Domänenanteile einenstark nichtlinearen und hysteresebehafteten
Verlauf. Aus der Nominalauslenkung kanndaher nicht linear auf Zwischenpositionen
S

ΔS

E
ΔE

d(GS) = ∆S
∆E

(Gleichung 11)

Abb. 21: Unipolare und semibipolare elektromechanische Kennlinien ferroelektrischer Piezokeramiken
und Definition des piezoelektrischen GroßsignalDeformationskoeffizienten d(GS) als Anstieg zwischenden Umkehrpunkten einer Teilhysteresekurve

bei bestimmter Ansteuerung interpoliert
werden. Die elektromechanischen und dielektrischen Großsignalkennlinien von Piezokeramiken verdeutlichen die Charakteristik (Abb. 20). Der Ursprung der Diagramme
wird jeweils durch den thermisch depolarisierten Zustand definiert.
Die Form beider bipolaren Großsignalkennlinien wird vom ferroelektrischen Umpolvorgang beim Erreichen der Koerzitivfeldstärke
EC im Gegenfeld bestimmt. Die dielektrische
Kennlinie zeigt die sehr großen Polarisationsänderungen an diesen Umschaltpunkten. Gleichzeitig schlägt die Kontraktion derKeramik nach der Umpolung wieder in eine
Ausdehnung um, da die Polarisation und
die Feldstärke erneut die gleiche Orientierung besitzen. Diese Eigenschaft verleiht
der elektromechanischen Kennlinie ihre
charakteristische Schmetterlingsform. Ohneelektrisches Feld verbleiben die remanenten
Polarisationen Prem /-Prem bzw. die remanente
Dehnung Srem.
Piezoaktoren werden in der Regel unipolarangesteuert. Eine semibipolare Ansteuerung erhöht die Dehnungsamplitude, verursacht aber eine stärkere Nichtlinearität undHysterese, die sich aus den zunehmenden
extrinsischen Domänenanteilen am Auslenkungssignal ergeben (Abb. 21).

piezotechnologyd(GS) [pm/V]

Nichtlinearität

2000

d15 PIC155 bipolar
d15 PIC255 bipolar
d33 PIC153 unipolar
d33 PIC151 unipolar

1500

d33 PIC255 unipolar
d33 PIC252 unipolar-d31 PIC252 unipolar
1000

500

0
0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

EPP [kV/mm]

Abb. 22: Piezoelektrische Großsignal-Deformationskoeffizienten d(GS)für verschiedene Materialien und
Ansteuerformen bei Raumtemperatur und quasistatischer Ansteuerung. Bei sehr kleinen Feldamplituden stimmen die Werte der
Koeffizienten mit den Materialkonstanten von S. 36 überein

45

Auslenkungsverhalten (Fortsetzung)
Hysterese
Hdisp

ΔL

Kriechen40%
d15 PIC155 bipolar
35%

Max Diff ΔL

d15 PIC255 bipolar
d33 PIC151 unipolar

30%

ΔLmax

d33 PIC252/255 unipolar
d33 PIC153 unipolar

25%
20%
V

Abb. 23: Der Hysteresewert Hdisp ist als Verhältnis
zwischen der maximalenÖffnung der Kurve und dermaximalen Auslenkung
definiert

15%
10%
5%
0%

t

Zeit [s]ΔL(t)	Auslenkung als
Funktion der Zeit[m]
ΔLt=0,1s 	Auslenkung bei
0,1 Sekunden
nach dem Endeder Spannungsänderung [m]γ	Kriechfaktor,
abhängig von den
Materialeigenschaften (ungefähr 0,01 bis 0,02,
entspricht 1 %bis 2 % pro Zeitdekade)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

EPP [kV/mm]

Abb. 24: Auslenkungshysterese Hdisp verschiedener
Aktormaterialien im ungeregelten, spannungsgesteuerten Betrieb für verschiedene Ansteuerformen
bei Raumtemperatur und quasistatischer Ansteuerung

Abb. 25: Auslenkung eines Piezoaktors nach Ansteuerung mit einer Sprungfunktion. Das Kriechenverursacht ungefähr 1% Auslenkungsänderung pro
logarithmischer Zeitdekade

Im ungeregelten, spannungsgesteuerten
Betrieb zeigen die Auslenkungskennlinien piezokeramischer Aktoren eine starke
Hysterese (Abb. 24), die mit zunehmender
Spannung bzw. Feldstärke in der Regel ansteigt. Besonders hohe Werte entstehen bei
Scheraktoren bzw. bei bipolarer Ansteuerung. Verantwortlich für diese Zunahme ist
die steigende Beteiligung extrinsischer Umpolungsvorgänge am Gesamtsignal.

Das Kriechen beschreibt die Änderung derAuslenkung mit der Zeit bei unveränderter
Ansteuerspannung. Die Kriechgeschwindigkeit nimmt logarithmisch mit der Zeit ab.
Die gleichen Materialeigenschaften, die fürdie Hysterese verantwortlich sind, erzeugenauch das Kriechverhalten:
ΔL(t) ≈ ΔLt = 0.1s 1 + γ lg ( t) (Gleichung 12)
			
0.1s
		

Abschätzung der zu erwartenden Auslenkung
Setzt man die Werte aus Abb. 22 in die Gleichungen 3 bis 10 (s. S. 39–41) ein, so kann man daraus die erreichbare
Auslenkung bei einer bestimmten Ansteuerspannung abschätzen. Die Feldstärke kann aus den Schichthöhen
des konkreten Bauelementes und der Ansteuerspannung VPP berechnet werden. Die Schichthöhen der PI CeramicStandardprodukte sind ab S. 42 angegeben.
Die tatsächlich erreichbare freie Auslenkung des Bauelementes hängt von weiteren Faktoren ab, wie der mechanischen Vorspannung, der Temperatur, der Ansteuerfrequenz, den Abmessungen und dem passiven Materialanteil.

46

w w w.p i c e r a mi c.d ePositionsregelung

können die PI Ceramic-Piezoaktoren der
PICA Stack und PICA Power Produktreihe
optional mit applizierten Dehnungsmessstreifen angeboten werden.
In Anwendungen mit rein dynamischer Ansteuerung kann die Hysterese auch ohne
Regelung durch die Verwendung eines Ladungsverstärkers wirkungsvoll auf Werte
von 1 bis 2 % reduziert werden (s. S. 63).

Abb. 26: Eliminieren von Hysterese und Kriechen im
piezokeramischen Aktor durch Positionsregelung

Hysterese und Kriechen der piezokeramischen Aktoren lassen sich am wirkungsvollsten durch eine Positionsregelung imgeschlossenen Regelkreis beseitigen. Zum
Aufbau von positionsgeregelten Systemen

PI bietet eine breite Palette von positions-geregelten Piezosystemen mit
kapazitiven Sensoren oder Dehnmessstreifen an. Durch Kombination vonAktor und Sensor mit einer geeigneten
Führungsmechanik, einem rauscharmen Verstärker sowie entsprechenden
Regelalgorithmen erreichen diese
Systeme Positioniergenauigkeiten im
Sub-Nanometer-Bereich.
www.pi.ws

47

piezotechnology

Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren
T e m p e r a t u r a b h ä n g i g e s V e r h a lt e n

S

S

Srem

S

Srem

Srem
Ec

E

Ec

E

Ec

E

Abb. 27: Bipolare elektromechanische Großsignal-Kennlinie piezokeramischer Aktoren bei verschiedenen Temperaturen. Von links: Verhalten bei
tiefen Temperaturen, bei Raumtemperatur, bei hohen Temperaturen

Relative Auslenkung

Maßgeblich ist die Temperaturabhängigkeit
der remanenten Dehnung und der Koerzitivfeldstärke unterhalb der Curie-Temperatur.
Dadurch ändern sich zum einen die erreichbare Auslenkung bei elektrischer Ansteuerung und zum anderen die Abmessungendes Piezokeramikelements.

100%
unipolar 0 bis 120 V
80%

60%bipolar -120 bis 120 V
40%

Auslenkung in Abhängigkeit von derTemperatur

20%

0%

Je kühler der Piezoaktor ist, umso größer
sind die remanente Dehnung Srem und die
Koerzitivfeldstärke Erem (Abb. 27). Die Kennlinien verlaufen bei abnehmenden Temperaturen immer flacher, wodurch der durch eine
unipolare Ansteuerung induzierbare Dehnungsanteil immer geringer wird, obwohl die
Gesamtamplitude der bipolaren Dehnungskurve sich über weite Temperaturbereichekaum verändert. Die remanente Dehnung ist
umso größer je geringer die Temperatur ist.
Insgesamt hat die Piezokeramik einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, d.h. die Piezokeramik verlängert sich.
Zum Vergleich: Eine Strukturkeramik zieht
sich bei Abkühlung mit einem relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zusammen. Dieser überraschende Effekt ist
umso stärker, je vollständiger die Piezokeramik polarisiert ist.

1

10

100

1000
Temperatur [K]Abb. 28: Relative Abnahme der Auslenkung am
Beispiel eines PICMA® Stack Aktors im kryogenen
Temperaturbereich bei verschiedenen Ansteuersignalen bezogen auf die Raumtemperatur-Nominalauslenkung48

w w w.p i c e r a mi c.d e

Wie stark sich eine Kenngröße des Piezoaktors mit der Temperatur ändert, ist vom
Abstand zur Curie-Temperatur abhängig.
PICMA® Aktoren besitzen eine relativ hoheCurie-Temperatur von 350 °C. Ihre Auslenkung ändert sich zu hohen Einsatztemperaturen nur um den Faktor 0,05 %/K.

Abmessung in Abhängigkeit von derTemperatur
Der Temperaturausdehnungskoeffizient eines vollkeramischen PICMA® Stack Aktors
beträgt näherungsweise -2,5 ppm/K. Dagegen führen in einem PICA Stack-Aktor die
zusätzlichen Metall-Kontaktplättchen sowie
die Klebstoffschichten zu einer nichtlinearen
Charakteristik mit einem positiven Gesamtkoeffizienten (Abb. 29).

Temperatureinsatzbereich
Der Standardtemperatureinsatzbereich verklebter Aktoren beträgt -20 bis 85 °C. Durch
die Wahl von Piezokeramiken mit hohen Curie-Temperaturen und geeigneten Klebstoffen kann dieser Bereich erweitert werden.
Die meisten PICMA® Multilayer-Produktesind für den erweiterten Bereich von -40 bis
150 °C spezifiziert. Mit speziellen Loten kann
der Temperaturbereich noch weiter nachoben ausgedehnt werden, so dass Sondermodelle von PICMA® Aktoren von ‑271 °C
bis 200 °C, d.h. über eine Spanne von nahezu 500 K einsetzbar sind.

Therm. Dehnung [%]Bei kryogenen Temperaturen verringert
sich die Auslenkung. Piezoaktoren erreichen bei unipolarer Ansteuerung im Temperaturbereich von flüssigem Helium noch
10 bis 15 % der Auslenkung bei Raumtemperatur. Deutlich höhere Auslenkungen bei
tiefen Temperaturen können durch eine bipolare Ansteuerung erzielt werden. Da die
Koerzitivfeldstärke bei Abkühlung ansteigt(Abb. 27), ist es möglich, den Aktor mit höheren Spannungen auch entgegen seiner
Polarisationsrichtung anzusteuern.

0.08

0.06

0.04

Wird ein Positioniersystem im geschlossenen Regelkreis betrieben, so eliminiert
dies neben Nichtlinearität, Hysterese undKriechen auch die Temperaturdrift. Die dafür vorzuhaltende Regelreserve reduziert
jedoch die nutzbare Auslenkung.
Daher wird häufig die Temperaturdrift durcheine geeignete Auswahl der beteiligten Materialien, der Aktortypen oder des Systemdesigns passiv kompensiert. Beispielsweisehaben vollkeramische PICMA® Bender Aktoren aufgrund ihres symmetrischen Aufbaus
eine minimale Temperaturdrift in Auslenkungsrichtung.

0.02
PICMA® Stack
0
PICA Stack / PICA Power-0.02
E = 1 kV/mm
ohne Vorspannung-0.04
Messrichtung
-0.06
-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100
Temp. [°C]

Abb. 29: Temperaturausdehnungsverhalten von PICMA® und PICA Aktoren bei elektrischer
Großsignalansteuerung49

piezotechnology

Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren
Kräfte und Steifigkeiten

Vorspannung und Belastbarkeit
E* 	effektiver Elastizitätsmodul:
linearer Anstieg
einer SpannungsDehnungs-Kurve
eines Probekörpers oder -aktors
aus dem entsprechenden Piezokeramikmaterial(Abb. 30)
A	AktorquerschnittsflächelAktorlänge

Die Dauerzugfestigkeiten spröder Piezokeramik- und Einkristallaktoren sind mit Werten
im Bereich von 5 bis 10 MPa relativ gering.
Daher wird empfohlen, die Aktoren in derAnwendung mechanisch vorzuspannen. Die
Vorspannung sollte so niedrig wie möglich
gewählt werden. Erfahrungsgemäß genügen
zur Kompensation von dynamischen Kräften
15 MPa (s. S. 54), bei konstanter Belastungsollten 30 MPa nicht überschritten werden.
Querkräfte bewirken in kurzen Aktoren
hauptsächlich Scherspannungen. Bei längeren Aktoren mit größerem Aspektverhältnis werden zusätzlich Biegespannungenerzeugt. Die Summe beider Spannungenergeben maximale Querbelastbarkeiten, die
für die PICA Shear-Aktoren im Datenblatt
angegeben sind (s. S. 24). Die Werte können
auf Aktoren mit ähnlicher Geometrie übertragen werden. Grundsätzlich wird jedoch
empfohlen, die Aktoren durch Führungselemente vor Querkräften zu schützen.
Steifigkeit
Die Aktorsteifigkeit kA ist ein wichtiger Parameter zur Berechnung von Krafterzeugung,Resonanzfrequenz und Systemverhalten.
Piezokeramische Stapelaktoren zeichnensich durch sehr hohe Steifigkeitswerte bis
zu einigen Hundert Newton pro Mikrometeraus. Zur Berechnung dient folgende Gleichung:kA Stack = E* Al(Gleichung 13)

Biegeaktoren hingegen haben um mehrere
Größenordnungen geringere Steifigkeiten

von einigen Newton pro Millimeter. Neben
der Geometrie hängt die Steifigkeit auchbei ihnen vom effektiven Elastizitätsmodul
E* ab. Die Form der Spannungs-DehnungsKurven (Abb. 30) ist aufgrund mechanischer
Depolarisationsvorgänge ähnlich nichtlinear und hysteresebehaftet wie die derelektromechanischen Kennlinien (Abb. 21).
Darüber hinaus hängt die Kurvenform vonden jeweiligen elektrischen Ansteuerbedingungen, der Ansteuerfrequenz und dermechanischen Vorspannung ab, so dassWerte in einem Bereich von 25 bis 60 GPa
gemessen werden können. In der Folge ist
es daher schwer, einen allgemeingültigen
Steifigkeitswert zu definieren.
Für die Angabe der technischen Daten
für Piezoaktoren wird die quasistatische
Großsignalsteifigkeit bei gleichzeitiger Ansteuerung mit einer hohen Feldstärke bzw.
Spannung und geringer mechanischer Vorspannung bestimmt. Damit wird ein ungünstiger Betriebsfall betrachtet, d.h. in einer Anwendung ist die reale Aktorsteifigkeit
häufig höher.
Die Klebeschichten in den PICA Aktoren
reduzieren die Steifigkeiten nur wenig.
Durch den Einsatz optimierter Technologiensind die Klebespalte nur wenige Mikrometerhoch, so dass die Großsignalsteifigkeit gegenüber Multilayeraktoren ohne Klebstoffschichten nur um ca. 10 bis 20 % geringer
ist.
Einen weit stärkeren Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit hat das Aktordesign, z. B.
ballige Kopfstücke mit einem relativ nachgiebigen Punktkontakt zur Gegenfläche.

Grenzen der Vorspannung
Bereits bei einigen Zehn MPa beginnt der Aktor mechanisch zu depolarisieren. Eine Großsignalansteuerung repolarisiert den Aktor, wodurch einerseits zwar die induzierte Auslenkung zunimmt, andererseits aber die effektiven Kapazitäts- und Verlustwerte ansteigen, was nachteilig für die Lebensdauer des Bauelementes ist.
Eine Druckvorspannung erzeugt partiell auch Zugspannungen (s. S. 64). Daher besteht bei sehr hohen Vorspannungen
die Gefahr, dass die Zugspannungsfestigkeit lokal überschritten wird. Die Größe der möglichen Vorspannung wird
nicht durch die Festigkeit des keramischen Materials bestimmt. Piezoaktoren erreichen Druckfestigkeiten von mehr als
250 MPa.
50w w w.p i c e r a mi c.d eKrafterzeugung und Auslenkung

Typische Lastfälle
Die Aktorsteifigkeit kA kann aus dem Arbeitsdiagramm (Abb. 32) entnommen werden:
V
V(Gleichung 14)80
V60

kA = Fmax∆L0V

Sie entspricht dem invertierten Anstieg
der Kennlinie. Mit dem Aktor kann bei entsprechender Last und Ansteuerung jeder
Auslenkung-Kraft-Punkt auf und unterhalb
der Nominalspannungs-Kennlinie erreicht
werden.

40
V
20
V

Die Nominalauslenkung ΔL0 ist in den technischen Daten eines Aktors spezifiziert. Zur
Ermittlung des Wertes wird der Aktor frei,
d. h. ohne Vorspannung durch eine Feder,
betrieben, so dass bei der Auslenkung keine
Kraft erzeugt werden muss. Nach dem Anlegen der entsprechenden Spannung wird die
Auslenkung gemessen.

ΔL0

0
10

Nominalauslenkung

Δl

0
12

Die Erzeugung von Kraft oder Auslenkung
im Piezoaktor lässt sich am besten aus
dem Arbeitsdiagramm entnehmen (Abb.
32). Jede Kennlinie wird durch zwei Werte
bestimmt: die Nominalauslenkung und die
Blockierkraft.

rück gedrückt. Die dafür notwendige Kraft
ist die Blockierkraft.

Fmax

F

Abb. 32: Arbeitsdiagramm eines
PICMA® Stack Aktors bei unipolarer Ansteuerung mit verschiedenen SpannungenAuslenkung ohne Vorspannung, Last mit
geringer Steifigkeit

Blockierkraft
Die Blockierkraft Fmax ist die maximal vom
Aktor erzeugte Kraft. Diese Kraft wird erzielt,
wenn man die Auslenkung des Aktors vollständig blockiert, d. h. er arbeitet gegen eine
Last mit unendlich hoher Steifigkeit.
Da eine solche Steifigkeit real nicht existiert,
wird die Blockierkraft folgendermaßen gemessen: Die Aktorlänge vor Ansteuerung
wird erfasst. Anschließend wird der Aktor
ohne Last bis zur Nominalauslenkung ausgelenkt und mit einer ansteigenden externen Kraft bis auf die Ausgangsposition zuS

ΔT
T
nal
sig

Arbeitet der Piezoaktor gegen eine Federkraft, verringert sich seine induzierte Auslenkung, da sich bei der Stauchung derFeder eine Gegenkraft aufbaut. Bei denmeisten Anwendungen von Piezoaktoren ist
die effektive Steifigkeit der Last kL deutlich
geringer als die des Aktors kA. Die resultierende Auslenkung ΔL liegt daher nahe an
der Nominalauslenkung ΔL0:
∆L ≈ ∆L0

kA
kA + kL(Gleichung 15)

Die Auslenkung-Kraft-Kurve in Abb. 31
rechts wird als Arbeitskennlinie des AktorFeder-Systems bezeichnet. Der Anstieg derArbeitskennlinie Feff /ΔL entspricht der Laststeifigkeit kL.

in

Δl

Δl

G

ro

ßs

ig

na

l

Kle

ΔS
ΔL0
ΔL

A

V0

ΔL
B
kL

kL

V0

Abb. 30: Spannungs-Dehnungs-Kennlinie eines
piezokeramischen Stapelaktors bei Ansteuerung mit
einer hohen Feldstärke, um mechanische Depolarisationen zu vermeiden. Der lineare Anstieg ΔT/ΔS
definiert den effektiven Großsignal-Elastizitätsmodul
E*(GS). Kleinsignalwerte der Elastizitätsmodule sindimmer größer als Großsignalwerte

kA

A

kA

V

Abb. 31: Lastfall geringe Federsteifigkeit ohne Vorspannung: Skizze, AuslenkungsSpannungs-Diagramm,
Arbeitsdiagramm mit ArbeitskennlinieBpiezotechnology

0V

Feff

Fmax

F

51

Kräfte und Steifigkeiten (Fortsetzung)ΔlKrafterzeugung ohne Vorspannung,
Last mit hoher Steifigkeit

Δl

ΔL0

ΔL0

Wenn große Kräfte erzeugt werden sollen,muss die Laststeifigkeit kL größer als die des
Aktors kA sein (Abb. 33):

A

kL

B

ΔL

V0

kA

A

kA

V0

ΔL
0V

V

kL
Feff

F

Fmax

Abb. 33: Der Aktor arbeitet ohne Vorspannung gegeneine Last mit hoher Steifigkeit. Von links: Skizze,
Auslenkungs-Spannungs-Diagramm, Arbeitsdiagramm mit Arbeitskennlinie

B

Δl

ΔL0
A

ΔL

V0

ΔL
B

V0

A

0V

V

Feff

Fmax

F

Abb. 34: Nichtlineare Last ohne Vorspannung: Skizze,
Auslenkungs-Spannungs-Diagramm, Arbeitsdiagramm mit Arbeitskennlinie

B

Δl

ΔL0
V0
ΔL’0
B
~ΔL0
m

V0

V

F

Fv
0V
F’max

A

B

(Gleichung 16)

Die sorgfältige Krafteinleitung ist bei diesem
Lastfall besonders wichtig, da im Aktor große mechanische Spannungen entstehen.
Um eine hohe Lebensdauer zu erreichen,müssen lokale Zugspannungen unbedingt
vermieden werden (s. S. 50).

Als Beispiel eines Lastfalls, bei dem einenichtlineare Arbeitskennlinie entsteht, ist
in Abb. 34 eine Ventilsteuerung skizziert.
Der Start der Auslenkung entspricht dem
Betrieb ohne Last. In der Nähe des Ventilschlusses wirkt eine stärkere Gegenkraft
durch die Fluidströmung. Beim Erreichen
des Ventilsitzes wird die Auslenkung nahezu vollständig blockiert, so dass sich nur die
Kraft erhöht.
Große konstante Last
Wird auf den Aktor eine Masse gelegt, führt
die Gewichtskraft FV zu einer Stauchung desAktors.

ΔlA

kLkA + kL

Nichtlineare Last ohne Vorspannung,Öffnen und Schließen eines Ventils

Δl

ΔL0

Feff ≈ Fmax

F’

Abb. 35: Lastfall große Masse: Skizze, AuslenkungsSpannungs-Diagramm, Arbeitsdiagramm mit
Arbeitskennlinie

Die Nullposition bei Beginn der darauffolgenden Ansteuerung verschiebt sich entlang der Steifigkeitskennlinie des Aktors.
Während der darauffolgenden Ansteuerung
entsteht keine zusätzliche Kraft, so dass die
Arbeitskennlinie näherungsweise dem Verlauf ohne Vorspannung entspricht.
Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist
die Dämpfung von Schwingungen einer Maschine mit großer Masse.

Beispiel: Die Steifigkeit steigt deutlich, wenn der Aktor elektrisch mit einer hohen Impedanz betrieben wird, wie sie bei
Ladungsverstärkern gegeben ist (s. S. 63). Bei mechanischer Belastung wird eine Ladung generiert, die aufgrund derhohen Impedanz nicht abfließen kann, und daher ein versteifendes Gegenfeld erzeugt.
52w w w.p i c e r a mi c.d eFedervorspannungΔlWird die mechanische Vorspannung durcheine relativ weiche Feder in einem Gehäuse aufgebracht, findet die gleiche Verschiebung auf der Steifigkeitskennlinie wie beim
Auflegen der Masse statt (Abb. 36). Bei
elektrischer Ansteuerung erzeugt der Aktor
jedoch eine kleine zusätzliche Kraft und die
Auslenkung wird durch die Vorspannfedergegenüber dem Fall ohne Last etwas reduziert (Gleichung 15). Die Steifigkeit der
Vorspannfeder sollte daher mindestens eine
Größenordnung unter der des Aktors liegen.

Δl

ΔL0

ΔL0
A
ΔL’0

KL

Fv

V0

B

V

A

F’max

F’

Abb. 36: Lastfall Federvorspannung: Skizze, AuslenkungsSpannungs-Diagramm, Arbeitsdiagramm mit Arbeitskennlinie

B

Wirkungsgrad und Energiebilanz eines
piezoaktorischen Systems

Bei longitudinalen Stapelaktoren ist die Aktorlänge die bestimmende Größe für die
Auslenkung ΔL0. Bei Nominalfeldstärken von
2 kV/mm sind Auslenkungen von etwa
0,10 bis 0,15 % der Länge erzielbar. Die
Querschnittsfläche bestimmt die Blockierkraft Fmax. Hier können etwa 30 N/mm² erreicht werden.

Die Berechnung und Optimierung des Gesamtwirkungsgrades eines piezoaktorischen Systems hängt von der Effizienz der
Verstärkerelektronik, der elektromechanischen Wandlung, des mechanischen Energietransfers und der möglichen Energierückgewinnung ab. Grundsätzlich handelt
es sich bei dem Großteil der elektrischen
und mechanischen Energien um Blindenergien, die unter Abzug der Verluste, z.B.
durch Wärmeentwicklung, wieder zurückgewonnen werden können. Damit können, vor
allem in dynamischen Anwendungen, sehreffiziente Piezosysteme aufgebaut werden.

Die Energiemenge Emech, die beim Betrieb eines Aktors von elektrischer in mechanische
Energie umgewandelt wird, entspricht der
Fläche unter der Kennlinie in Abb. 37. Vondieser Gesamtmenge kann jedoch nur ein
Bruchteil Eout an die mechanische Last abgegeben werden. Das mechanische System
ist energetisch optimiert, wenn die Fläche
ihr Maximum erreicht. Dieser Fall tritt ein,wenn die Laststeifigkeit und die Aktorsteifigkeit gleich sind. Die im Arbeitsdiagramm
hellblau dargestellte Fläche entspricht diesem Betrag. Ein longitudinaler Piezoaktor
kann ca. 2 bis 5 mJ/cm³ mechanische Arbeit verrichten, ein Biegeaktor erreicht etwa
10fach geringere Werte.

F

kL

0 V F’eff

Aktordimensionierung und energetische
Betrachtung

Für die erzielbare mechanische Energie
Emech=(ΔL0 Fmax)/2 ist demzufolge das Aktorvolumen der bestimmende Parameter.

FV

V0

Δl
ΔLo

ΔL
Eout
Emech

Feff

Fmax

F

Abb. 37: Mechanische Energiebeträge im Arbeitsdiagramm eines Piezoaktors mit Federlast:gewandelte mechanische Energie Emech undabgegebene mechanische Energie Eout

53

piezotechnology

Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren
Dynamischer Betrieb

Abb. 38: Auslenkung eines ungedämpften Piezosystems nach Ansteuerung mit einem
Spannungssprung. Die Nominalauslenkung wird nach etwa einem Drittel der Periodendauer erreicht

Resonanzfrequenzm	Masse des Piezoaktors
zusätzliche Last

M

φ	Phasenwinkel[Grad]f0 	Resonanzfrequenzohne Last [Hz]f0' 	Resonanzfrequenz
mit Last [Hz]Fdyn 	dynamische Kraft[N]

Tmin ≈

Die in den technischen Daten angegebenen
Resonanzfrequenzen von longitudinalen
Stapelaktoren beziehen sich auf den beidseitig freien Betrieb. In einer Anordnung mit
einseitiger Einspannung muss der Wert halbiert werden.
Der reduzierende Einfluss einer zusätzlichen
Last auf die Resonanzfrequenz kann mit folgender Gleichung abgeschätzt werden:
meff

√m‘

meff 	effektive Masse
Piezostapelaktor[kg]

f0‘ = f0

meff' 	effektive Masse
Piezostapelaktor
mit Last [kg]Piezoaktoren werden in Positionieranwendungen deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz betrieben, um die Phasenverschiebung zwischen Ansteuersignal undAuslenkung gering zu halten. Der Phasengang eines Piezosystems entspricht ungefähr dem eines Systems zweiter Ordnung:

ΔL 	Auslenkung(Spitze-Spitze) [m]f 	Ansteuerfrequenz[Hz](Gleichung 17)eff

φ ≈ 2 arctanff0(Gleichung 18)

M

Wie schnell kann sich ein Piezoaktor
ausdehnen?
mmmeff ≈ m/3

meff' ≈ m/3 + M

Abb. 39: Berechnung der effektiven
Masse meff und meff’ eines einseitig
eingespannten Piezostapelaktors
ohne und mit Last

pi_120137_2xneue_illus.indd 1

54nung bewirkt eine schnelle Positionsänderung. Dieses Verhalten ist besonders bei
dynamischen Anwendungen wie z. B. in
der Scanning-Mikroskopie, der Bildstabilisierung, in Ventilsteuerungen, bei der Erzeugung von Schockwellen oder in der aktiven Schwingungsdämpfung erwünscht.
Ein Piezoaktor kann bei schlagartigem Anstieg der Steuerspannung seine nominale
Auslenkung in ungefähr einem Drittel derPeriodendauer seiner Resonanzfrequenz f0
erreichen (Abb. 38).

Schnelles Ansprechverhalten ist eine charakteristische Eigenschaft von Piezoaktoren.
Eine schnelle Änderung der Betriebsspan-

30.03.12 13:40

w w w.p i c e r a mi c.d e1
3f0(Gleichung 19)

In diesem Fall kommt es zu starkem Überschwingen, das durch entsprechende Steuertechnik teilweise kompensiert werden
kann.
Beispiel: Ein Piezoaktor mit einer Resonanzfrequenz bei einseitiger Einspannung f0 =10 kHz kann seine nominale Auslenkung in
30 μs erreichen.
Dynamische Kräfte
Bei geeigneter Ansteuerelektronik können
Piezoaktoren hohe Beschleunigungen voneinigen Zehntausend m/s² erzeugen. Durch
die Trägheit evtl. angekoppelter Massensowie der Aktoren selbst entstehen dynamische Zugkräfte, die durch mechanische
Vorspannungen kompensiert werden müssen (vgl. S. 50 ff).
Im Sinusbetrieb können die maximalen
Kräfte wie folgt abgeschätzt werden:
Fdyn ≈ ±4π2 meff ΔL f 2
2(Gleichung 20)

Beispiel: Die dynamischen Kräfte bei
1.000 Hz, 2 μm Auslenkung (Spitze-Spitze)
und 1 kg Masse betragen ungefähr ±40 N.

Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren
E l e k t r i s c h e ANSTE U ER U NG

Betriebsspannung
PI Ceramic bietet verschiedene Typen vonPiezoaktoren mit unterschiedlichen Schichthöhen an. Daraus ergeben sich nominale
Betriebsspannungen von 60 V für PICMA®
Bender bis zu 1000 V für Aktoren der PICASerien.
Elektrisches Verhalten
Bei Betriebsfrequenzen weit unterhalb der
Resonanzfrequenz verhält sich ein Piezoaktor wie ein Kondensator. Die Auslenkung ist
in erster Näherung proportional zur gespeicherten elektrischen Ladung.
Die Kapazität des Aktors hängt dabei vonder Fläche und Dicke der Keramik sowie denMaterialeigenschaften ab. Bei Aktoren, die
aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Keramikschichten aufgebaut sind, wird
die Kapazität auch durch die Anzahl der
Schichten bestimmt.
In den Aktoren gibt es Leckstromverluste,
die aufgrund des hohen Innenwiderstandes
im μA-Bereich oder darunter liegen.
Elektrische Kapazitätswerte
Die Kapazitätswerte in den technischen Daten sind Kleinsignalwerte, d.h. sie sind gemessen bei Ansteuerung mit 1 V, 1.000 Hz,
20 °C, lastfrei. Die Kapazität der Piezokeramik ändert sich mit der Spannungsamplitude, der Temperatur und der Last auf bis zu

200 % des unbelasteten Kleinsignalwertes
bei Raumtemperatur. Für Berechnungenunter Großsignalbedingungen genügt häufig ein Sicherheitsfaktor von 70 %, der zur
Kleinsignalkapazität addiert wird (Abb. 40).
Die Kleinsignalkapazität C eines Stapelaktors kann wie beim Kondensator abgeschätzt werden:
T A
C = n ε 33hL(Gleichung 21)

Bei fester Aktorlänge l gilt mit n ≈ l/hL:T
C = l ε 33A

hL2

(Gleichung 22)

Demnach hat ein PICMA® Stack-Aktor mit einer Schichthöhe von 60 µm eine ca. 70 mal
höhere Kapazität als ein volumengleicher
PICA Stack-Aktor mit einer Schichthöhe von
500 µm. Die elektrische Leistungsaufnahme
P beider Typen ist aufgrund der Beziehung
P ~ C V2 etwa gleich, da sich die Ansteuerspannung proportional zur Schichthöhe verändert.

C	Kapazität [C]n	Anzahl der Keramikschichten im Aktor
ε33T	Permittivität =ε33 /ε0 (vgl. Tabelle
S. 36) [As/Vm]
A	Aktorquerschnittsfläche [m²]l	Aktorlänge [m]hL	Schichthöhe im
Aktor [m]I

Strom [A]Q

Ladung [C, As]V	Spannung am
Piezoaktor [V]tZeit [s]Positionierbetrieb, statisch und
mit geringer Dynamik
In einem elektrisch geladenen Piezoaktor ist
etwa die Energie E = 12 CV 2 gespeichert. Jede
Ladungsänderung und damit Auslenkungsänderung ist mit einem Ladungstransport
verbunden, der den folgenden Strom I benötigt:
I = dQ = C · dV
dt
dt

(Gleichung 23)

Abb. 41: Aufbau und Kontaktierung
eines gestapelten Piezotranslators

Für langsame Positionsänderungen wird
nur ein geringer Strom benötigt. Zum Halten der Position ist selbst bei hohen Lasten
nur die Kompensation der sehr geringen
Leckströme nötig. Die Leistungsaufnahme
ist entsprechend gering.

Abb. 40: Die elektrische Kapazität wächst mit steigender Ansteuerspannung und Temperatur

Wenn ein geladener Piezoaktor plötzlichvon der elektrischen Quelle getrennt wird,
kommt es zu keiner rapiden Positionsänderung. Die Entladung und damit die Rückkehr
zur Nullposition geschieht kontinuierlichund sehr langsam.

piezotechnology

55

Elektrische Ansteuerung (Fortsetzung)
Betrieb mit Positionsregelung

Dauerstrom, Spitzenstrom
und Kleinsignalbandbreite
für jeden Piezoverstärker
von PI können den technischen Daten entnommen
werden.

Beim Betrieb im geschlossenen Regelkreis
wird die maximale Arbeitsfrequenz auchdurch Phasen- und Amplitudengang desSystems begrenzt. Es gilt: je höher die Resonanzfrequenz der Mechanik, desto höher
kann die Regelbandbreite eingestellt werden. Auch die Sensorbandbreite und Leistungsfähigkeit des Reglers (digital/analog,
Filter- und Reglertyp, Bandbreite) begrenzen die Betriebsbandbreite des Positioniersystems.

P	Leistung, die in
Wärme umgewandelt wird [W]tan δ	dielektrischer
Verlustfaktor (Verhältnis von Wirkzu Blindleistung)fArbeitsfrequenz [Hz]C

Aktorkapazität [F]Leistungsaufnahme des Piezoaktors
In dynamischen Anwendungen nimmt die
Leistungsaufnahme des Aktors linear mit
Frequenz und Aktorkapazität zu. Ein kompakter Piezotranslator mit ca. 100 N Belastbarkeit benötigt bei 1.000 Hz und 10 μm Hub
weniger als 10 Watt Blindleistung, während
ein Hochlastaktor (>10 kN Belastbarkeit) bei
gleichen Bedingungen einige 100 Watt erfordert.

Vpp	Ansteuerspannung(Spitze-Spitze) [V]Wärmeerzeugung in einem Piezoelement
bei dynamischem Betrieb
Da sich Piezoaktoren wie kapazitive Lasten
verhalten, steigen ihre Lade- und Entladeströme mit der Arbeitsfrequenz an. Die dabei im Aktor erzeugte thermische Leistung P
kann wie folgt abgeschätzt werden:P ≈ π · tanδ · ƒ · C · Vpp2
4

(Gleichung 24)

Bei Aktor-Piezokeramik liegt der Verlustfaktor unter Kleinsignalbedingungen in der
Größenordnung von 0,01–0,02. Dadurchwerden bis zu 2 % der elektrischen Leistung,die in den Aktor fließt, in Wärme umgewandelt. Bei Großsignalbedingungen kanndieser auf deutlich höhere Werte ansteigen.
(Abb. 42) Die maximale Arbeitsfrequenz
hängt deshalb auch von der zulässigen Betriebstemperatur ab. Bei hohen Frequenzen und Spannungsamplituden können
Kühlungsmaßnahmen notwendig werden.
PI Ceramic bietet für diese Anwendungenauch Piezoaktoren mit integrierten Temperatursensoren zur Überwachung der Keramiktemperatur an.
Kontinuierlicher dynamischer Betrieb
Um einen Piezoaktor mit gewünschter Dynamik betreiben zu können, muss der Piezoverstärker bestimmten Mindestanforderungengenügen. Zu deren Abschätzung betrachtet
man die Beziehung zwischen Verstärkerausgangsstrom, Betriebsspannung des Piezoaktors und Arbeitsfrequenz.
Ansteuerung mit Sinusfunktion
Bestimmend für den kontinuierlichen Betrieb mit einer Sinusfunktion ist der Effektivoder Dauerstrom Ia des Verstärkers, der inden entsprechenden Datenblättern genannt
ist. Die Dauerstromwerte werden unter den
definierten Umgebungsbedingungen zeitlich unbegrenzt garantiert.

tan δ

Ia ≈ ƒ · C · Vpp

Abb. 42: Dielektrische Verlustfaktoren tan δ für verschiedene
Materialien und Ansteuerformen bei Raumtemperatur und
quasistatischer Ansteuerung. Die
Umrechnung zwischen Spannung
und Feldstärke für konkrete Aktoren erfolgt mit den Schichthöhen,die ab S. 42 angegeben werden.
Der tatsächliche Verlustfaktor im
Bauelement hängt von weiteren
Faktoren ab, wie der mechanischen Vorspannung, der Temperatur, der Ansteuerfrequenz und dem
passiven Materialanteil.

(Gleichung 25)

0,30
PIC255 Scher bipolar
PIC255 longitudinal bipolar

0,25

PIC151 longitudinal unipolar
PIC252/255 longitudinal unipolar

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

EPP [kV/mm]

Für sinusförmige Einzelpulse, die nur fürkurze Dauer ausgeführt werden, kann Gl.
26 angewendet werden. Sie ergibt den notwendigen Spitzenstrom für eine Halbwelle.
Der Verstärker muss diesen Spitzenstrom
mindestens für eine halbe Periodendauer
liefern können. Für wiederholte Einzelpulse
darf das zeitliche Mittel der Spitzenströme
den erlaubten Dauerstrom nicht überschreiten.
Imax ≈ ƒ · π · C · Vpp56

pi_120137_illu_10.indd 1

w w w.p i c e r a mi c.d e

11.04.12 08:24(Gleichung 26)

Kundenspe
Ansteuerung mit Dreiecksfunktion
Für die Ansteuerung eines Piezoaktors mit
einer symmetrischen Dreiecksfunktion sind
sowohl der Dauerstrom als auch der Spitzenstrom des Verstärkers maßgeblich. Die
maximale Betriebsfrequenz eines Verstärkers kann folgendermaßen abgeschätzt
werden:fmax ≈

1C

Ia·(Gleichung 27)

Vpp

Dabei gilt zusätzlich die Nebenbedingung,dass der Verstärker wenigstens Imax = 2 Ia für
die Ladezeit, d.h. für die halbe Periodendauer, liefern kann. Sofern das nicht möglichist, sollte die maximale Arbeitsfrequenz entsprechend niedriger gewählt werden. FürVerstärker, die keinen höheren Spitzenstrom
liefern können oder nicht ausreichend lange, sollte stattdessen mit dieser Gleichunggerechnet werden:
f max≈

1
2·C

·

Ia

(Gleichung 28)

Vpp

Signalform und Bandbreite
Neben der Leistungsabschätzung des Piezoverstärkers ist bei allen von der Sinusform
abweichenden Signalformen die Betrachtung der Kleinsignalbandbreite wichtig.
Je mehr Oberwellen des Ansteuersignals
nicht mehr übertragen werden, umso mehrnähert sich die resultierende Form wieder
der Grundwelle, also einer Sinusform an.
Die Bandbreite sollte daher mindestenszehnmal so hoch sein wie die Grundfrequenz, um eine Signalverfälschung aufgrund der nicht mehr übertragenen Harmonischen zu vermeiden.
Die nutzbare Grenze der Frequenzanteile,denen das mechanische Piezosystem nochfolgen kann, ist in der Praxis die mechanische Resonanzfrequenz. Das elektrische
Ansteuersignal muss daher aber auch keine
deutlich höheren Frequenzanteile enthalten.

Schaltanwendungen,
Pulsbetrieb
Die schnellstmögliche Auslenkung eines
Piezoaktors kann in 1/3 der Periode seiner
Resonanzfrequenz erfolgen (vgl. S. 54). Anstiegszeiten im Mikrosekundenbereich undBeschleunigungen von mehr als 10.000 g
sind möglich, erfordern aber vom Piezoverstärker besonders hohe Spitzenströme.
Dadurch werden schnelle Schaltanwendungen wie z.B. Einspritzventile, Hydraulikventile, Schaltrelais, optische Schalter und adaptive Optik möglich.
Für Ladungsvorgänge mit konstantem
Strom kann mit folgender Gleichung die
Mindestanstiegszeit im Pulsbetrieb ermittelt
werden:t≈C·

Vpp(Gleichung 29)

Imax

Auch hier ist die Kleinsignalbandbreite desVerstärkers bestimmend. Die Anstiegszeit
des Verstärkers muss deutlich kürzer als die
Piezo-Ansprechzeit sein, um die Auslenkung
nicht durch den Verstärker zu begrenzen. Fürdie Praxis gilt die Faustregel, die Bandbreite
des Verstärkers zwei- bis dreimal höher als
die Resonanzfrequenz zu wählen.

Ia	Dauerstrom
des Verstärkers(Source / Sink) [A]PICM

Imax	Spitzenstrom
des Verstärkers(Source / Sink) [A]f	Arbeitsfrequenz [Hz]fmax	maximale Arbeitsfrequenz [Hz]C	Aktorkapazität,
Großsignal[Farad (As/V)]
Vpp	Ansteuerspannung(Spitze-Spitze) [V]t 	Zeit bis Vpp am
Piezoaktor anliegt[s]Dauerstrom und Spitzenstrom für jeden Piezoverstärker von PI können
den technischen Datenentnommen werden.

Vor- und Nachteile einer Positionsregelung
Ein Positionsregler arbeitet immer im linearen Aussteuerbereich der Spannungen undStröme. Da der Spitzenstrom zeitlich begrenzt und daher nicht linear ist, kann er füreine stabile Wahl der Regelparameter nicht
genutzt werden. Dadurch begrenzt die Positionsregelung die Bandbreite und lässt einen Pulsbetrieb, wie beschrieben, nicht zu.

Abb. 43: PICMA® Aktoren mit
patentierten, mäanderförmigen
Außenelektroden für bis zu 20 A
Ladestrom

In Schaltanwendungen kann daher häufig
eine erforderliche Positionsstabilität und
Linearität nicht durch Positionsregelung erreicht werden. Eine Linearisierung kann z.B.
durch die Ladungssteuerung der Verstärker
(s. S. 63) oder durch numerische Korrekturverfahren erreicht werden.
57

piezotechnology

Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren
U m g e b uN g s b e d i n g u n g e n

Bei Fragen zum Einsatz
in besonderen Umgebungen wenden Sie sichan info@piceramic.de.

Piezoaktoren eignen sich für den Betrieb inverschiedensten, teilweise extremen Umgebungsbedingungen. Hinweise zur Anwendung bei hohen Temperaturen bis 200 °C
sowie in kryogenen Umgebungen befinden
sich ab S. 48.
Vakuumumgebung
Dielektrische Stabilität
Die Durchschlagsspannung eines Gases
hängt nach dem Paschen-Gesetz vom Produkt aus dem Druck p und dem Elektrodenabstand s ab. Luft hat sehr gute Isolationswerte bei atmosphärischem Druck und bei
sehr geringen Drücken. Die minimale Durchschlagsspannung von 300 V liegt bei einem
ps-Produkt von 1000 Pa mm. PICMA® StackAktoren mit Nominalspannungen deutlich
unterhalb von 300 V können deshalb bei jedem Zwischendruck betrieben werden. PICA
Piezoaktoren mit Nominalspannungen oberhalb von 300 V sollten hingegen bei Luft im
Druckbereich 100 bis 50000 Pa nicht oder nur
bei stark reduzierten Spannungen angesteuert werden, um Durchschläge zu vermeiden.
Ausgasen
Das Ausgasverhalten hängt von der Bauform und der Konstruktion der Piezoaktoren ab. Hervorragend für den UHV-Einsatz
geeignet sind PICMA® Aktoren, da sie ohne
Polymeranteile hergestellt und bis zu 150 °C
ausgeheizt werden können. UHV-Optionen
mit minimalen Ausgasraten werden auch fürverschiedene PICA Aktoren angeboten.
Edelgase

58

Piezoaktoren sind für den Einsatz in Edelgasen wie z. B. Helium, Argon oder Neon
geeignet. Allerdings müssen auch hier die
druckabhängigen Überschlagsfestigkeiten
der Paschen-Kurven beachtet werden. Fürden Einsatz werden die keramisch isolierten PICMA® Aktoren empfohlen, da deren
Nominalspannung unterhalb der minimalen
Durchschlagsspannungen aller Edelgase
liegt. Bei PICA Aktoren mit höheren Nominalspannungen sollte zur Reduktion desÜberschlagrisikos die Betriebsspannung inbestimmten Druckbereichen herabgesetzt
werden.

w w w.p i c e r a mi c.d eMagnetfelder
Piezoaktoren eignen sich hervorragend fürden Einsatz in sehr hohen Magnetfeldern,z.B. auch bei kryogenen Temperaturen.
PICMA® Aktoren werden komplett ohne ferromagnetische Materialien gefertigt. PICA
Stack-Aktoren können optional ohne ferromagnetische Anteile angeboten werden. Bei
diesen Produkten wurden Restmagnetismen
im Bereich weniger Nanotesla gemessen.
Gammastrahlung
PICMA® Aktoren können auch in hochenergetischer, kurzwelliger Strahlung betrieben
werden, wie sie beispielsweise an Elektronen-Beschleunigern auftritt. In Langzeituntersuchungen wurde der problemfreie
Einsatz bei Gesamtdosen von 2 MegaGray
nachgewiesen.
Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit
Beim Betrieb in trockener Umgebung ist die
Lebensdauer von Piezoaktoren grundsätzlichhöher als in hoher Luftfeuchtigkeit. Bei derAnsteuerung mit Wechselspannungen höherer Frequenz tritt eine Eigenerwärmung der
Aktoren ein, so dass die Feuchtigkeit lokal
sehr gering ist.
Dauerbetrieb mit hohen Gleichspannungenin feuchter Umgebung kann Piezoaktoren
schädigen (s. S. 59). Dies gilt insbesondere
für die Aktoren der PICA Produktreihen, dahier die aktiven Elektroden nur durch eine
Polymerschicht geschützt sind, die von der
Luftfeuchtigkeit durchdrungen werden kann.
Die Aktoren der PICMA® Produktreihen besitzen eine vollkeramische Isolation, welche die
Lebensdauer bei feuchten Umgebungsbedingungen im Vergleich zu polymerumhüllten Aktoren wesentlich verbessert (s. S. 59).
Flüssigkeiten
Für den Einsatz in Flüssigkeiten werden gekapselte PICMA® bzw. speziell gehauste PICA
Aktoren angeboten. Bei allen anderen Aktortypen sollte der direkte Kontakt mit Flüssigkeiten vermieden werden. Ausnahmen
können hochisolierende Flüssigkeiten sein.
In der Regel muss die Kompatibilität der Aktoren mit diesen Flüssigkeiten jedoch in Lebensdauertests geprüft werden.

Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren
Zuv e r l ä s s i g k e i t v o n PICMA ® Mu lt i l a y e r a k t o r e n

Lebensdauer bei Gleichspannungsbelastung
In Nanopositionieranwendungen liegen am
Piezoaktor häufig konstante Spannungenüber längere Zeit an. In diesem Gleichspannungs-Betriebsmodus wird die Lebensdauer vor allem durch die Luftfeuchtigkeit beeinflusst.
Bei sehr hohen Feuchte- und Spannungswerten kommt es zu elektrochemischen
Reaktionen, die Wasserstoffmoleküle freisetzen, welche anschließend den Keramikverbund durch Versprödung zerstören.
Vollkeramische Schutzschicht
Mit dem patentierten PICMA® Design wird
diese Reaktion wirkungsvoll unterdrückt.
Die anorganische keramische Schutzschicht(s. S. 42) verhindert im Gegensatz zu reinpolymeren Umhüllungen den Kontakt derWassermoleküle mit den Innenelektroden
und erhöht auf diese Weise die Lebensdauer um mehrere Größenordnungen (s.
Abb. 43).
Quasistatische Bedingungen:
Beschleunigte Lebensdauerprüfung
Die hohe Zuverlässigkeit macht es praktischunmöglich, die Lebensdauer von PICMA®
Aktoren bei realen Anwendungsbedingungen experimentell zu ermitteln. Zur Abschätzung der Lebensdauer dienen daher
Prüfungen unter extremen Belastungsbedingungen: erhöhte relative Luftfeuchtigkeit
bei gleichzeitig hohen Umgebungstemperaturen und Ansteuerspannungen.
In Abb. 44 werden die Ergebnisse eines
Tests bei einer stark erhöhten Luftfeuchtigkeit von 90 % RH bei 100 V DC und 22 °C
gezeigt. Die extrapolierte mittlere Lebensdauer (MTTF, “Mean Time To Failure”) für
PICMA® Aktoren liegt bei mehr als 400.000 h(ca. 47 Jahre) während Vergleichsaktoren
mit Polymerumhüllung unter diesen Bedingungen nur eine MTTF von ca. einem Monaterreichen.
Tests unter realitätsnahen Bedingungen bestätigen bzw. übertreffen diese Ergebnisse
noch.

Abb. 44: Ergebnisse eines beschleunigten Lebensdauertests mit erhöhter Luftfeuchtigkeit (Testbedingungen: PICMA® Stack und polymerumhüllte Aktoren, Abmessungen:5 x 5 x 18 mm³, 100 V DC, 22 °C, 90 % RH)

Berechnung der Lebensdauer bei
Gleichspannungsbelastung
In aufwändigen Untersuchungen wurde für
die PICMA® Stack-Aktoren ein Modell zur
Berechnung der Lebensdauer entwickelt.
Unter konkreten Anwendungsbedingungenmüssen folgende Faktoren berücksichtigt
werden: die Umgebungstemperatur, die relative Luftfeuchte und die Höhe der angelegten Spannung.
Die einfache Formel
MTTF = AU · AT · AF

(Gleichung 30)

erlaubt die schnelle Abschätzung der mittleren Lebensdauer in Stunden. Die Faktoren
AU in Abhängigkeit von der Betriebsspannung, AT für die Umgebungstemperatur undAF für die relative Luftfeuchtigkeit können
aus dem Diagramm (Abb. 45) abgelesen
werden.

piezotechnology

Wichtig: Mit sinkenden
Spannungswerten steigt
die Lebensdauer exponentiell an. Beispielsweise ist die zu erwartende Lebensdauer bei
80 V DC 10mal so hochwie bei 100 V DC.
Mit dieser Berechnung
kann eine neue Applikation bereits in der Designphase bezüglichihrer Lebensdauer
optimiert werden. Das
Absenken der Ansteuerspannung, die Kontrolle
von Temperatur und
Luftfeuchtigkeit mittels Spülluft oder die
Einkapselung des Aktors
spielen hier eine große
Rolle.
59

Zuverlässigkeit von PICMA® Multilayeraktoren (Fortsetzung)Abb. 45: Diagramm zur
Berechnung der Lebensdauer
von PICMA® Stack Aktoren bei
Gleichspannungsbelastung.
Für einen Dauerbetrieb bei 100
V DC mit 75 % Luftfeuchtigkeit(RH) und einer Umgebungstemperatur von 45 °C kannman folgende Werte aus dem
Diagramm ablesen: AF = 14
(Luftfeuchte, blaue Kurve),
AT = 100 (Temperatur, rote Kurve) und AU = 75 (Betriebsspannung, schwarze Kurve). Das
Produkt ergibt eine mittlere
Lebensdauer von 105.000 h,
also über 11 Jahren.

Lebensdauer im dynamischen
Dauerbetrieb

Abb. 46: Deutlich sichtbar ist daspatentierte PICMA® Aktordesign
mit definierten Schlitzen („Slots“),
das unkontrollierte Dehnungsrisse
bei dynamischer Ansteuerungverhindert

Zyklische Beanspruchung mit einem schnellen Wechselfeld und hohen Ansteuerspannungen (typisch >50 Hz; >50 V) tritt häufig
bei Anwendungen z.B. in Ventilen oder
Pumpen auf. Piezoaktoren können unter diesen Bedingungen extrem hohe Lastwechselzahlen erreichen.
Die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Lebensdauer der Piezoaktoren sind dabei die
elektrische Spannung und die Signalform.
Die Luftfeuchtigkeit ist kaum relevant, weildiese lokal durch die Eigenerwärmung der
Piezokeramik reduziert wird.
Industrietauglich: 1010 Arbeitszyklen
Prüfungen mit besonders hoher Ansteuerfrequenz belegen die Robustheit der PICMA®
Piezoaktoren. Vorgespannte PICMA® Aktoren der Größe 5 x 5 x 36 mm wurden
dazu bei Raumtemperatur und Druck-60

w w w.p i c e r a mi c.d e

luftkühlung mit einem Sinussignal von
120 V unipolarer Spannung bei 1157 Hz
belastet, was 108 Zyklen täglich entspricht.
Auch nach über 1010 Arbeitszyklen gab es
keinen einzigen Ausfall und die Aktoren
zeigten keine signifikanten Auslenkungsänderungen.
Patentiertes Design reduziert diemechanische Spannung
PICMA® Aktoren verwenden ein besonderes, patentiertes Design. Seitliche Schlitze(„Slots“) verhindern wirksam die Überhöhung der mechanischen Zugspannungenin den passiven Bereichen des Stapels
und die Ausbildung unkontrollierter Risse(Abb. 46), die zu elektrischen Durchschlägen
und damit Schäden am Aktor führen könnten. Der patentierte mäanderförmige Aufbau der äußeren Kontaktstreifen (Abb. 43)
sichert den stabilen elektrischen Kontakt
aller Innenelektroden selbst bei extremen
dynamischen Belastungen.

Piezoelektronik zur Ansteuerung von Piezoaktoren
C h a r a k t e r i s t i s c h e s V e r h a lt e n v o n P i e z o v e r s t ä r k e r n

Schnelles Einschwingen oder langsame Geschwindigkeit mit hoher Konstanz, hohe Positionsstabilität und –auflösung, hohe Dynamik– die Anforderungen an Piezosysteme sindhöchst unterschiedlich und erfordern ein hohes
Maß an Flexibilität der Steuerung und Regelung.
Die Ansteuerelektronik spielt eine Schlüsselrolle für die Leistungsfähigkeit piezoelektrischer Aktoren und Nanopositioniersysteme.
Für die präzise Positionierung werden besonders rauscharme, hochstabile Linearverstärker benötigt, denn Piezoaktoren reagieren auf
die geringste Spannungsänderung mit einer
Auslenkung. Ein „Rauschen“ oder Driften gilt
es so weit wie möglich zu vermeiden. Voraussetzung für die hochdynamische Auslenkung
des Aktors ist, dass die Spannungsquelle
genügend Strom liefert, um die Kapazität zu
laden.
Leistungsanforderungen für den
Piezobetrieb
Die Aussteuergrenze eines Verstärkers mit
einem gegebenen Piezoaktor hängt von der
Verstärkerleistung, dem Verstärkerdesign
und der Kapazität der Piezokeramik ab (vgl.
S. 56–57). In hochdynamischen Anwendungen benötigen Piezoaktoren hohe Lade- und
Entladeströme. Dabei kommt, speziell bei sinusförmigem Betrieb oder bei Pulsbetrieb,
dem Spitzenstrom eine besondere Bedeutung zu. Piezoverstärker von PI sind deshalb
so ausgelegt, dass sie hohe Spitzenströme
abgeben und aufnehmen können. Wird ein
Verstärker mit einer kapazitiven Last und Frequenz betrieben, bei der er nicht mehr den erforderlichen Strom aufbringen kann, kommt
es zur Verzerrung des Ausgangssignals. Als
Folge davon kann die volle Auslenkung nicht
mehr erreicht werden.
Aussteuerkurve
Für jedes Verstärkermodell werden die Aussteuergrenzen mit verschiedenen Piezolasten
in Abhängigkeit von der Frequenz und Ausgangsspannung gemessen und als Aussteuerkurfen grafisch dargestellt, um die Auswahl
zu erleichtern. Die Messungen werden nach
15 Minuten Dauerbetrieb (Piezo und Verstärker) bei Raumtemperatur durchgeführt. Im
kalten Zustand nach dem Einschalten kannkurzzeitig mehr Leistung zur Verfügung stehen.

Der Leistungsverstärker arbeitet innerhalb
seiner Aussteuergrenzen linear, so dass das
Steuersignal unverzerrt verstärkt wird. Insbesondere tritt keine thermische Begrenzung
ein, d.h. der Verstärker überhitzt nicht, wasVerzerrungen der Sinuskurve verursachen
könnte. Der Verstärker liefert die Ausgangsspannung kontinuierlich auch über längere
Zeit. Für Spitzenwerte, die nur über einen kurzen Zeitraum zur Verfügung stehen, kann die
Aussteuerkurve nicht verwendet werden.

Abb. 47: Aussteuerkurve, ermittelt
mit verschiedenen Piezolasten,
Kapazitätswerte in µF. Ansteuersignal Sinus, Betriebsdauer >15 min,
20 °C. Hier: E-617, ein geschalteter
Verstärker mit Energierückgewinnung

Die Kurven beziehen sich auf den ungeregelten Betrieb (open-loop); im geregelten Betrieb
begrenzen andere Faktoren die Dynamik.
Einstellung der Steuerspannung
Nachdem die Aussteuergrenze des Verstärkers erreicht ist, muss bei weiter ansteigenden Frequenzen die Amplitude der Steuerspannung im gleichen Verhältnis reduziert
werden, wie die Ausgangsspannung abfällt.
Dies ist wichtig, da der Strombedarf kontinuierlich mit der Frequenz ansteigt. Ansonsten
wird das Ausgangssignal verzerrt.
Beispiel: Der E-503 (E-663) Verstärker kann bei
einer Ausgangsspannung von 100 V eine Piezokapazität von 23 µF mit einer maximalen
Frequenz von ca. 15 Hz betreiben (bei Sinusansteuerung). Bei höheren Frequenzen sinkt
die Aussteuergrenze, z.B. bei 20 Hz auf 80 V.
Um bei dieser Frequenz ein verzerrungsfreies
Ausgangssignal zu erhalten, muss die Eingangssteuerspannung auf 8 V (Spannungsverstärkung = 10) reduziert werden.
piezotechnology

61

Piezoelektronik zur Ansteuerung von Piezoaktoren
L ö s u n g e n fü r d y n a m i s c h e D a u e r a n w e n d u n g e nGeschaltete Verstärker mit Energierückgewinnung
Häufig werden Piezoaktoren für eine besonders präzise Materialbearbeitung eingesetzt,
zum Beispiel im Maschinenbau zur Feinpositionierung in Fräs- und Drehmaschinen.
Dabei sind sowohl hohe Kräfte als auch Dynamik gefragt. Für die großen Kräfte sind die
Piezoaktoren entsprechend dimensioniert,
das heißt, hier werden Piezoaktoren mit
hoher Kapazität verwendet. Um sie mit der
geforderten Dynamik zu be- oder entladen,
werden besonders hohe Ströme benötigt.
Ähnliche Eigenschaften erfordert auch die
Ansteuerung von Ventilen.
Energierückgewinnung minimiert den
Energieverbrauch im Dauerbetrieb

100

25,00

80

20,00
Leistungsaufnahme in W

Wirkungsgrad in%

Abb. 48: Piezoaktor im Gehäuse
mit Anschlüssen für Temperatursensor und Kühlluft

Da diese Anwendungen häufig sieben Tage
die Woche rund um die Uhr arbeiten, ist derEnergieverbrauch des Verstärkers wichtig.
PI bietet hierfür geschaltete Verstärkerelektroniken an, bei denen die Pulsweite desAnsteuerungssignals moduliert (PWM) und
dadurch die Ausgangsspannung geregelt
wird. Ein besonders hoher Wirkungsgrad
ist die Folge. Zusätzlich ist eine patentierte
Schaltung zur Energierückgewinnung integriert: Sie speichert beim Entladen des

60

40

20

Im Gegensatz zu konventionellen Class DSchaltverstärkern sind PI Schaltverstärker
für Piezoelemente strom- und spannungsgeregelt. Produktbeispiele sind E-617 fürPICMA® Aktoren (S. 29) und E-481 für die
PICA Aktorserien (S. 31).
Schutz des Piezoaktors durch
Temperaturüberwachung
Beim Dauerbetrieb ist die Wärmeentwicklung im Piezoaktor nicht zu vernachlässigen (vgl. S. 56). Entsprechende Elektroniken
können deshalb die Signale eines Temperatursensors am Piezo auswerten. Auf diese
Weise wird die Keramik vor Überhitzung
und Depolarisation geschützt.
Geltende Patente
Deutsches Patent Nr. 19825210C2Internationales Patent Nr. 1080502B1
US-Patent Nr. 6617754B1

15,00
Geschalteter Verstärker
Linearverstärker

10,00

5,00

0

0

20

40
60
Relative Ausgangsleistung in %Geschalteter Verstärker

80

100

0,00
0

500

1000

1500

2000

Frequenz in Hz

Linearverstärker

Abb. 49: Bei gleicher Ausgangsleistung verbrauchen PI Verstärker mit patentierter Energierückgewinnung nur ca. 20 %des Bedarfs eines entsprechenden Linearverstärkers.

62

Piezos einen Teil der zurückfließenden Energie in einem kapazitiven Speicher und stellt
sie für den nächsten Ladevorgang wieder zur
Verfügung. Auf diese Weise lassen sich
Energie­einsparungen von bis zu 80 % realisieren. Außerdem erwärmt sich der Verstärker nicht so stark, und beeinflusst somit dieeigentliche Anwendung weniger.

Abb. 50: Leistungsaufnahme eines Piezoverstärkers mit linearer undgeschalteter Endstufe am Piezoausgang, kapazitive Last 1 µF. Die Messwerte zeigen deutlich, dass der pulsweiten-modulierte Verstärker einewesentlich höhere Dynamik erlaubt als der klassisch linear arbeitende.
Der Linearverstärker erreicht bei Frequenzen bis ca. 700 Hz die Obergrenze seiner Leistungsaufnahme, der geschaltete erst bei weit über 2 kHzw w w.p i c e r a mi c.d ePiezoelektronik zur Ansteuerung von Piezoaktoren
L i n e a r i s i e r t e r V e r s t ä r k e r fü r P i e z o a u s l e n k u n g o h n e H y s t E r e s e

Ladungssteuerung
Ein typischer Anwendungsbereich für Piezoaktoren bzw. Nanopositioniersysteme ist das
dynamische Scannen. Hier kann man zwischen zwei Methoden unterscheiden: dem
Step-and-Settle-Betrieb, bei dem eine Position präzise und wiederholbar angefahren
wird und dem Rampenbetrieb mit besonders linearem Verlauf der Piezoauslenkung.
Im ersten Fall ist ein geschlossener Positionsregelkreis erforderlich, der dafür sorgt,
dass Positionen zuverlässig wiederholbar
angefahren und die Schrittgrößen konstantgehalten werden.
Natürlich lässt sich auch der Rampenbetrieb
mit linearem Verlauf der Piezoauslenkungüber Positionsrückmeldung und Regelkreis
steuern. Allerdings bestimmt dann der Regelkreis die Dynamik des Gesamtsystems, wasin manchen Fällen die Anzahl der Zyklen, diepro Zeiteinheit gefahren werden können,
deutlich einschränkt. Dies umgeht man bei

Δleinem alternativen Verstärkerprinzip: derLadungssteuerung.
Ladung und Auslenkung
Die Ladungssteuerung nutzt die Tatsache, dass bei Piezoaktoren der Zusammenhang zwischen elektrischer Ladungund Auslenkung sehr viel linearer ist, als
der zwischen angelegter Spannung und
Auslenkung. Die Hysterese beträgt imersten Fall nur etwa 2 %, während sie bei
ungeregelter Spannungssteuerung etwa
zwischen 10 bis 15 % liegt (Abb. 51). Mit
der Ladungssteuerung ist es daher invielen Fällen möglich, die notwendige Präzision auch ohne Regelkreis zu erreichen. Dasverbessert die Dynamik und ist preiswerter.
Von der Ladungssteuerung profitiert manaber keineswegs nur bei hochdynamischen
Anwendungen, sondern bereits bei sehr geringen Betriebsfrequenzen. Für Aufgaben,
bei denen Positionen über längere Zeit gehalten werden müssen, ist sie jedoch ungeeignet.

Für dynamische
Anwendungen: Aktive Schwingungsdämpfung Adaptronik Schnelle mechanische
Schalter Ventilsteuerung(z.B. Pneumatik) Dosieren

Δl

Q

ΔV
Abb. 51: Typische Auslenkungscharakteristik von Piezoaktoren im Verhältnis zur angelegten
Spannung (links) und zur Ladung (rechts). Die Hysterese ist durch die Kontrolle der aufgebrachten Ladung deutlich reduziert

Der ladungsgesteuerte Verstärker E-506.10 bietet hochlineare,dynamische Steuerung für PICMA® Piezoaktoren

piezotechnology

63TensilestressesTensilestressesHandhabungvon Piezoaktoren

TensilestressesTensilestresses

Abb. 52: Vermeiden von Querkräften und Momenten

Unbenannt-2
Unbenannt-2
1
1

Piezoaktoren sind hohen mechanischen undelektrischen Belastungen ausgesetzt. Die
spröden keramischen oder kristallinen Materialien erfordern zudem eine sorgfältige
Handhabung.
Vermeiden Sie mechanische Stöße auf
den Aktor, wie sie z.B. beim Herunterfallen entstehen können.
 Verwenden Sie beim Einbau keine metalTensile
TensilelischenWerkzeuge.
stressesstresses Vermeiden Sie beim Einbau und während
der Anwendung ein Zerkratzen der Keramik- bzw. Polymerumhüllung und derEndflächen.

Abb. 53: Vermeiden von Drehmomenten Vermeiden Sie den Kontakt der Keramikoder Polymerisolierung zu leitfähigen
Flüssigkeiten (u.a. Fingerschweiß) sowie
zu Metallstaub.
 Wenn der Aktor im Vakuum betrieben
wird: Beachten Sie die Hinweise zu den
30.03.12 16:56
zulässigen Ansteuerspannungen in bestimmten Druckbereichen (s. S. 58).

DuraAct-Patch-Aktoren und gekapselte
PICMA® Piezoaktoren sind besonders robust
aufgebaut. Für sie gelten Ausnahmen vondiesen allgemeinen Handlungshinweisen.
Mechanischer Einbau (Abb. 52, 53, 54)
 Vermeiden Sie Momente und Querkräfte
während der Montage und im Betrieb des
Aktors durch geeignete Konstruktionen
bzw. Führungselemente.
 Wenn der Aktor dynamisch betrieben
30.03.12 30.03.12
16:56 16:56
wird: Bauen Sie den Aktor möglichst so
ein, dass der Masseschwerpunkt des bewegten Systems mit der Aktorachse übereinstimmt, und verwenden Sie bei sehr
großen Massen eine Führung.
 Stellen Sie an den Endflächen eines Stapelaktors einen möglichst vollflächigen
Kontakt her.
 Wählen Sie Gegenflächen mit einer Ebenheit von wenigen Mikrometern.

Verkleben Wenn der Aktor in Kontakt mit isolieren Bei unebenen Montageflächen verwenden Flüssigkeiten, wie Silikon- oder Hyden Sie Epoxidharzklebstoffe zum Eindrauliköle, kommen kann, wenden Sie
kleben der Aktoren. Gut geeignet sind
TensileTensileTensileTensilesich an info@piceramic.de.
stressesTensileTensilekalthärtende 2K-Klebstoffe,
um die therstresses
stressesstressesstressesstresses
momechanischen
Spannungenzu redu Wenn der Aktor versehentlich verunreizieren.
nigt wurde, reinigen Sie den Aktor vor
der Wiederinbetriebnahme sorgfältig mit
Abb. 54: Vermeiden von Zug Halten Sie bei der Aushärtung den für den
Isopropanol bzw. Ethanol. Anschließend
spannungen durch mechanische
Aktor spezifizierten Betriebstemperaturtrocknen Sie ihn vollständig in einem
Vorspannung
bereich ein und beachten Sie die TempeTrockenschrank. Verwenden Sie zur Reiniraturausdehnungskoeffizienten der beteigung keinesfalls Aceton. Reduzieren Sie
ligten Materialien.
bei der Reinigung im Ultraschallbad den
Energieeintrag auf das notwendige MiniUnebene Montageflächen gibt es beispielsmum.
weise bei PICMA® Bender- und PICMA®
 Empfehlung: Tragen Sie während des EinChip-Aktoren, da diese Flächen nach derAbb. 55: Montage eines einseitig
Sinterung nicht überschliffen werdenbaus und der Inbetriebnahme Handschuvorgespannten Biegeaktors durch
30.03.12 16:56
Klebung(Abb. 55).
he und Schutzbrille.

64
30.03.12 16:56

w w w.p i c e r a mi c.d e

E
A

FR

G

IL

E
A
FR

G

IL

E
A
FR

G

IL

E
IL
G
A
FR
Vorspannung aufbringen (Abb. 54)
 Erzeugen Sie die Vorspannung entweder
extern im mechanischen Aufbau oder intern in einem Gehäuse.

Tensilestresses
Bringen Sie die Vorspannung achsenahim Kernquerschnitt des Aktors auf.
 Wenn der Aktor dynamisch betrieben und
die Vorspannung mit einer Feder erzeugt
wird: Verwenden Sie eine Feder, deren Gesamtsteifigkeit um etwa eine Größenordnung unter der des Aktors liegt.
Last homogen einleiten (Abb. 56)
Parallelitätstoleranzen der Mechanik und
des Aktors führen zu einer inhomogenen
Lastverteilung. Dabei können im Aktor bei
Druckbelastung Zugspannungen entstehen.
Es stehen verschiedene konstruktive Lösungen zur homogenen Lasteinleitung zur
Verfügung, die sich hinsichtlich der axialen
Steifigkeit, der Lösbarkeit der Verbindung,sowie der Drehbarkeit im Betrieb, z. B. bei
Hebelübersetzung, unterscheiden.
 Einkleben des Aktors (vgl. S. 64 Abschnitt
Verkleben)

Tensilestresses

Abb. 56: Vermeiden einer inhomogenen Lasteinleitung

ren zu sehr langsamen Entladungen mit
Zeitkonstanten im Bereich von Stunden.
Mechanische oder thermische Belastungenladen den Aktor elektrisch auf.
 Schließen Sie das Gehäuse bzw. die umgebende Mechanik normgerecht an einen
Schutzleiter an.

Abb. 57: Vollflächiger Kontakt desAktors Isolieren Sie den Aktor elektrisch gegendie umgebende Mechanik. Beachten Sie
dabei die gesetzlichen Vorschriften für die
jeweilige Anwendung.
 Beachten Sie beim Anschließen die Polarität des Aktors.

30.03.1

 Montieren Sie den Aktor nur im kurzgeschlossenen Zustand.

 Gehärtetes Kugelkopfstück mit Punktkontakt zu ebener Gegenfläche

TensilestressesE

Abb. 58: Richtiges Dimensionieren
der Endstücke bei punktförmigem
Kontakt

FR

A

G

IL

 Wenn sich der Aktor aufgeladen hat, entladen Sie den Aktor kontrolliert mit einem
TensileUnbenannt-2 1
Unbenannt-2 1
Unbenannt-2Unbenannt-2
1
1
10 k-Widerstand. Vermeiden Sie dasdi Gehärtetes Kugelkopfstück mit Ringkonstresses
rekte Kurzschließen der Anschlusskontaktakt zu einer Kalotte
te des Aktors.
 Verbindung über ein Festkörpergelenk Ziehen Sie das Anschlusskabel zum Ver Wenn die Ankopplung des Aktors in einer
stärker nicht bei anliegender Spannung
Frästasche erfolgt, stellen Sie sicher, dassab. Der dadurch ausgelöste mechanische
an der Endfläche des Aktors vollflächiger
Impuls könnte den Aktor schädigen.
Kontakt besteht. Wählen Sie dazu die Abmessungen der Frästasche entsprechend
Sicherer Betrieb
oder bringen Sie in der Frästasche Frei Reduzieren Sie im Betrieb des Aktors die
schnitte an. (Abb. 57)
DC-Spannung soweit wie möglich (s. S.
 Wenn eine Punktlast auf das Endstück des59). Offsetspannungen können Sie durch
Aktors einwirkt: Dimensionieren Sie daseinen semi-bipolaren Betrieb verringern.
Endstück so, dass seine Dicke der halben Schalten Sie den Aktor immer ab, wenn er
Querschnittsabmessung entspricht, um
nicht benötigt wird.
Zugspannungen am Aktor zu vermeiden.
(Abb. 58)
Elektrischer Anschluss (Abb. 59)
Elektrisch gesehen sind Piezoaktoren Kondensatoren, die sehr viel Energie speichern
können. Ihre hohen Innenwiderstände füh-

 Vermeiden Sie steile Flanken im Ansteuersignal, da sie bei fehlender Vorspannung
des Aktors starke dynamische Kräfte auslösen können. Steile Flanken können z.B.
beim Einschalten von digitalen Funktionsgeneratoren auftreten.

piezotechnology

30.03.12 16:56

Abb. 59: Mechanische Belastungenladen den Aktor elektrisch auf.
Montage nur im kurzgeschlossenen Zustand65

Weltbewegende Antriebe
F Ü R IND U STRIE U ND F ORSCH U NG

Lösungen fürHigh-Tech-Märkte
PI entwickelt und fertigt
Präzisions-Positioniersysteme für alle wichtigen
High-Tech-Märkte:n Halbleitertechnologien Optische Messtechnik,

Mikroskopien Biotechnologie und

Medizingerätetechnikn Präzisionsautomatisie-rung und Handlingn Präzisionsfertigungs-

technikn Datenspeichertechnikn Photonik,

Telekommunikationn Nanotechnologien Mikrosystemtechnikn Luft- und Raumfahrt-

technikn Astronomie

66

Physik Instrumente (PI) ist der weltweit führende Anbieter piezobasierter Positioniersysteme
mit Genauigkeiten im Bereich einzelner Nanometer.
Das umfangreiche Produktangebot basiert auf
einem breiten Technologiespektrum mit elektromotorischen oder piezoelektrischen Antrieben
für bis zu sechs Bewegungsachsen. Hexapoden, Nanometersensorik, Ansteuerelektroniken
sowie Software werden durch kundenspezifische Lösungen ergänzt.
Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen
Haus entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom
Design bis hin zur Auslieferung und jede Komponente kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie die Positionssensorik und die Piezokeramiken bzw.
-aktoren. Letztere werden bei der Tochterfirma
PI Ceramic gefertigt.
Damit ist PI der einzige Hersteller von Nanopositioniertechnik, der seine eigenen piezokeramischen Antriebe verwendet. Dies gewähr-w w w.p i c e r a mi c.d eleistet ein hohes Maß an Flexibilität für die
Ent­w icklung kundenspezifischer piezokeramischer Komponenten.
Über 100 Patente und zum Patent angemeldete
Technologien stehen für über 40 Jahre Erfahrung und Pionierarbeit. Produkte von PI werdenüberall dort eingesetzt, wo Technologie in Industrie und Forschung vorangetrieben wird, unddas weltweit.
Mit vier Sitzen in Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungenist die PI-Gruppe international vertreten.
PI steht für Qualität in Produkten, Prozessen undService. Die ISO-9001-Zertifizierung, bei dernicht nur die Produktqualität, sondern auch
die Erwartungen und Zufriedenheit des Kunden
im Vordergrund stehen, wurde bereits 1994
erreicht.
PI ist außerdem nach den ISO 14001 (Umweltmanagement) und OHSAS 18001 (Arbeitssicherheit) Standards zertifiziert, die zusammen ein integriertes Managementsystem (IMS)
bilden.

Milestones
Eine erfolgsgeschichte

1970 Gründungsjahr von PI

2001	Neues Firmengebäude in Karlsruhe

1977 Umzug nach Waldbronn

2002	Erweiterungsgebäude für PI Ceramic

1987	Gründung der Niederlassung
in den USA

2002 Gründung der Niederlassung in China
2002 Markteinführung der PICMA®

1991 Gründung der Niederlassung in Japan
1991 Markteinführung von 6-achsigen,	parallelkinematischen Positioniersystemen (Hexapoden)
1992	Gründung von PI Ceramic in Thüringen,
Grundstein für die Marktführerschaft
in der Nanostelltechnik

Multilayer-Piezoaktoren
2004	Markteinführung der NEXLINE®
Hochleistungs-Piezolinearantriebe
2007 Markteinführung der NEXACT®
Piezolinearantriebe
2010

neben dem heutigen Firmensitz

1993	Gründung der Niederlassungenin Großbritannien und Frankreich
1994	Markteinführung kapazitiver
Positionssensoren

Kauf des Erweiterungsgrundstücks
von PI2011

Gründung der Niederlassung in Korea

Gründung der Niederlassung
2011	
in Singapur

1995 Gründung der Niederlassung in Italien
1998	Markteinführung von digitalen
Regelungselektroniken

2011	
Übernahme Mehrheitsanteile

2001	Markteinführung von PILine®
Ultraschall-Piezomotoren

2012

der miCos GmbH, Eschbach
Erweiterungsgebäude in Karlsruhe
und Lederhosepiezotechnology

67

PIEZONANO

POSITIONING

Produktportfolio
N A N O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E , M I K R O S T E L LT E C H N I K &NANOMESSTECHNIK

Nanopositionierung
Auflösung bis in den Picometer-Bereich
Nanopositioniersysteme bieten Bewegungsauflösung
und Positioniergenauigkeit im Bereich von Nanometernund darunter. Die Zielposition wird innerhalb weniger
Millisekunden erreicht und stabil gehalten. Als Antrieb
werden Piezoaktoren oder Piezoschreitantriebe eingesetzt. Eine Optimierung der Systemperformance wird
durch digitale Motion Controller erzielt. Benötigt werdendiese Systeme beispielsweise in der optischen Messtechnik, Mikroskopie oder Chipherstellung. Um die erforderliche Positionsauflösung und Stabilität zu erzielen,entwickelt und fertigt PI die Sensorik selbst und bietet
diese als eigenständige Produktlinie an.

PiezoWalk® SchreitantriebeÜber Millimeter präzise positionieren
Piezoschreitantriebe übertragen die Vorteile von Piezoaktoren auf Anwendungen mit größeren Stellwegen.
Das Zusammenspiel der Bewegung einzelner Aktoren
bewirkt eine Schreitbewegung mit hoher Auflösung und
Dynamik innerhalb eines Schritts und ermöglicht dabei
prinzipiell unbegrenzte Stellwege. Die Aktoren sindgegen den bewegten Läufer vorgespannt. Der Antrieb
ist somit im ausgeschalteten Zustand selbsthemmend
ohne Halteströme oder zusätzliche mechanische Komponenten. Dadurch treten keine Erwärmung oder Regelzittern auf, der Antrieb steht stabil.

PILine® Ultraschall-Piezomotoren
Klein und schnell über große Strecken
Ultraschall-Piezomotoren können klassische Motor-Spindel-Kombinationen oder magnetische Antriebe ersetzen
und ermöglichen bei der Integration in Positioniersysteme besonders niedrige Profilhöhen. Sie bieten auf kleinstem Bauraum dynamisches Start-/Stoppverhalten, hohe
Geschwindigkeit und Selbsthemmung. PI bietet miniaturisierte Varianten, OEM-Motoren und -Antriebe sowie
komplette Positioniersysteme mit Controller an. Piezomotoren von PI sind im Prinzip vakuumtauglich und fürden Betrieb unter starken Magnetfeldern geeignet.

1

68

W W W. P I . W S

w w w.p i c e r a mi c.d e■ Von linearen Achsen bis hin zu

6 Freiheitsgraden der Bewegung■ Parallelkinematisches Prinzip

für mehrachsige Systeme■ Versionen mit direkter Positions-messung– kapazitive Sensoren:
Sub-Nanometer-Auflösung
– Inkrementelle Sensoren: Nanometer-Auflösung, große Messbereiche■ Variabel in Bauform, Stellweg undPräzisionsklasse■ Zwei Prinzipien:– NEXLINE®: bis zu 600 N Stellkraft– NEXACT®: schnelle Bewegung
und bis zu 10 N Stellkraft■ Integrationsstufen vom preis-

günstigen OEM-Antrieb bis zum
mehrachsigen Positioniersystem■ Kompakte Bauform, variabler Stell-weg durch variable Läuferlänge■ Nanometer-Auflösung
■ Vakuumkompatibel undnichtmagnetisch■ Integrationsstufen vom preis-

günstigen OEM-Antrieb bis zum
mehrachsigen Positioniersystem■ Beliebige, unbegrenzte Stellwege■ Mechanisch einfach integrierbar■ Selbsthemmend im Ruhezustand■ Haltekraft bis 15 N
■ Geschwindigkeit bis 500 mm/s

Hexapoden — Parallelkinematische
Positioniersysteme
Hochpräzise Positionierung in bis zu sechs
BewegungsachsenÜberall dort, wo eine mehrachsige und hochpräzise Bewegung erforderlich ist, setzt PI auf parallelkinematische
Designs. Alle Antriebe wirken unmittelbar auf dieselbe
bewegte Plattform. Dadurch ergeben sich Vorteile in derPräzision und Dynamik im Vergleich zu seriell gestapelten Achsen, bei denen sich die Fehler der Einzelachsen
aufsummieren und dynamische Einbußen durch das
Mitführen der oberen Achsen entstehen. Das parallelkinematische Prinzip ist dabei unabhängig vom verwendeten Antrieb. So können Mikro- und Nanostelltechniksysteme mit bis zu sechs Freiheitsgraden der Bewegungumgesetzt werden.

■ Geringe bewegte Masse,

geringe Trägheit■ Gutes dynamisches Verhalten,

schnelles Einschwingen■ Geringer Bauraum■ Hohe Steifigkeit■ Frei definierbarer Drehpunkt■ Minimiertes Achsübersprechen■ Sehr gute Wiederholbarkeit

Digitale Steuer- und Regeltechnik■ Für alle Antriebssysteme

Das Optimum an Performance erreichen■ Hochauflösende D/A- und A/D-

Die Leistungsmerkmale eines Präzisions-Positioniersystems hängt in gleichen Maßen von der Verstellmechanik
wie von der Ansteuerung ab. Digitalcontroller verarbeiten
Prozesswerte wie Sensorsignal oder Positionswertvorgabe mit speziell abgestimmten Algorithmen. So können
Bewegungen auf Bahnkurven, Einschwingzeiten oder
Bahnabweichungen während schneller Scanvorgänge
optimiert werden.

Mikropositionierung
Präzisionspositionierung auf langen Wegen

Wandler neueste Prozessoren■ Digitale Echtzeit-Schnittstellen■ Umfangreiche Software und Treiber■ Koordinateninformation fürparallele Kinematiken/Hexapoden■ Linearpositionierer– Stellwege von 5 bis 1000 mm– Geschwindigkeit bis zu 150 mm/s

Mikropositioniersysteme bieten Bewegungsauflösungen
und Positioniergenauigkeiten im Bereich zwischen einigen 10 μm bis zu 0,1 μm. Als Antrieb stehen bürstenlose
DC- oder Schrittmotoren zur Verfügung wie auch Linearantriebe wie PILine ® Ultraschall-Piezomotoren oder
NEXACT® Piezoschreitantriebe. Die Präzision des Systems hängt ab von den verwendeten Komponenten fürAntrieb, Positionssensor und Führung. Bei klassischen
Motoren spielt außerdem die Qualität des Getriebes,
der Spindel bzw. des Schneckentriebs eine wesentliche
Rolle. Digitale Steuerungen ermöglichen durch geeignete
Regelungs- und Linearisierungsverfahren eine Verbesserung der Systemeigenschaften.

piezotechnology– Preisgünstige Designs, Varianten
als Baukastensystem■ DC- und Stepper-Mikrometerantriebe– Stellwege bis 50 mm undGeschwindigkeit bis zu 30 mm/s
– Auflösung bis <100 nm■ Rotationsversteller mit unein-geschränktem Drehbereich– bis 720 °/s– Auflösung bis 1 μrad
– Optionale Encoder für die direkte
Positionsmessung

2

69

NANO

POSITIONING

PIEZO

NANO

POSITIONING

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