Zusammenfassung
Ein Amplified Piezo Actuator besteht aus einem piezoelektrischen Stapelaktor und einem metallischen Festkörpergelenkrahmen. Durch diese Kombination ist trotz geringer mechanischer Auslenkungen des Stapelaktors ein für viele Anwendungen nötiger, größerer Stellweg realisierbar. Gleichzeitig können die Vorteile des piezoelektrischen Wandlerprinzips wie hohe Präzision, hohe Eigenfrequenz und hohe Blockierkraft beibehalten werden. Für den Entwurf eines solchen Amplified Piezo Actuators können sowohl analytische Modelle als auch numerische Simulationen hinzugezogen werden. In dieser Arbeit werden ausgewählte analytische Modelle hergeleitet und hinsichtlich eines konkreten Anwendungsbeispiels angepasst. Dies beinhaltet eine rein geometrische Betrachtung, die Beschreibung des mechanischen Aktorverhaltens durch ein elastostatisches sowie ein nachgiebigkeitsbasiertes Modell. Zudem werden Parameterstudien mithilfe entsprechender numerischer Simulationen durchgeführt. Die aus den Simulationsergebnissen gezogenen Schlüsse fließen in die Fertigung von fünf Festkörpergelenkrahmen mit unterschiedlichen Eigenschaften ein. Die Validierung der analytischen und numerischen Modelle anhand durchgeführter Messungen an den gefertigten Aufbauten runden den Beitrag ab.
Abstract
The combination of a piezoelectric stack actuator and a metallic frame providing flexural hinges is commonly called Amplified Piezo Actuator. The stack actuator offers only small displacements. In contrast, the combination of actuator and frame overcomes this disadvantage by yielding higher displacements necessary for many applications while featuring the same advantages of piezoelectric actuators, such as high precision, high eigenfrequency and blocking force. To design an Amplified Piezo Actuator, analytical models as well as numerical simulations can be used. In this contribution, selected analytical models are deduced while focusing on a specific practical application. Besides a geometrical characterization, this comprises the derivation of an elastostatic model and a model based on the mechanical compliances. Furthermore, parameter studies utilizing numerical simulations are conducted. Five distinct frames are fabricated following the conclusions derived from the numerical simulations. Finally, the manufactured Amplified Piezo Actuators are characterized experimentally. In this way, the analytical models and the numerical simulations are validated.
About the authors
Michael Löffler studierte von 2006 bis 2012 Mechatronik an der Universität Erlangen-Nürnberg. Seit 2012 ist er als wissenschaftlicher Assistent am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsschwerpunkte liegen unter anderem in der Charakterisierung magnetischer und magnetostriktiver Materialien sowie deren Einsatz in Sensoren und Aktoren.
Lehrstuhl für Sensorik, Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg, Erlangen
Manuel Weiß hat von 2008 bis 2014 Mechatronik an der Universität Erlangen-Nürnberg studiert. Seit 2014 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsarbeiten umfassen die simulationsbasierte Materialcharakterisierung von piezoelektrischen und passiven Materialien sowie adaptiven Werkstoffverbunden.
Lehrstuhl für Sensorik, Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg, Erlangen
Thomas Wiesgickl studierte von 2010 bis 2014 an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg und von 2014 bis 2016 an der Universität Erlangen-Nürnberg Mechatronik. Im Rahmen seiner Masterarbeit am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg beschäftigte er sich mit dem Thema Modellierung und Entwicklung eines Amplified Piezo Actuators.
Lehrstuhl für Sensorik, Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg, Erlangen
Stefan J. Rupitsch wurde 2008 im Rahmen seiner Tätigkeit als Forschungsassistent am Institut für Elektrische Messtechnik an der Johannes Kepler Universität Linz promoviert. Seit 2008 ist er als Postdoktorand am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsschwerpunkte umfassen unter anderem piezoelektrische Sensoren und Aktoren, simulationsbasierte Materialcharakterisierung sowie die technische Ultraschall-Bildgebung.
Lehrstuhl für Sensorik, Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg, Erlangen
Danksagung
Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung der Arbeiten im Rahmen des Transregio TR39 PT-PIESA (Teilprojekt C06).
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