marco: Piezokeramische Stapelaktoren

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marco bietet piezokeramische Stapelaktoren kundenspezifisch an.
Basis ist die hausinterne Fertigung piezokeramischer Werkstoffe und das technologische know-how der Oberflächenbearbeitung, des Trennschleifens, der strukturierenden Vakuummetallisierung und des Fügens metallisierter Keramiken.

Funktionsbestimmende Parameter der Stapelaktoren sind:

Relative Ausdehnung bei maximaler Betriebsfeldstärke von 2 kV/mm
Entscheidend ist hier die Auswahl des geeigneten Werkstoffs, ob z.B. piezoelektrisch oder elektrostriktiv. Auch die mechanische Vorspannung beeinflusst die relative Längenausdehnung.
Der verwendete Werkstoff bestimmt auch das Temperaturverhalten, das Hysterese- und Linearitätsverhalten des Aktors.
Ausdehnung des Stapels
Diese ist gegeben durch die relative Dehnung des verwendeten Werkstoffs und die Baulänge des Stapels. Sie liegt in der Größenordnung 0,11 ... 0,18 %. Die Länge des Stapels sollte maximal ca. das 10fache seines Durchmessers bzw. der kleineren Kantenlänge bei rechteckigem Querschnitt betragen.
Blockierkraft
Die Blockierkraft eines Stapelelements ist proportional zu seiner Querschnittsfläche. Marco bietet runde Querschnitte von 10 mm, 15 mm, 25 mm, 30 mm und 35 mm Durchmesser an. Andere Durchmesser sind auf Kundenwunsch realisierbar.
Vielfältiger und deshalb mit größeren gestalterischen Möglichkeiten sind die rechteckigen Querschnitte.
Die kleinsten möglichen Querschnitte sind 3 mm x 3 mm, die größten 50 mm x 50 mm. Die Wahl der Querschnittsfläche und -form wird letztlich von den Lasten/Kräften und den Einbaubedingungen bestimmt.
Betriebsspannung
Bei gegebener maximaler Betriebsfeldstärke von 2 kV/mm bestimmt die Dicke der Einzelschichten die Betriebsspannung. Marco fertigt Aktorstapel mit Plattendicken ab 0,15 mm. Das bedeutet Betriebsspannungen ab 300 V bis 1000 V.
Elektrische Kapazität
Die Kapazität eines Stapelelements wird bestimmt durch Werkstoff, Plattendicke und Querschnitt sowie die Baulänge selbst. Entscheidende Bedeutung erlangt die Aktorkapazität bei dynamischem Betrieb von Systemen. Hier sind die gestalterischen Freiheiten bezüglich Kapazität und Betriebsspannung durch Variation der Plattendicke von Bedeutung.
Die Kapazitätsangaben sind Kleinsignal-Messwerte. Sie können unter Betriebsbedingungen (Betriebsfeldstärke und mechanische Belastung) bis um den Faktor 2 ansteigen.
Zulässige Last
Wir unterscheiden mechanische Druck- und Zugbelastung.
Die Druckbelastbarkeit ist abhängig von der Querschnittsfläche und führt zur Stauchung des elastischen Systems Stapel in Abhängigkeit von dessen mechanischer Steifigkeit. Der Nullpunkt einer piezoaktorischen Dehnung wird dadurch verschoben.
Die maximal zulässige Drucklast errechnet sich aus der maximal zulässigen Druckspannung von 40 N/mm² und der Querschnittsfläche des Aktors.
Die tatsächliche Drucklast in der Anwendung setzt sich zusammen aus der Vorspannung und der statischen und dynamischen Last. Die Summe sollte den maximal zulässigen Wert nicht überschreiten.
Zugbelastungen sollten auf maximal 80 % der Vorspannkraft beschränkt sein.
Vorspannung
Das Vorspannen von Stapelaktoren wirkt sich positiv auf eine Reihe von Eigenschaften, insbesondere bei dynamischem Betrieb, aus:
- höhere äußere Zugbelastbarkeit von 80 % der Vorspannkraft
- höhere Eigensteifigkeit
- Kompensation der Trägkeitskräfte im dynamischen Betrieb
- Erhöhung der Dehnung bei den Werkstoffen FPM231 und FPM203.
spez. Dehnung als Funktion der mechanischen Druckspannung
Wir empfehlen eine Vorspannungskraft (F_v) mit 25 N/mm² Aktor-Querschnittsfläche bzw. 62,5 % der zulässigen Drucklast (F_zul.).
Die Steifigkeit der Vorspannfeder sollte 10 % der Aktorsteifigkeit nicht übersteigen.
Resonanzfrequenz
Es wurde ermittelt bei Kleinsignalansteuerung und frei schwingendem Aktorkörper.

Bezeichnungsschlüssel:

pa/ps<A><B>/<C>x<D>x<E>/<F>

pa =
Piezoaktor

ps =
Stapelausführung

<A> =
maximale Betriebsspannung und Polarisationsspannung in 100 V

3 = 300 V

5 = 500 V

10 = 1000 V

<B> =
Werkstoffschlüssel

1 = FPM 220*

2 = FPM 202

3 = FPM 231

4 = FPM 110

5 = FPM 225 Elektrostriktor RT

6 = FPM 226 Elektrostriktor 50°C

7 = FPM 203

* wird durch FPM 231 abgelöst!

<C>x<D>x<E> =
Abmessungen

Höhe x Breite x Tiefe

für runde Teile: Höhe x Durchmesser

<F> =
Ausführung

a, b, c, ... für Spezifik Drahtlänge, Art des Kabels, Endscheibengestaltung usw. ersichtlich in der spezifischen Produktzeichnung

Einsatz von Stapelaktoren

marco bietet komplette Systemlösungen auf der Basis kundenspezifischer Forderungen an:

Stapel im Gehäuse mit mechanischer Vorspannung und integriertem Wegmesssystem für positionsgeregelten Betrieb
Hochintegrierte geregelte Positioniersysteme für 12 V - Ansteuerspannung
Wegübersetzte Systeme
Ansteuerelektroniken für analogen und Schaltbetrieb, für statische bis hochdynamische Stellbewegungen, für gesteuerte und geregelte Positionieraufgaben

Für hochdynamische Anwendungen werden Torque-Blöcke^® eingesetzt. Gegenüber Stapelaktoren bieten sie den Vorteil einer größeren Lebensdauer wegen Stressminimierung an den Kontaktbahnen und der Möglichkeit des Aufbaus temperaturkompensierter Systeme.
Auf Wunsch können die Lotbahnen bei Stapelaktoren auch verstärkt und damit strombelastbarer gestaltet werden sowie mit Inlays zur Verbesserung der mechanischen Stabilität des spröden Lotmaterials ausgeführt sein.

Beispielhaft sind nachfolgend technische Kennwerte
für ausgewählte Stapel aus dem Werkstoff FPM 220
mit runden Querschnitten der
Durchmesser 10 mm, 15 mm, 25 mm und 35 mm aufgeführt:

Typ
Abmessungen
Hub
Betriebs-
zulässige
Resonanz-
Kapazität

d^+0,5
a_max
l
bei U_max=1000 V
steifigkeit
Last
frequenz
(typisch)

[mm]
[mm]
[mm]
[µm]
[N/µm]
[kN]
[kHz]
[nF]

pa/ps101/16x10/a
10
12
16
20
79
2,4
78
75

pa/ps101/31x10/a
10
12
31
40
41
2,4
41
150

pa/ps101/46x10/a
10
12
46
60
27
2,4
26
225

pa/ps101/16x15/a
15
17
16
20
177
5,4
73
165

pa/ps101/31x15/a
15
17
31
40
91
5,4
39
330

pa/ps101/46x15/a
15
17
46
60
62
5,4
24
495

pa/ps101/16x25/a
25
27
16
20
491
15,0
65
460

pa/ps101/31x25/a
25
27
31
40
253
15,0
34
930

pa/ps101/46x25/a
25
27
46
60
171
15,0
21
1395

pa/ps101/16x35/a
35
37
16
20
962
30,0
49
915

pa/ps101/31x35/a
35
37
31
40
497
30,0
25
1830

pa/ps101/46x35/a
35
37
46
60
335
30,0
16
2745

Für eine Auswahl Stapel mit rechteckigen
Querschnitten 3 mm x 3 mm,
4 mm x 5 mm und 8 mm x 8 mm
aus dem Werkstoff FPM 231 werden folgende
Kennwerte angegeben:

Hub l
Hub l_nenn
Bauhöhe l
Steifigkeit
zulässige
Vor-
Kapazität
Resonanz-

bei F_v
bei F=0

Drucklast
spann-

frequenz

und U=300 V
und U=300 V

F_zul.
kraft F_v

[µm]
[µm]
[mm]
[N/µm]
[kN]
[kN]
[µF]
[kHz]

pa/ps33/5x8x8/a
7
5
5
225
2,5
1,56
0,26
178

pa/ps33/9x8x8/a
14
10
9
125
2,5
1,56
0,52
117

pa/ps33/18x8x8/a
28
20
18
62
2,5
1,56
1,03
63

pa/ps33/26x8x8/a
42
30
26
43
2,5
1,56
1,50
45

pa/ps33/5x4x5/a
7
5
5
80
0,8
0,5
0,10
253

pa/ps33/9x4x5/a
14
10
9
45
0,8
0,5
0,19
125

pa/ps33/18x4x5/a
28
20
18
22
0,8
0,5
0,38
68

pa/ps33/26x4x5/a
42
30
26
15
0,8
0,5
0,52
47

pa/ps33/5x3x3/a
7
5
5
40
0,4
0,25
0,05
260

pa/ps33/9x3x3/a
14
10
9
22
0,4
0,25
0,10
130

pa/ps33/18x3x3/a
28
20
18
11
0,4
0,25
0,19
70

Bestellnummer
Release
Bezeichnung

pa/ps

Piezokeramische Stapelaktoren

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marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Hans-Böckler-Str. 2 . D-85221 Dachau
Tel (+49) [0] 8131 5161 0 . Fax (+49) [0] 8131 5161 66

pa =	Piezoaktor
ps =	Stapelausführung
<A> =	maximale Betriebsspannung und Polarisationsspannung in 100 V
	3 = 300 V
	5 = 500 V
	10 = 1000 V
<B> =	Werkstoffschlüssel
	1 = FPM 220*
	2 = FPM 202
	3 = FPM 231
	4 = FPM 110
	5 = FPM 225 Elektrostriktor RT
	6 = FPM 226 Elektrostriktor 50°C
	7 = FPM 203
	* wird durch FPM 231 abgelöst!
<C>x<D>x<E> =	Abmessungen
	Höhe x Breite x Tiefe
	für runde Teile: Höhe x Durchmesser
<F> =	Ausführung
	a, b, c, ... für Spezifik Drahtlänge, Art des Kabels, Endscheibengestaltung usw. ersichtlich in der spezifischen Produktzeichnung

Typ	Abmessungen			Hub	Betriebs-	zulässige	Resonanz-	Kapazität
	d^+0,5	a_max	l	bei U_max=1000 V	steifigkeit	Last	frequenz	(typisch)
	[mm]	[mm]	[mm]	[µm]	[N/µm]	[kN]	[kHz]	[nF]

pa/ps101/16x10/a	10	12	16	20	79	2,4	78	75
pa/ps101/31x10/a	10	12	31	40	41	2,4	41	150
pa/ps101/46x10/a	10	12	46	60	27	2,4	26	225
pa/ps101/16x15/a	15	17	16	20	177	5,4	73	165
pa/ps101/31x15/a	15	17	31	40	91	5,4	39	330
pa/ps101/46x15/a	15	17	46	60	62	5,4	24	495
pa/ps101/16x25/a	25	27	16	20	491	15,0	65	460
pa/ps101/31x25/a	25	27	31	40	253	15,0	34	930
pa/ps101/46x25/a	25	27	46	60	171	15,0	21	1395
pa/ps101/16x35/a	35	37	16	20	962	30,0	49	915
pa/ps101/31x35/a	35	37	31	40	497	30,0	25	1830
pa/ps101/46x35/a	35	37	46	60	335	30,0	16	2745

	Hub l	Hub l_nenn	Bauhöhe l	Steifigkeit	zulässige	Vor-	Kapazität	Resonanz-
	bei F_v	bei F=0			Drucklast	spann-		frequenz
	und U=300 V	und U=300 V			F_zul.	kraft F_v
	[µm]	[µm]	[mm]	[N/µm]	[kN]	[kN]	[µF]	[kHz]

pa/ps33/5x8x8/a	7	5	5	225	2,5	1,56	0,26	178
pa/ps33/9x8x8/a	14	10	9	125	2,5	1,56	0,52	117
pa/ps33/18x8x8/a	28	20	18	62	2,5	1,56	1,03	63
pa/ps33/26x8x8/a	42	30	26	43	2,5	1,56	1,50	45
pa/ps33/5x4x5/a	7	5	5	80	0,8	0,5	0,10	253
pa/ps33/9x4x5/a	14	10	9	45	0,8	0,5	0,19	125
pa/ps33/18x4x5/a	28	20	18	22	0,8	0,5	0,38	68
pa/ps33/26x4x5/a	42	30	26	15	0,8	0,5	0,52	47
pa/ps33/5x3x3/a	7	5	5	40	0,4	0,25	0,05	260
pa/ps33/9x3x3/a	14	10	9	22	0,4	0,25	0,10	130
pa/ps33/18x3x3/a	28	20	18	11	0,4	0,25	0,19	70

Bestellnummer	Release	Bezeichnung
pa/ps		Piezokeramische Stapelaktoren