DE19704389C2 - Aktor aus Einzelelementen - Google Patents
Aktor aus EinzelelementenInfo
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- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft einen Aktor aus
Einzelelementen aus einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material, wie er
z. B. als Biegeelement mit hoher Auslenkung bei großer Blockierkraft eingesetzt
werden kann.
Aktoren aus piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materialien werden zahlreich in
der Technik angewandt und führen im wesentlichen Stellwege aus. Für die
verschiedensten Anwendungsfälle werden konkrete Aktoren hergestellt.
Bei alle diesen verschiedenen bekannten Aktortypen aus piezoelektrischen oder
elektrostriktiven Materialien müssen Kompromisse z. B. hinsichtlich Größe des
Stellweges, Steifigkeit (Blockierkraft), Preis, Zuverlässigkeit eingegangen werden.
Bekannt sind Aktoren nach US 4,812,698, bei denen eine piezoelektrisches Element
auf ein Substrat aufgebracht ist, wobei das piezoelektrische Element aus mehreren
hundert Schichten mit dazwischenliegenden Elektroden zusammengesetzt ist. Die
Schichtung erfolgt in Dickenrichtung der Schichten und ihre Anordnung ist derart,
daß ihre Dehnung in Längsrichtung ausgenutzt wird.
Eine besonders große Auslenkung erreicht der sogenannte Benderaktor der Fa.
HCT, Lauf (Prospekt "Benderaktor", 1996).
Diese Benderaktor wird aus einem Stapelaktor hergestellt. Dazu wird ein Stapelaktor
(beispielsweise mit ca. 570 Schichten), der in Richtung seiner Längsachse eine
besonders große Auslenkung hat, längs, d. h. quer zu den Schichten des
Stapelaktors, in ca. 1 mm dicke Scheiben geschnitten. Jeweils eine dieser Scheiben
wird danach längs auf ein Al2O3-Substrat aufgeklebt und bildet damit eine
Stapelsäule, die über die Längsseiten elektrisch angeschlossen wird.
Beim Anlegen der Spannung dehnt sich diese Säule und führt durch die feste
Verklebung mit der Unterlage zu einer Verbiegung des Substrates.
Die Deformation ist ca. dreimal so groß, wie bei einem herkömmlichen Kontraktor
nach dem Stand der Technik, wodurch damit auch die Verbiegung des Substrates
entsprechend groß wird.
Diese große Auslenkung entsteht folgendermaßen.
Bei dem Stapelaktor wird eine sehr große Auslenkung in Richtung seiner
Längsachse erreicht, weil die Dehnung S3 der einzelnen Schichten in ihrer Dicke
(damit in Richtung der Längsachse des Stapelaktors) wesentlich größer ist, als die
Kontraktion in Querrichtung S1. Die große Deformation der Säule verbiegt den
Träger stark.
Ein wesentlicher Mangel dieses Benderaktors und auch der anderen bekannten
Aktoren, die eine derart große Auslenkung erreichen, besteht aber in seiner relativ
geringen Lebensdauer. Durch die starke Verbiegung wird die quer aufgeklebte lange
und dünne Stapelsäule stark deformiert und es kommt relativ schnell zu
unkontrollierbaren Rissen im Laminat, die letztendlich nach relativ kurzer Zeit zur
Zerstörung dieses Benderaktors führen.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Aktoren besteht in ihrer komplizierten
Herstellung und dem damit verbundenen hohen Preis.
Diese beiden Nachteile zusammengenommen, kurze Lebensdauer und hoher Preis,
geben diesem Bauteil wohl nur eine Chance für eine Anwendung bei der statischen
Verstellung mit wenigen Zyklen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Aktor aus Einzelelementen aus
einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material anzugeben, der eine
vergleichsweise große Auslenkung aufweist, und darüber hinaus eine längere
Lebensdauer hat und auf einfache Weise preisgünstiger herstellbar ist.
Die Aufgabe wird durch einen Aktor aus Einzelelementen mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Vorteile des Benderaktors nach
dem Stand der Technik ausgenutzt und seine Nachteile beseitigt. Es wird kein
Gesamtlaminat verwendet sondern ein Bauteil aus Einzelelementen mit
dazwischenliegenden "Dehnungslücken".
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der gefundenen Erkenntnis, daß
Stapelaktoren mit geringer Stapelhöhe hintereinander aufgebracht, sozusagen "in
Reihe geschalten", die Unterlage ebenfalls stark verbiegen, wie bei dem
Benderaktor. Die geringe Verbiegung, die ein Einzelelement ausübt, wird durch die
Hintereinanderaufreihung summiert und führt damit zu vergleichbaren Ergebnissen
in Bezug auf die Auslenkung, wie beim Benderaktor.
Die erfindungsgemäße Lösung hat jedoch wesentliche Vorteile gegenüber dem
Benderaktor.
Bei der Verbiegung des fertigen erfindungsgemäßen Aktors bilden die Abstände
zwischen den Einzelelementen und auch die nicht festen Verbindungen der
Einzelelemente untereinander kleine Dehnungslücken. Diese Dehnungslücken, die
sich bei der Rückführung des erfindungsgemäßen Aktors in die Ausgangslage,
wieder zurückbilden, bilden für das gesamte Bauelement eine "Sollbruchstelle".
Dadurch wird das Einzelelement bei der Verbiegung in Abhängigkeit von seiner
Stapelhöhe in sich nur wenig oder gar nicht verbogen, wodurch kaum ein
unkontrollierter Laminatbruch oder eine unkontrollierte Rißbildung auftritt und daß
Einzelelement hat somit eine wesentlich höhere Lebensdauer. Diese sich bildenden
Dehnungslücken und auch mögliche Abstände zwischen den Einzelelementen
haben keinen oder nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Höhe der
Verbiegung. Somit wird für den erfindungsgemäßen Aktor eine wesentlich höhere
Lebensdauer erreicht, als bei dem Benderaktor nach dem Stand der Technik.
Weiterhin ist der erfindungsgemäße Aktor wesentlich einfacher herstellbar, als der
Benderaktor und ist insgesamt auch wesentlich preisgünstiger.
Für den erfindungsgemäßen Aktor können Stapelaktoren mit geringer Stapelhöhe
verwendet werden, die ohne weiteres nach dem Verfahren zur Herstellung von MLC-
Kondensatoren hergestellt werden können. Dieses Verfahren ist in der Technik
eingeführt und die Stapelaktoren können damit in großer Stückzahl und zu einem
geringen Preis produziert werden.
Derartige Stapelaktoren können danach mittels ebenfalls in der Elektronikindustrie
bekannten und eingeführten Apparaten ausgerichtet und in einer Reihe angeordnet
werden. Eine Reihe dieser Stapelaktoren mit einem beliebigen oder keinem Abstand
zwischen ihnen kann danach beispielsweise mit einer Klebfolie fixiert und auf ein
Al2O3-Substrat aufgeklebt und über die bereits vorhandenen elektrischen
Anschlüsse miteinander verschaltet werden.
Durch die erfindungsgemäßen Aktoren werden die piezoelektrischen oder
elektrostriktiven Effekte der eingesetzten Materialien ausgenutzt.
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Dabei zeigt Fig. 1 den Aufbau des erfindungsgemäßen Aktors.
Aus einem bekannten Elektrostriktions-Werkstoff Pb[Fe1/2Nb1/2]O3 - Pb[Fe2/3W1/3]O3 -
Pb[Ni1/3Nb2/3}O3 + PbSnO3 werden auf einer Vielschichtkondensatorlinie
Stapelaktoren 2 der Größe 0805 hergestellt. Die Schichtdicke der einzelnen
Schichten beträgt 15 µm und die Anzahl der Schichten im Stapelaktor 2 beträgt 45.
Die Herstellung des Stapelaktors 2 erfolgt in allen Teilschritten nach dem bekannten
Verfahren zur Herstellung von MLC-Kondensatoren. Bei der anschließenden
automatischen Prüfung jedes einzelnen Stapelaktors 2 weist jeder beim Anlegen
einer Spannung von 100 V eine Dehnung von 1 µm auf.
18 derartiger Stapelaktoren 2 werden quer zu ihrem Schichtaufbau und
hintereinander längs zu ihrem Schichtaufbau auf eine Klebefolie gesetzt und damit
fixiert und dann auf ein vorgefertigtes Al2O3-Stäbchen 1 mit den Abmessungen 20 ×
5 × 0,3 mm3 aufgeklebt. Auf dem Al2O3-Stäbchen 1 sind zwei Leiterbahnen 4
(Parallelschaltung) aufgebracht, die jeweils mit den kontaktierten Kanten 5 der
Stapelaktoren 2 in Berührung gebracht und mit Anschlüssen 3 versehen werden,
wodurch eine elektrische Verschaltung aller Stapelaktoren 2 erfolgt ist.
Nach dem Messen der Auslenkung des erfindungsgemäßen elektrostriktiven Aktors
mit einem Laserinterferometer sind die in der Tabelle 1 angegebenen Werte ermittelt
worden:
Bei einem Vergleich mit dem Benderaktor nach dem Stand der Technik muß eine
Normierung der Werte vorgenommen werden, da beide Bauelemente durch
unterschiedliche Länge (quadratischer Einfluß) und unterschiedliche Werkstoffe
nicht unmittelbar vergleichbar sind.
Hinsichtlich der Auslenkung werden gleich große oder insbesondere im unteren
Spannungsbereich verbesserte Werfe erreicht.
Beim Dauerbetrieb des erfindungsgemäßen Aktors konnten keine Risse oder
Beschädigungen festgestellt werden.
1
Substrat
2
Einzelelement, Stapelaktor
3
Anschlüsse
4
Leiterbahn
5
Kontaktierung der Einzelelemente
Claims (10)
1. Aktor aus elektrisch angeschlossenen Einzelelementen, aus piezoelektrischen oder elektrostriktiven
Materialien, bei dem die Einzelelemente (2) aus Stapelaktoren aus mindestens zwei
Schichten bestehen und mindestens zwei Einzelelemente (2) quer zu ihren.
Schichten und hintereinander parallel zu ihren Schichten auf ein Substrat
(1) aufgebracht und mit dem Substrat (1) fest verbunden sind, wobei die
mindestens zwei Einzelelemente (2) nicht fest miteinander verbunden sind.
2. Aktor nach Anspruch 1, bei dem die Stapelaktoren (2) bis
200 Schichten aufweisen.
3. Aktor nach Anspruch 2, bei dem die Stapelaktoren (2) 40 bis
60 Schichten aufweisen.
4. Aktor nach Anspruch 1, bei dem 10 bis 20 Einzelelemente (2) hintereinander auf
ein Substrat (1) aufgebracht sind.
5. Aktor nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente (2) auf ein Al2O3-Substrat (1)
aufgeklebt sind.
6. Aktor nach Anspruch 1, bei dem zwischen den Einzelelementen (2) ein Abstand
besteht.
7. Aktor nach Anspruch 6, bei dem zwischen den Einzelelementen (2) ein Abstand
von maximal der Länge eines Einzelelementes (2) besteht.
8. Aktor nach Anspruch 1, bei dem zwischen den Einzelelementen (2) kein Abstand
besteht.
9. Aktor nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente (2) über die Längsseiten
elektrisch angeschlossen sind.
10. Aktor nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente (2) in Gruppen mit
getrennter Ansteuerung eingeteilt sind.
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1997
- 1997-02-06 DE DE19704389A patent/DE19704389C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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DE19704389A1 (de) | 1998-08-13 |
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