Piezoelektrischer Effekt

Der Piezoeffekt wurde 1880 vom Ehepaar Curie entdeckt und beschreibt den Zusammenhang zwischen mechanischen Kräften und elektrischer Spannung bei verschiedenen Werkstoffen: Eine angelegte elektrische Spannung verändert die Größe des Kristalls. Der Effekt tritt bei monokristallinen Materialien wie Quarz auf. Die erzielbaren Spannungen oder Auslenkungen sind allerdings sehr gering, daher wurden polykristalline Keramiken wie z. B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) mit stark verbesserten Eigenschaften entwickelt.

PZT-Kristalle weisen unterhalb der Curie-Temperatur (oberhalb der Curie-Temperatur verliert ein Permanent-Magnet seine Magnetisierung) eine verzerrte Gitterstruktur auf, die zu einer statistisch verteilten Polarisation führt (siehe Bild). Diese Polarisation ist für den piezoelektrischen Effekt verantwortlich. Um eine möglichst große Wirkung zu erzielen, werden Bereiche verschieden gerichteter Polarisation bei der Herstellung permanent in die Richtung des polenden Felds ausgerichtet. Die Keramik besitzt jetzt piezoelektrische Eigenschaften und verändert beim Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Dimensionen, da die veränderten Ladungen das Kristallgitter weiter verzerren.

Mit dieser Methode fertigen die Hersteller kleine Keramikscheibchen, die in einem mehrlagigen Aufbau als Stapelaktoren dienen. Das Ziel sind größere Aktoren mit möglichst großem Bewegungsspielraum. Hierzu werden viele Einzelscheiben gestapelt und elektrisch parallel geschaltet. Alternativ zur Stapellösung wären auch dickere Scheiben möglich, doch bei 0,5 mm Dicke sind schon Spannungen bis zu ca. 1000 V notwendig - in einer Kamera nicht machbar. Im Vergleich dazu genügt bei 0,1 mm dicken Keramiken 1/5 dieser Spannung zur Ansteuerung.