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www designelektronik de DESIGN&ELEKTRONIK 13 2020 23 Piezowandler sind aufgrund mehrerer Eigenschaften vorteilhaft ■ Sie sind dünn <1 mm und flexibel Es gibt viele Möglichkeit sie zu montieren und sie können fast jedes gewünschte Frequenzmuster erzeugen ■ Sie erzeugen Vibrationen über ganze Bereiche einer Oberfläche und können berührungsempfindlich ausgeführt sein ■ Sie sind sehr effizient abhängig von der Methode zum Ansteuern des Piezoelements ■ Sie können beliebige Vibrationsfrequenzen über einen großen Frequenzbereich wiedergeben ■ Sie können amplitudenoder frequenzmodulierte haptische Signalmuster erzeugen ■ Sie haben eine sehr geringe Trägheit und daher eine sehr schnelle Reaktionszeit ■ Sie erzeugen keine elektromagnetischen Störungen EMI ■ Sie haben eine hohe Störfestigkeit in industriellen und kommerziellen Anwendungen Von Bedeutung ist aber auch dass Piezoaktoren mit relativ hohen Spannungen betrieben werden müssen um signifikante mechanische Schwingungen zu erzeugen typischerweise sind das Spitze-SpitzeSpannungen von 60 Vbis 200 V Außerdem stellen Piezoaktoren in erster Linie eine kapazitive Last in der Treiberschaltung dar und lassen sich deshalb mit speziellen elektronischen Treiberschaltungen vorteilhaft betreiben ■ Aufbau und physikalische Eigenschaften von Piezowandlern Piezowandler gibt es je nach Anwendung in vielen unterschiedlichen physikalischen Ausprägungen Ein Piezoaktor der am häufigsten für die haptische und akustische Wiedergabe verwendet wird hat die Form eines bimorphen Biegers der auf einer Innenfläche montiert ist Diese Fläche ist beispielsweise ein Bestandteil eines Gehäuses von tragbaren Geräten beziehungsweise Wearables oder eines Touchscreens Bild 1 zeigt ein Beispiel eines einlagigen Piezoaktors der auf einer Oberfläche montiert wurde Ein Bimorph-Bieger besteht allgemein aus einer oder mehreren Lagen polykristallinen Keramikmaterials das auf einer leitfähigen Unterlage Messing oder Kupfer mechanisch befestigt ist Bild 1 Nachdem die einzelnen Lagen aufgebracht wurden wird eine hohe DC-Polarisationsspannung an die Piezostruktur angelegt um die Grenzfläche des Kristalls auszurichten und so den inversen Piezoeffekt zu verstärken das heißt die Spannung erhöht die elektromotorische Kraft Anschließend definiert die Polarisationsspannung die Richtung der mechanischen Kraft die mit der angelegten Spannung erzeugt wird Eine Erhöhung der angelegten Spannung in Richtung der Polarisationsspannung erhöht die mechanische Kraft beziehungsweise die Verformung Durchbiegung Die Polarisierung der einzelnen Piezolagen kann in der gleichen Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen erfolgen Jede Methode hat ihre Vorteile und lässt sich verwenden um die gewünschten Piezoeffekte zu erzeugen Bild 1 zeigt einen Piezoaktor der auf einer Oberfläche aufgebracht ist die orthogonal zur Polarisationsspannung liegt Dieser Aufbau und die ausgeübte elektromotorische Kraft erzeugt eine Kraft auf die Montage-Grundfläche und folglich gibt es nur eine geringe Auslenkung des Piezoelements Wenn die Grundfläche senkrecht zum Piezoaktor montiert wäre in gestrichelten Linien dargestellt und das gegenüberliegende Ende des Aktors nicht eingespannt wäre würde dies eine größere Auslenkung des Piezos verursachen Die in Bild 1 gezeigte Montageanordnung könnte beispielsweise eine Displayanzeige sein wobei die generierte Kraft in die Oberfläche geleitet wird Das erzeugt eine maximale Leitkraft bei minimaler Verformung Diese Methode könnte zum Beispiel bei einem berührungsaktiven Display zur Erzeugung einer Vibration genutzt werden die über die Finger haptisch wahrgenommen werden kann Es ist zu beachten dass jedes Material das sich zwischen dem Piezoelement und der Montagefläche befindet mechanische Energie absorbiert und dazu neigt die übertragene Schwingung zu dämpfen insbesondere wenn das Material weich oder elastisch ist Ein Piezowandler lässt sich auch dazu verwenden um ein lokale haptische Rückmeldung zu geben Das kann zum Beispiel durch die Anordnung einer Anzahl von Piezoelementen unter einem Touchscreen oder einem Tastaturdisplay erreicht werden sodass jedes Piezoelement entsprechend seiner Platzierung ein lokales haptisches Gefühl erzeugt Wird eine Berührung wahrgenommen ermittelt das Display nicht nur die X-Y-Position der Berührung sondern es wird auch ein Piezotreiber aktiviert der den jeweiligen Piezoaktor anregt Das lässt sich durch einen Hochspannungs-MUX oder durch separate Piezoverstärker erreichen Bild 1 Aufbau bimorpher Piezoaktoren Bild 2 Piezoaktor mit polykristallinen Domänen vor und nach der Polarisation