DE3434729C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Biegeelement aus Piezokeramik und auf sein Herstellungsverfahren, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. Patentanspruch 4 beschrieben ist.

Es ist seit langem bekannt, Bimorph-Biegeelemente aus Piezo­ keramik herzustellen und zu verwenden. Solche Biegeelemente be­ stehen aus einer Vielzahl dünner, aufeinanderliegender, mit­ einander fest verbundener Lamellen aus Piezokeramik. Um ein solches Biegeelement mit möglichst geringer elektrischer Span­ nung betreiben zu können, hat man solche Elemente mit Lamel­ len hergestellt, die nur 100 µm Dicke haben. Selbst bei der­ art dünnen Lamellen benötigt man jedoch für verwertbare mecha­ nische Auslenkung elektrische Spannungen in der Höhe von 100 Volt. Mit 200 Volt würde im übrigen die im Einzelfall vom Keramikmaterial abhängige Grenzfeldstärke von ca. 2 kV/mm er­ reicht sein. Einzige weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Auslenkung war bisher, die für die Biegung zur Verfügung stehende Länge der Lamellen zu vergrößern, was naturgemäß zu vielfach unerwünscht großen Abmessungen der Biegeelemente führt.

Aus der gattungsbildenden US-Patentschrift 33 78 704 ist ein piezoelektrisches Biegeelement bekannt, in dem abwechselnd Schichten aus Piezo­ keramik und Elektrodenschichten aufeinander angeordnet sind. Dieses Biegeelement wird gebildet durch Sintern eines Stapels, in dem abwechselnd schichtenweise Rohkeramikmaterial und Material für die Elektrodenschichten aufeinander angeordnet ist. Da die Elektrodenschichten mit den Rohkeramikschichten ge­ sintert werden, muß für die Elektroden sinterbeständiges Material, z. B. Platin, verwendet werden. Wegen des hohen Platinpreises ist dieses Biegeelement für wirtschaftliche An­ wendungen ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres piezo­ keramisches Biegeelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, für das nur Niedervoltspannung zum Betrieb er­ forderlich ist und dennoch nur geringe Länge des Biegeelements erforderlich ist, das überdies kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 bzw. entsprechenden Verfahrensanspruch angegebenen Merkmalen gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, von dem jahrzehn­ telang praktizierten Aufbau des Biegeelementes aus einem Stapel aufeinanderliegender Lamellen, einem sogenannten Bi­ morph, abzugehen. Das Biegeelement der vorliegenden Erfin­ dung ist als monolithischer Körper anzusehen, denn der Bil­ dungsprozeß für die Erzeugung des Keramikcharakters erfolgt integral für das ganze Biegeelement. Bei der Erfindung wer­ den schichtenweise Rohkeramikmaterial und Material für Ab­ standsschichten bzw. Elektrodenschichten aufeinander angeord­ net; erst dann wird das Sintern vorgenommen. Das Rohkeramik­ material ist das gegebenenfalls bereits umgesetzte Ausgangs­ material der Keramik, das mit Flüssigkeit und gegebenenfalls Bindemittel zu einem Schlicker verarbeitet ist. Ausgangs­ material, Herstellung des Schlickers und der gegebenenfalls bereits durchgeführte Umsatz entsprechen üblicher bekannter Herstellung von Piezokeramik. Zum Beispiel ist das Ausgangs­ material Bariumkarbonat und Titandioxid oder Bleioxid, Zir­ konoxid und Titanoxid. Im Falle des bereits durchgeführten Umsatzes (prefired) ist aus diesen Ausgangsstoffen bereits Bariumtitanat bzw. Bleizirkonattitanat entstanden, das dann wieder gemahlen wird.

Durch ein Siebdruckverfahren wird die Folge aus Rohkeramik­ schichten und Abstandsschichten in besonders vorteilhafter Weise erzeugt. Man geht dabei von einer Trägerfolie als Substrat aus, wobei diese Trägerfolie eine Keramik-Rohfolie aus vorteilhafterweise der gleichen Keramikmasse ist, die für die einzelnen aufzudruckenden Schichten verwendet wird. Diese Trägerfolie ist ein passi­ ver Teil des Biegeelementes. Die aufgebrachten Keramik­ schichten mit dazwischenliegenden Elektroden bilden da­ gegen den aktiven Teil des Biegeantriebs. Vorteilhafter­ weise wird auch das Material dieser Trägerfolie - ebenso wie die piezoelektrisch aktiven Folien des Elements - elek­ trisch polarisiert (jedoch im Betrieb elektrisch nicht an­ geregt). Dadurch ist sichergestellt, daß die thermische Ausdehnung dieser Trägerfolie einerseits und des Pakets, bestehend aus den aktiven Folien, andererseits gleich groß und kompensiert ist.

Weitere Erläuterungen der Erfindung werden der Einfachheit halber an einem Beispiel eines Herstellungsverfahrens eines Biegeelements der Erfindung, und zwar anhand der Figuren, gegeben.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau.

Fig. 2, 3 und 5 zeigen Formgebungen für die Elektroden und

Fig. 4 zeigt ein fertiges Biegeelement.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein bezüglich seiner Länge L abgebrochenes und bezüglich seiner Breite B unter­ brochenes Stück eines erfindungsgemäßen Biegeelementes 1. Mit 2 ist die bereits oben angegebene Trägerfolie bezeich­ net. Mit 3 sind Keramikschichten bezeichnet, die die akti­ ven Keramikfolien im fertigen Biegeelement bilden. Mit 4 sind die ebenfalls bereits obenerwähnten Elektroden bzw. Ab­ standsschichten bezeichnet, auf die insbesondere noch näher einzugehen ist. Mit 5 sind jeweilige Keramik-Randstreifen­ schichten bezeichnet, die zweckmäßigerweise, jedoch nicht un­ bedingt vorgesehen sein müssen. Wie ersichtlich, können bei den ohnehin sehr dünnen Elektrodenschichten 4 bzw. bei einer gegenüber der Dicke der Folien 3 sehr viel geringe­ ren Dicke der Abstandsschichten 4 diese Randstreifen­ schichten 5 auch weggelassen werden, womit dann in diesem zur Breite B ohnehin vergleichsweise schmalen Randbereich die einzelnen Folien 3 unmittelbar aufeinanderliegen. In diesem Falle wird bei der Herstellung mittels eines Beschich­ tungsverfahrens im Regelfall die (aufgedruckte) Schicht, aus der die jeweilige Folie 3 gebildet wird, in diesen Randbe­ reichen etwas dicker sein, so daß das Biegeelement 1 insge­ samt wieder durchwegs angenähert einheitliche Dicke D haben wird.

Wie bereits erwähnt, eignet sich für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Biegeelementes 1 insbesondere das Sieb­ druckverfahren. Auf eine beispielsweise bereits vorhandene Trägerfolie 2 wird zunächst eine erste Abstands­ schicht 4 aufgedruckt, für die z. B. eine Dicke von 2 µm bis 10 µm vorzusehen ist. Für eine Abstandsschicht 4 eignet sich als Material insbesondere Graphit mit darin eingelager­ ten Abstandskörpern aus beispielsweise Aluminiumoxid, Magne­ siumoxid oder Zirkondioxid. Beim nachfolgenden Sintern brennt das Graphit aus und die dem Sinterprozeß gegenüber beständigen Oxid-Körner füllen nicht mehr vollständig, aber stützen dennoch weiterhin den ursprünglichen Raum.

Zugleich oder nachfolgend wird - soweit vorgesehen - die er­ wähnte Randschicht 5 (mit zu Fig. 2 beschriebener Form 5,1 bzw. 5,2) µm die Abstandsschicht 4 herum aufgedruckt. Diese Randschicht 5 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material bzw. Schlicker, aus dem die für die Folien 3 aufzudruckenden Schichten bestehen.

Nachfolgend wird dann die erste Folienschicht 3 aus Rohkera­ mik aufgedruckt. Diese Rohkeramik ist ein Schlicker aus bereits umgesetztem Rohkeramikmaterial, sogenannter grüner Keramik, die noch nicht gesintert ist. Die Dicke dieser Roh­ keramikschicht wird so gewählt, daß die später fertig gesin­ terte Keramikfolie eine Dicke d von z. B. 15 bis 50 µm, ins­ besondere zn etwa 30 µm, hat.

Es wird dann die folgende Abstandsschicht 4 aufgedruckt, für die die gleiche Dicke wie für die schon ausgeführte Abstandsschicht vorgesehen ist.

Das abwechselnde Aufbringen einer jeweils weiteren Abstandsschicht 4, ggf. mit Randschicht 5, und einer jeweils weiteren Schicht für eine Folie 3 wird solange fortgesetzt, bis schließlich die gewünschte Vielzahl von über­ einanderliegenden, als piezoelektrische aktive Schicht die­ nenden Folien 3 erreicht ist.

Ist für die Schichten 4 ein beim Sintern herausbrennendes Material vorgesehen, d. h. sind Abstandsschichten 4 (mit noch darin enthaltenen Abstandskörnern) vorgesehen, werden diese z. B. im Vakuum mit Metall, z. B. mit Blei, ausgefüllt. Dieses Metall bildet dann das Elektrodenmaterial zwischen den piezo­ elektrisch aktiven Folienschichten 3 des ganzen erfindungs­ gemäßen Biegeelementes.

Die Fig. 2 und 3 zeigen - vergleichsweise zur Fig. 1 in Auf­ sicht - Abstandsschichten 4, und zwar Fig. 2 eine solche für eine jeweilige Elektrode der einen Polarität und Fig. 3 eine solche für eine jeweilige Elektrode der ande­ ren Polarität des mit elektrischer Spannung zu speisenden fertigen Biegeelements. Mit 5,1 ist eine Form und mit 5,2 ist die andere Form der Keramikrandschichten angegeben. Im Stapel des fertigen Biegeelementes sind diese beiden verschie­ denen Formgebungen 5,1 und 5,2 abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet, so daß die mit 8 und mit 9 bezeichneten Öffnun­ gen am fertigen Element (siehe die noch näher zu beschrei­ bende Fig. 4) nebeneinander bzw. zueinander versetzt angeord­ net sind. Die durch die Abstandsschichten 4 gebildeten Hohl­ räume werden nach den Verbrennen des beispielsweise verwende­ ten Graphits durch die Öffnungen 8 und 9 hindurch im Vakuum­ verfahren mit niedrigschmelzendem Metall - wie z. B. Blei, Zinn oder leitfähigem Kunststoff - für die Elektroden 41 und 42 angefüllt. Mit 141 und 142 sind die später als Anschlüsse verwendeten, herausragenden Fortsätze bezeichnet.

Fig. 4 zeigt ein fertiges erfindungsgemäßes Biegeelement. Die Bezugszeichen haben die Bedeutung der oben erörterten Einzel­ heiten. Mit 241 und 242 sind die Anschlußkontakte des Bie­ geelementes bezeichnet. Es sind dies Metallbeschichtungen auf den Stirnflächen der Fortsätze 141 bzw. 142 in den Öff­ nungen 8 bzw. 9. Diese durch die Bereiche der Keramikrand­ schichten 5,1 und 5,2 hindurchragenden Fortsätze bzw. die Unterbrechungen 8 und 9 in diesen Bereichen sind auch dann vorzusehen, wenn solche Keramikrandschichten weggelassen wer­ den. Auch in diesem Falle ist die Elektroden- bzw. Abstands­ schicht im Sinne der Darstellungen der Fig. 2 und 3 an jeweils einer Stelle bis zur Außenoberfläche des Biegeelementes 1 herauszuführen.

Nach dem Aufdrucken der einzelnen Schichten 3, 4 und gegebe­ nenfalls 5 wird der entstandene Stapel gepreßt und gesintert.

Soweit sie noch fehlen, werden dann erforderliche Außen­ elektroden auf dem gesinterten Biegeelement 1 angebracht.

An sich ist das Material der Keramikrandschichten 5 mecha­ nischer Ballast für das Biegeelement 1. Für Hochleistungs­ elemente empfiehlt es sich daher, einen Anteil des Materials dieser Bereiche 5 nach dem Sintern und dem Vorhandensein des Elektrodenmaterials in den Abstandsschichten 4 zu entfernen.

Für die Durchführung der für Piezokeramik erforderlichen elektrischen Polarisation des gesinterten Keramikmaterials wird so vorgegangen, daß an die beiden nach außen geführten Anschlüsse 141 und 142 elektrische Polarisationsspannung an­ gelegt wird, mit der dieser Elektrodenanordnung entspre­ chend aufeinanderfolgende Folien 3 einander entgegengesetzt gerichtet polarisiert werden. Insbesondere wenn die ur­ sprünglich vorhandenen Randbereiche 5 entfernt worden sind, wird dieses Polarisieren vorzugsweise in einem elektrisch isolierendem Medium, wie z. B. in Schwefelhexafluorid-Atmo­ sphäre durchgeführt. Besonders vorteilhaft kann sein, vor Durchführung dieses Polarisationsverfahrens zunächst den ganzen Körper mit den darin übereinanderliegend befindlichen Folien 3 bzw. Schichten 4 in nur einer Richtung (Dickenrich­ tung D) zu polarisieren, und zwar bevor die Verbindungen der Elektroden 41 einerseits und 42 andererseits durch das Auf­ bringen der Anschlüsse 241 bzw. 242 erfolgt ist. Auch diese Polarisation wird vorzugsweise in elektrischem Isoliermedium durchgeführt. Der Vorzug eines solchen vorgeschalteten Schrit­ tes ist, daß zunächst ohne größere Gefahr von Überschlägen eine jeweilige Polarisationsausrichtung des Keramikmaterials des Elementes durchgeführt wird. Dabei kann auch das Kera­ mikmaterial der Keramikrandschichten 5 mit eingeschlossen werden. Diese integrale Polarisation aller Keramikanteile bewirkt, daß mechanische Verspannungen innerhalb der polari­ sierten Keramik auf einem Minimum gehalten sind. Das nach­ folgend durchzuführende Polarisationsverfahren durch Anlegen elektrischer Spannung zwischen den Anschlüssen 241 und 242 führt zum Umpolen der Polarisation der jeweils zweiten Folie 3. Es sei darauf hingewiesen, daß für das jeweilige Umpolen der Polarisation im Material einer der Keramikfolien 3 gerin­ gere Polarisationsspannung bzw. Polarisationsfeldstärke erfor­ derlich ist als für eine erstmalige Polarisation. Die Umpo­ larisierung erzeugt im übrigen auch keine zusätzliche mecha­ nische Verspannung des Keramikmaterials.

Es ist sinnvoll, die Trägerfolie aus den obengenannten Grün­ den mitzupolarisieren, obwohl sie im späteren Betrieb piezo­ elektrisch nicht angeregt wird. Die Polarisation des Mate­ rials der Trägerfolie dient ebenfalls der Verringerung mecha­ nischer Verspannungen und der Verhinderung von störenden Tem­ peratur-Ausdehnungseffekten im keramischen Material des Bie­ geelementes 1.

Fig. 5 zeigt eine Variante der Form der im endgültigen er­ findungsgemäßen Biegeelement vorgesehenen Elektroden. Die Fig. 5 zeigt vergleichsweise zur Fig. 2 eine Abstandsschicht 54 mit einer Keramikrandschicht 55, die Stege 155 und 255 besitzt. Der innerhalb der Keramikrandschicht 55 und den Stegen 155 und 255 freie Raum 54 ist durch Verwendung her­ ausbrennenden Materials, wie z. B. Graphit, und gegebenenfalls zusätzlicher Verwendung von Abstandskörnern hergestellt bzw. erzeugt. Dieser Innenraum ist im fertigen erfindungsgemäßen Biegeelement mit Elektrodenmetall ausgefüllt. Die spiegel­ symmetrische Form erhält die der Fig. 3 entsprechende Gegen­ elektrode des Biegeelementes dieser Variante. Alle übrigen zu den Fig. 1 bis 4 angegebenen Einzelheiten gelten sinngemäß für eine Variante mit Elektrodenform nach Fig. 5. Die Stege 155 und 255 bewirken, daß entsprechend schmale, zur Längen­ abmessung L quer verlaufende Zonen in den einzelnen Kera­ mikfolien 3 vorhanden sind, in denen keine elektrische An­ regung des Keramikmaterials dieser Folien im Betriebsfall eintritt. Mit dieser für Bimorph-Biegeelemente an sich schon bekanntgewordenden Maßnahme läßt sich die Querdeformation des erfindungsgemäßen Biegeelementes verringern, womit eine Ver­ größerung der nutzbringenden Auslenkung zu erreichen ist.

Es sei noch auf den Vorteil eines erfindungsgemäßen Biege­ elementes hingewiesen, der darin besteht, daß bei erfin­ dungsgemäßem Aufbau die die piezoelektrische Biegung bewir­ kenden, piezoelektrisch anzuregenden Folien 3 mit sich er­ gebender hoher elektrischer Feldstärke angeregt werden kön­ nen, die gleichsinnig der piezoelektrischen Polarisation des Keramikmaterials gerichtet ist und dementsprechend keine Depolarisation durch die Betriebsspannung bewirkt werden kann.

Das Vorhandensein der Körner in den Abstandsschichten hat für das damit versehene Biegeelement besondere Bedeutung. Sie bewirken eine Stützfunktion zwischen den Folien 3. Die Oxidkörner sintern an die Keramik an und bilden auch gegen Biegungskräfte beständige Stützen. Es ist vorteilhaft, wenn z. B. 10-30% des Volumens der Abstandsschichten 4 von solchen Oxidkörner-Stützen eingenommen werden.

Claims (8)

1. Biegeelement (1) mit einem piezoelektrisch nicht anzuregenden Träger (2) und mit piezokeramischem Keramikmaterial (3), das bei elektrischer Anregung Längenänderungen ausführt, so daß auf­ grund des Aufbaues unsymmetrische Biegungen (b) desselben auf­ treten,

• - mit auf dem Träger (2) in Schichten übereinander angeordneten aktiven Zonen (3), die jeweilige Anteile eines gesinterten Keramik-Monolithkörpers (1) sind, der auch den Träger (2) ent­ hält,
• - wobei zwischen diesen Zonen (3) schichtförmig sich er­ streckende Elektroden (4) mit Anschlüssen (141, 142, 241, 242) angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Elektroden (4) aus Hohlräume im Biegeelement (1) aus­ füllendem niedrigschmelzendem Metall oder leitfähigem Kunst­ stoff bestehen und
• - daß sich innerhalb dieser Hohlräume innerhalb dieses Metalles verteilt Körner aus sinterbeständigem Oxidmaterial befinden.

2. Biegeelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in der Ebene der Elektroden (4) zwischen den benachbarten Zonen (3) Randstreifenschichten (5) eingesintert vorhanden sind, die am Rand der Elektroden angeordnet sind.

3. Biegeelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß im Bereich der Elektroden (4) quergerichtete Stege (155, 255) vorgesehen sind, die aus keramischem Material bestehen (Fig. 5).

4. Verfahren zur Herstellung eines Biegeelements aus Piezokeramik, gekennzeichnet dadurch, daß

• - zunächst auf einem Träger (2) abwechselnd aufeinanderfol­ gend Abstandsschichten (4) und Schichten aus Keramikschlicker für Keramikzonen (3) nach Art eines Stapels aufgebracht werden,
• - daß für die zwischen den Zonen im Stapel vorzusehenden Ab­ standsschichten (4) ein Material verwendet wird, das aus sinterbeständigen Körnern, deren Korngröße-Klassierung der vorgesehenen Schichtdicke der Abstandsschichten (4) ange­ messen ausgewählt ist, und aus einem solchen Füllmaterial be­ steht, das im Verlauf der Durchführung der Sinterung ver­ brennt,
• - daß dieser Stapel gesintert wird,
• - daß nach Durchführung des Sinterprozesses nach Ausbrennen des Füllstoffes die durch den Füllstoff in den Abstandsschichten (4) entstandenen Hohlräume mit niedrigschmelzendem Metall oder leitendem Kunststoff als Elektroden gefüllt werden, und
• - daß die Elektroden (4, 41, 42) mit elektrischen Anschlüssen versehen und das Material der Zonen (3) des Stapels polari­ siert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstandsschichten (4) umgebend Randschichten (5) aus dem für die Zone (3) verwendeten Keramikschlicker verwendet werden und das Material dieser Randschichten (5) im Sinter­ prozeß mit gesintert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, aß das Aufbringen der Abstandsschichten (4), des Keramik­ schlickers der Zone (3) und der gegebenenfalls vorgesehenen Randschichten (5) im Siebdruckverfahren durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Polarisation des Materials der Zonen (3) in der Weise durchgeführt wird, daß zunächst alle Zonen (3) in einheitlicher Richtung polarisiert werden und nachfolgend eine jede zweite Schicht des Stapels in entgegengesetzte Richtung umpolarisiert wird.