Rüdiger G. Ballas – författare

An important aim of the presented book is the explanation of the application of piezoelectric materials such as piezoceramics within the wide field of electromechanical actuators and sensor technology. The reader should be presented the physical and mechanical properties of piezoceramics in a distinct way. In a next step, the reader is introduced into the mechanical description of the static behavior of piezoelectric multilayer beam bending actuators.

The description of the dynamic behavior of piezoelectric multilayered bending actuators is effected on the basis of Lagrange‘s formalism and Hamilton‘s principle. The achieved insights are used for the systematic development of the electromechanical circuit representation within the scope of the network theory for any design of piezoelectric bending actuators.

The applications of piezoelectric multilayer beam bending actuators can be extended by means of special displacement sensors allowing for the compensation of effects such as hysteresis, creep and drift being typical for piezoelectric actuators. Within the scope of the presented book, two different sensor-actuator-systems are presented being based on an integrated capacitive and inductive displacement sensor, respectively.

Analytical simulations of the static and dynamic behavior are compared to real measurement results of a specially developed piezoelectric multilayer beam bender. Here, the suitability of the developed theoretical aspects is shown in an outstanding way.

Elektromechanische Systeme aus elektrischen, mechanischen und akustischen Teilsystemen haben im Präzisionsgerätebau, in der Sensor- und Aktortechnik, der Elektroakustik sowie in der Medizintechnik eine große Bedeutung. Die Vermittlung einer anschaulichen, ingenieurmäßigen Entwurfsmethode für diese Systeme auf der Grundlage einer schaltungstechnischen Darstellung ist das Hauptanliegen des Fachbuchs. Es ermöglicht einen raschen Einstieg in die mechanischen, akustischen, hydraulischen und thermischen Problemstellungen durch die Anwendung des schaltungstechnischen Grundwissens. Die 2. Auflage wurde neu bearbeitet und didaktisch verbessert. Die Netzwerkbeschreibungsmethodik wurde auf finite Netzwerkelemente und die Kombination mit der Finite-Elemente-Beschreibung (FEM) erweitert: aus der Kombination der Vorteile beider Beschreibungsmethoden ergeben sich neuartige Lösungsansätze vor allem im höheren Frequenzbereich. Das Buch bietet zahlreiche aktuelle Beispiele zum Entwurf von Sensoren und Aktoren sowie von direkt gekoppelten Sensor-Aktor-Systemen. Der Anhang enthält anspruchsvollere Grundlagen zur Signalbeschreibung sowie eine Zusammenstellung wichtiger Materialdaten.

Die vielfältigen industriellen Einsatzmöglichkeiten von piezoelektrischen Biegewandlern als Aktoren und hochpräzise Positioniersysteme erfordern eine an die jeweilige Aufgabe angepasste Leistungsfähigkeit. Dies setzt voraus, dass bereits in der Entwurfs- und Entwicklungsphase das statische und dynamische Verhalten solcher Aktor-Strukturen in der jeweiligen Anwendung vorhergesagt werden kann. Die geometrischen Abmessungen der einzelnen aktiven und passiven Schichten, ihre Abfolge im Schichtsystem und ihre elasto- und elektromechanischen Eigenschaften sind dabei Schlüsselfaktoren. Dieses Buch konzentriert sich auf die analytische Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens von piezoelektrischen Mehrschicht-Biegewandlern. Es soll Studierenden der Natur- und Ingenieurwissenschaften, insbesondere der Physik, der Mikro- und Feinwerktechnik, der Mess- und Sensortechnik, der Mechatronik und Automatisierungstechnik sowie Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen in der Praxis ein solides technisches Werkzeug für den Entwurf von piezokeramischen Biegewandlern an die Hand geben. Die Vorteile der analytischen Beschreibung werden anhand realer Messungen an einem Monomorph in Multilayer-Technologie demonstriert. Die Anforderungen an das Verständnis des Materials beschränken sich auf Grundkenntnisse der ein- und mehrdimensionalen Analysis sowie der elementaren Newtonschen Mechanik, der technischen Mechanik und der Elektrizitätslehre.