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Die
vorliegende Erfindung betrifft Piezoaktoren, die bei Anlegen einer
elektrischen Spannung ein bestimmtes Dehnungsverhalten in Abhängigkeit
von dieser elektrischen Spannung zeigen.
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Piezoaktoren
finden in verschiedensten Gebieten der Technik Anwendung. Sie werden
beispielsweise in Vielschichtbauweise hergestellt. Diese Vielschicht-Piezoaktoren
werden zur Ansteuerung von Einspritzventilen in Brennkraftmaschinen,
von Positioniertischen oder in der Feingerätetechnik eingesetzt, um nur
einige Beispiele zu nennen.
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US 6,274,967 offenbart einen
Piezoaktor in Vielschichtbauweise, der mit einer Vorspannvorrichtung
zur Krafteinleitung in die piezoelektrischen Schichten ausgestattet
ist. Mit Hilfe der Vorspannvorrichtung werden die piezoelektrischen
Schichten mit einer einachsigen Druckspannung entlang der Stapelrichtung
des Piezoaktors beaufschlagt.
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WO
2004/015789 A2 offenbart einen Piezoaktor mit mindestens einem stapelförmigen Piezoelement.
Das durch Elektroden eingefasste Piezoelement ist in einer Vorspannvorrichtung
derart gehalten, dass eine Krafteinleitung in ein Teilvolumen der piezoelektrischen
Schicht erfolgt. Die in die piezoelektrische Schicht eingebrachte
mechanische Vorspannung erzeugt in Kombination mit einem in der
piezoelektrischen Schicht wirkenden elektrischen Feld eine gesteigerte
Dehnung des Piezoaktors im Vergleich zu herkömmlichen Piezoaktor-Konstruktionen. Trotz
dieses Dehnungsverhaltens bzw. dieses Hubvermögens des Piezoaktors fordern
verschiedene Bereiche der Technik, wie beispielsweise die Mikromechanik,
eine weitere Hubvergrößerung bzw.
ein verbessertes Dehnungsverhalten von Piezoaktoren.
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Es
ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, einen Piezoaktor
mit gesteigertem Hubverhalten im Vergleich zum Stand der Technik
bereitzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart einen Piezoaktor, der die folgenden
Merkmale umfasst: mindestens eine piezoelektrische Schicht, die
zwischen zwei gegenüberliegenden
Elektrodenschichten zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in der
piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, mindestens eine zweite
Schicht, die angrenzend an die piezoelektrische Schicht angeordnet
ist, um mit dieser wechselzuwirken, und eine Vorspannvorrichtung,
mittels derer eine Verspannung der piezoelektrischen und der zweiten
Schicht einstellbar ist, so dass bei Erzeugen eines elektrischen
Feldes in der piezoelektrischen Schicht die Verspannung beider Schichten
ein Dehnungsverhalten des Piezoaktors unterstützt.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf dem Prinzip, eine piezoelektrische
Schicht mit einem Piezoeffekt bestimmter Stärke mit einer zweiten Schicht zu
kombinieren, die sich durch einen geringeren Piezoeffekt im Vergleich
zur piezoelektrischen Schicht auszeichnet. Geringerer Piezoeffekt
bezeichnet in diesem Zusammenhang, dass die in der zweiten Schicht
piezoelektrisch, ferroelektrisch und/oder ferroelastisch erzeugten
Dehnungen bei gleicher elektrischer Feldstärke oder mechanischer Belastung
geringer ausfallen als in der piezoelektrischen Schicht. Aufgrund
der Kombination dieser beiden Schichten mit unterschiedlichen Materialeigenschaften
steigern die eingeprägten
Verspannungen das Hubvermögen des
Piezoaktors im Vergleich zum Stand der Technik.
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Die
zweite Schicht des Piezoaktors weist eine andere elektrische Leitfähigkeit
und/oder elektrische Permittivität
und/oder einen anderen piezoelektrischen Koeffizienten und/oder
Elastizitätsmodul
als die piezoelektrische Schicht auf.
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Durch
die Ausstattung der zweiten Schicht mit anderen Materialeigenschaften
im Vergleich zur piezoelektrischen Schicht, wird der Piezoeffekt
in der piezoelektrischen Schicht teilweise eingeschränkt bzw.
blockiert, was in Kombination mit den eingeprägten Verspannungen zu einer
Verbesserung des Dehnungsverhaltens des Piezoaktors führt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
werden die piezoelektrische Schicht und die zweite Schicht durch
eine Gradientenschicht gebildet, die in Richtung senkrecht zu den
Elektrodenschichten einen piezoelektrischen Bereich und einen Bereich
sich ändernder
Materialeigenschaften, d.h. einen Materialgradienten, aufweist.
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Diese
Gradientenschicht zeichnet sich beispielsweise in Richtung senkrecht
zu den Elektrodenschichten durch einen abnehmenden Piezoeffekt,
durch eine sich ändernde
elektrische Leitfähigkeit
und/oder Elastizitätsmodul
aus. Mit Hilfe dieser Gradientenschicht wird eine Beeinflussung
des piezoelektrisch aktiven Bereichs – der piezoelektrischen Schicht – durch
einen piezoelektrisch weniger aktiven Bereich – der zweiten Schicht – erzielt,
die zu einem verbesserten Hubvermögen des Piezoaktors im Vergleich
zum Stand der Technik führt.
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Die
vorliegende Erfindung sowie bevorzugte Ausführungsformen werden durch die
nachfolgenden Zeichnungen, die detaillierte Beschreibung und die anhängenden
Ansprüche
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 bis 3 bevorzugte
Materialgestaltungen und deren Wirkung im vorliegenden Piezoaktor.
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Der
bevorzugte Piezoaktor 1, der schematisch in 1 dargestellt
ist, umfasst eine piezoelektrische Schicht 10, eine zweite
Schicht 30 und Elektrodenschichten 20. Die Elektrodenschichten 20 sind einander
gegenüberliegend
angeordnet und fassen auf diese Weise die piezoelektrische Schicht 10 und die
zweite Schicht 30 ein. Es ist ebenfalls denkbar, dass die
Elektrodenschichten 20 so angeordnet sind, dass sie nur
die piezoelektrische Schicht 10 einfassen. Neben den Schichten 10, 20, 30 umfasst
der Piezoaktor 1 eine Vorspannvorrichtung 40.
Die Vorspannvorrichtung 40 bringt eine mechanische Biegespannung
in die Schichtstruktur 10, 20, 30 ein.
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Die
zweite Schicht 30 weist andere Materialeigenschaften als
die piezoelektrische Schicht 10 auf. Die Unterschiede zur
piezoelektrischen Schicht 10 können beispielsweise durch eine
andere elektrische Leitfähigkeit
und/oder elektrische Permittivität und/oder
einen anderen piezoelektrischen Koeffizienten und/oder einen anderen
Elastizitätsmodul
als die piezoelektrische Schicht 10 gegeben sein. Es ist ebenfalls
denkbar, eine Änderung
der Materialeigenschaften in der zweiten Schicht 30 mit
Hilfe eines Materialgradienten zu realisieren. Dieser Materialgradient
kennzeichnet einen Bereich sich ändernder
Materialeigenschaften, wobei die Änderung der Materialeigenschaften
bevorzugt in der Blattebene liegend senkrecht zu den Elektrodenschichten 20 erfolgt.
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Gemäss einer
bevorzugten Ausführungsform
sind die piezoelektrische Schicht 10 und die zweite Schicht 30 nicht
als getrennte Schichten ausgeführt.
Die beiden Schichten 10, 30 bilden eine gemeinsame
Gradientenschicht, die in der Blattebene der Figuren betrachtet
in Richtung senkrecht zu den Elektrodenschichten 20 einen
piezoelektrischen Bereich und einen Bereich sich ändernder
Materialeigenschaften aufweisen. Durch die Realisierung der piezoelektrischen
Schicht 10 und der zweiten Schicht 30 in einer
gemeinsamen Gradientschicht werden beispielsweise Grenzflächenprobleme
zwischen zwei separaten aufeinander liegenden Schichten eliminiert.
Des Weiteren wird der Herstellungsaufwand verringert, da anstelle
der Herstellung von zwei Schichten nur noch eine Gradientenschicht
produziert wird. Gleichzeitig ist es neben den oben genannten Effekten
möglich,
alle gewünschten
Materialeigenschaften zu realisieren, die auch mit zwei separaten
Schichten 10, 20 erzeugt werden könnten.
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Innerhalb
dieser Gradientenschicht, die aus der piezoelektrischen Schicht 10 und
der zweiten Schicht 30 besteht, können in Dickenrichtung betrachtet,
d.h. senkrecht zu den Elektrodenschichten 20, ein piezoelektrischer
Teilbereich gefolgt von einem Bereich sich ändernder elektrischer Leitfähigkeit und/oder
sich ändernder
dielektrischer Permittivität und/oder
mit sich änderndem
piezoelektrischen Koeffizienten und/oder mit sich änderndem
Elastizitätsmodul
vorgesehen sein. Diese spezielle Materialgestaltung der Schichten 10, 30 erzeugt
bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezokeramische Schicht 10 bzw.
den piezokeramischen Teilbereich innerhalb der Gradientenschicht
zusätzliche
piezo- und ferroelektrische Dehnungsanteile. Entsprechend der äußeren mechanischen
Ein-/Vorspannungsbedingungen,
die durch die Vorspannvorrichtung 40 erzeugt werden, stellt
sich im Gleichgewicht eine andere Verformung ein, als wenn man nur
eine einzelne piezoelektrische Schicht 10 vorliegen hätte. Aufgrund des
stark nicht linearen Zusammenhangs zwischen Dehnungszustand und
Höhe der
Schichtwölbung kann
pro Schicht 10, 30 eine deutlich größere Hubveränderung
des Piezoaktors 1 erreicht werden, als es mit der in konventionellen
Stapelaktoren ausgenutzten Dickenänderung der piezokeramischen Schicht
möglich
ist. Mit Hilfe des zusätzlich
eingebrachten Materialgradienten innerhalb der Gradientenschicht
wird daher der Hub des Piezoaktors 1 nochmals gesteigert.
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Nachdem
die oben beschriebene Schichtstruktur 10, 30 hergestellt
worden ist, erfolgt die elektrische Polung der piezoelektrischen
Schicht 10 bzw. des piezoelektrischen Teilbereichs in der Gradientenschicht
durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrodenschichten 20.
Die angelegte elektrische Spannung und das dadurch innerhalb der
piezoelektrischen Schicht 10 erzeugte elektrische Feld
richtet die ferroelektrischen Domänen in Feldrichtung aus, was
schematisch durch Pfeile, die senkrecht auf den Elektrodenschichten 20 stehen, angedeutet
ist.
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Nach
erfolgter Polung wird die Schichtstruktur 10, 20, 30 in
der Vorspannvorrichtung 40 angeordnet. Diese bringt mechanische
Spannungen in die Schichtstruktur 10, 20, 30 ein.
Beispielgebend ist eine 3-Punkt-Biegeanordnung 40 dargestellt,
während
aber auch andere Vorspannvorrichtungen denkbar sind, beispielsweise
eine 4-Punkt-Biegeanordnung. Die Vorspannvorrichtung erzeugt durch
die in die Schichtstruktur 10, 20, 30 eingebrachten
mechanischen Spannungen einen Teilbereich in der piezoelektrischen
Schicht 10, der durch Zugspannungen in der Blattebene der
Zeichnungen liegend parallel zu den Elektrodenschichten 20 belastet
ist. In den in den 1 bis 3 gezeigten
Beispielen befindet sich dieser durch Zugspannungen belastete Teilbereich
in der Umgebung des Scheitelpunkts der gebogenen Schichtstruktur 10, 20, 30.
Durch die parallel zu den Elektrodenschichten 20 ausgerichteten
Pfeile nahe dem Scheitelpunkt wird angedeutet, dass die eingebrachten
Zugspannungen in diesem Bereich zu ferroelastischen Domänewandverschiebungen
und Dehnungsveränderungen
in der Schichtstruktur 10, 20, 30 führen.
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Erzeugt
man nun in der piezoelektrischen Schicht 10 ein elektrisches
Feld, führt
dies zu Domänenwandverschiebungen,
d.h. zur Ausrichtung der in den Figuren als Veranschaulichung dargestellten Pfeile
senkrecht zu den Elektrodenschichten 20. Das elektrische
Feld erzeugt innerhalb der piezoelektrischen Schicht 10 eine
Querkontraktion, d.h. ein Verkürzen
der piezoelektrischen Schicht 10 in Richtung parallel zu
den Elektrodenschichten 20 innerhalb der Blattebene betrachtet.
Innerhalb der zweiten Schicht 30 bzw. bei Vorhandensein
der oben beschriebenen Gradientenschicht innerhalb des piezoelektrisch
weniger aktiven Bereichs findet eine geringere Querkontraktion oder
Verkürzung
verglichen zur piezoelektrischen Schicht 10 statt. Durch
die stärkere
Verkürzung
in der piezoelektrischen Schicht 10 verglichen zu der gradierten
Materialschicht wird eine durch die Erzeugung einer Verbiegung durch
Einbringung einer äußeren Kraft
auftretende Hubvergrößerung des
Piezoaktors 1 durch andere Materialeigenschaften im Vergleich
zur piezoelektrischen Schicht 10 zusätzlich gesteigert. Somit liegt
der Vorteil des Piezoaktors 1 in der gezielten Kombination
der piezoelektrischen, feeroelektrischen und ferroelastischen Effekte,
um Piezoaktoren mit einem deutlich größeren Hub im Vergleich zu konventionellen
Stapelaktoren zu erzeugen. Durch die Kombination von piezokeramischer
Multilayertechnologie, Mikrostrukturierung und Mikromechanik lassen
sich mit der oben beschriebenen Methode und der Vorrichtung neue
kostengünstige
Massenanwendungen für
Niederspannungsbetrieb, z.B. im Bereich der Bio- und Medizintechnik
(Mikropumpen, Mikroventile), der Industrieelektronik (pneumatische
Ventile) und der Mikroaktorik und -motorik realisieren.
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In 2 ist
beispielgebend eine Schichtstruktur 10, 20, 30 dargestellt,
die als zweite Schicht 30 eine leitfähige Keramik mit verringertem Piezoeffekt
aufweist. Wird die vorgespannte Schichtstruktur 10, 20, 30 durch
ein elektrisches Feld belastet, kommt es zunächst in der zweiten Schicht 30 zu
einer geringeren Querkontraktion bzw. Verkürzung im Scheitelpunkt der
schematisch dargestellten Biegung im Vergleich zur piezoelektrischen
Schicht 10. Zudem führt
die Leitfähigkeit
der zweiten Schicht 30 zu einer Verstärkung des in der piezoelektrischen Schicht 10 anliegenden
elektrischen Feldes. Das verstärkte
elektrische Feld führt
aufgrund des gesteigerten Piezoeffekts zu einer stärkeren Dehnung
in Richtung senkrecht zu den Elektrodenschichten 20 innerhalb
der piezoelektrischen Schicht 10. Diese Dehnungszustände innerhalb
der Schichtstruktur 10, 20, 30 führen in
Wechselwirkung mit den eingeprägten mechanischen
Vorspannungen zu einem gesteigerten Hubvermögen des Piezoaktors 1.
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In 3.
ist eine Schichtstruktur 10, 20, 30 dargestellt,
dessen zweite Schicht 30 durch einen erhöhten Elastizitätsmodul
im Vergleich zur piezoelektrischen Schicht 10 gekennzeichnet
ist. Der gesteigerte Elastizitätsmodul
führt trotz
piezoelektrischer Materialeigenschaften innerhalb der zweiten Schicht 30 zu
einer geringeren Verkürzung
in der Umgebung des Scheitelpunkts der Schichtstruktur 10, 20, 30 im Vergleich
zur Verkürzung
in diesem Bereich innerhalb der piezoelektrischen Schicht 10.
Somit werden auch in der in 3 beispielgebend
gezeigten Schichtstruktur 10, 20, 30 unterschiedliche
Dehnungszustände
in den Schichten 10 und 30 erzeugt, die in Kombination
mit der eingeprägten
Vorspannung zu einer Hubvergrößerung des
Piezoaktors 1 führen.