Electromechanical Energy Conversion in Asymmetric Piezoelectric Bending Actuators

Piezoelectric materials can be conveniently used to build actuators which convert electrical into mechanical energy and vice versa. In structures containing beam and plate members, piezoelectric patches are employed to control flexural vibrations and optimization of the design and placement of these patches has been a concern in the development of 'smart structures' and ultrasonic motors. Rather than looking at detailed models of particular systems, it is desirable to find an optimum design of a piezoelectric patch by general consideration of energy conversion in piezoelectric layers subject to bending deformation. The electromechanical coupling factor (EMCF) and the actuator power factor are measures for the actuators ability to transform energy and can be utilized as design criteria to determine an optimum thickness of a piezoelectric patch. Compared to current designs of bending actuators, results indicate that thicker piezoelectric layers lead to better energy conversion.

Piezoelektrische Materialien eignen sich ausgezeichnet zum Bau von Aktoren, die elektrische in mechanische Energie umwandeln oder umgekehrt. An Strukturen, die zum Teil aus Balken oder Platten bestehen, werden piezoelektrische Platten aufgeklebt, um Biegeschwingungen zu erregen bzw. zu regeln. Die Positionierung und Gestaltoptimierung dieser piezoelektrischen Platten ist Gegenstand vielfältiger Untersuchungen, unter Anderem in der Entwicklung von 'smart structures' oder Ultraschallmotoren. Zur Gestaltoptimierung der piezoelektrischen Platten erscheint eine eher allgemeine Betrachtung der Energiewandlung in piezoelektrischen Schichten unter Biegeverformung vorteilhaft gegenüber der Modellierung spezieller Konfigurationen. Der Elektromechanische Kopplungsfaktor (EMCF) und der Leistungsfaktor sind Kriterien fuer die Güte der Energiewandlung, die sich zur Optimierung der Dicke der piezoelektrischen Platten oder Schichten heranziehen lassen. Es zeigt sich, dass im Vergleich zu bestehenden Gestaltungsvarianten von Biegeaktoren relativ dicke piezoelektrische Schichten optimale Energiewandlung gewährleisten.