Piezoelektrische Ringe sind hauptsächlich in Ultraschallanwendungen zu finden, aber auch für sensorische sowie aktorische Anwendungen einsetzbar. Anwendung und Performanz werden von der Wahl des piezokeramischen Werkstoffes bestimmt. Somit ist der breite Einsatz von medizinischen bis industriellen Anwendungen möglich. Die kompakten Komponenten können zudem Leistungsultraschall generieren und sind in verschiedenen Designs und Größen produzierbar. So werden dünne Piezoringe bspw. in Membrandverneblern zur Generierung feinster Medikamententröpfchen zum Inhalieren bei Lungenerkrankungen eingesetzt.
Ringe bieten gegenüber Scheiben einen entscheidenden Vorteil: Sie können auf Spannschrauben zur mechanischen Vorspannung befestigt werden. Die Vorspannung in festen Systemen ist notwendig, damit die einzelnen Ringe in der Bewegung miteinander verbunden bleiben.
Die Höherveredelung einzelner Ringe oder die Kombination mehrerer Piezoringe zu Wandlerelementen sind möglich. Besonders im Bereich der Leistungsultraschall-Transducer sind Piezoringe energieeffiziente, kompakte und vielseitig einsetzbare Komponenten. Je nach Aufbau können neben longitudinalen Auslenkungen auch Torsionsbewegungen umgesetzt werden.
Kundenspezifische Ausführungen auf Anfrage
Mit mehr als 30 Jahren Know-how in der Entwicklung und Fertigung von Piezokeramiken bietet PI Ceramic einen umfassenden Service von der Auswahl des geeigneten Materials bis zur Entwicklung anwendungsbasierter Lösungen. Die Abmessungen der Piezoringe können innerhalb der Spezifikationsgrenzen gewählt werden. Außen- sowie Innendurchmesser und Dicke der Komponenten sind von den gewünschten Spezifikationen abhängig.
Neben Siebdruck und Sputtern besteht die Möglichkeit mit Chemisch-Nickel zu beschichten. Für Chemisch-Nickel liegen die Schichtdicken zwischen 1 und 5 µm. Piezokeramische Ringe können, je nach Abmessung, aus verschiedenen weichen und harten PZT- >> Werkstoffen hergestellt werden. Harte Materialien eigenen sich für Anwendungen in den Bereichen Leistungsultraschall und Sonar, weiche dagegen für verschiedene Bereiche aus Sensorik, Aktorik und Luftultraschall. Auch unmagnetische Ausführungen für Feldstärken > 1 T sind umsetzbar sowie Fertigung von gestapelten Ringaktoren.
Mit Bismut-Natrium-Titanat (BNT) und Kalium-Natrium-Niobat (KNN) stehen zusätzlich zu unseren PZT-Materialien bleifreie Werkstoffe zur Verfügung, welche in Anwendungen wie Ultraschall-Transducern sowie -Motoren, Luftultraschallsensoren und Ultraschallverneblern bereits eingesetzt wurden. Die abweichenden Eigenschaften der >> bleifreien Werkstoffe gegenüber PZT machen eine Eignungsprüfung bei jeder Anfrage notwendig. Gern beraten wir Sie für den Einsatz in Ihrer spezifischen Anwendung.
Der Einsatz piezokeramischer Ringe als Sensoren folgt dem Prinzip des direkten Piezoeffekts. Wirkt eine mechanische Last wie Druck oder Ultraschall auf die Keramik, generiert die Piezokomponente ein elektrisches Signal. Beim Einsatz als Aktor hingegen wird eine Auslenkung des Piezorings bei Anlegen einer Spannung erzeugt. Dies kann eine Deformation durch einen Gleichstrom oder eine Vibration, bspw. im Ultraschallbereich, durch eine Wechselspannung sein. Je nach Konstruktion der Piezokomponente ist eine Auslenkung in longitudinaler, radialer, Torsions- oder Scherrichtung möglich. Die Stärke der Auslenkung ist neben der Größe der Piezoringe durch die angelegte Spannung vorgegeben.
Für Ringe mit positiver Polarisationsrichtung oben und negativer unten ergeben sich folgende Auslenkungsrichtungen:
Bei einer longitudinalen Auslenkung (d33-Effekt) wird immer auch eine geringere Deformation in radialer Richtung (d31-Effekt) erzeugt.
Um bestimmte Frequenzen im longitudinalen Vibrationsmodus zu erreichen, werden die Ringe in ihrer Dicke angepasst, für Frequenzen in radialer Richtung in ihrem Durchmesser. Für beide Varianten gilt: Umso größer, desto kleiner die Frequenz.
Scherringe und Torsionsringe benötigen einen speziellen Fertigungsweg. Je nach Aufbau sind bspw. folgende Auslenkungen möglich:
Um eine Torsionsbewegung der Ringe zu erreichen, werden diese in Segmente unterteilt und die Segmente einzeln polarisiert. Nach dem Verkleben erfolgt in jedem Segment eine Scherauslenkung, welche in Kombination zu einer Torsionsbewegung des Rings führt.
Ringe mit Sonderelektroden
Neben vollflächigen Elektroden aus Dünnschichten oder Dickschichten sind weitere Elektrodendesigns umsetzbar. So sind zum Beispiel Umkontakte für das Anbringen der elektrischen Kontaktierung an einer günstigen Position möglich. Weiterhin können Piezoringe mit segmentierten oder seitlichen Elektroden gefertigt werden. Der innere und äußere Isolierrand ist zusätzlich innerhalb frei wählbarer Grenzen vergrößerbar.
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Werkstoffdaten
Lead-Free Piezoceramic Materials
Benutzerhandbuch A000T0047
Handhabung und elektrische Kontaktierung von Piezokomponenten