DE102004056754A1 - Piezoelectric bending unit for actuators and sensors, has two material plies that are connected to each other, where contact surface of the plies are evenly curved and geometrically compactly wound - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Biegeelement für sowohl Aktorik und/oder Sensorik, bestehend aus zumindest zwei miteinander verbundenen Materiallagen, wobei das Biegeelement in im wesentlichen ebener Form vorliegt und die Berührfläche der Lagen im wesentlichen eben oder nur geringgradig gekrümmt ist, einen Trägerelement-Rohling, ein Piezokeramikelement, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Biegeelementes, umfassend das Aufbringen von zumindest einem Piezokeramikelement mit einer im wesentlichen ebenen Fläche auf zumindest eine weitere Lage, welche ein vorzugsweise aus Metall, Keramik, Kunststoff, Glas- oder Kohlefaser bestehendes, Trägermaterial mit einer im wesentlichen ebenen Fläche oder ein weiteres Piezokeramikelement ist.The The invention relates to a piezoelectric bending element for both Actuator and / or sensor, consisting of at least two together connected material layers, wherein the bending element in substantially level form is present and the contact surface of the Layers is substantially flat or only slightly curved, a carrier element blank, a Piezoceramic element, and a method for producing a piezoelectric Bending element, comprising the application of at least one piezoceramic element with a substantially flat surface on at least one other Layer which is preferably made of metal, ceramic, plastic, glass or carbon fiber existing carrier material a substantially flat surface or another piezoceramic element.
Piezoelektrische Biegeelemente liegen üblicherweise in einer im wesentlichen ebenen und langgestreckten Bauform vor. Damit erlauben diese Biegeelemente eine sehr flache Bauweise der sie enthaltenden Bauteile, welche beispielsweise Schalter, Ventile, usw. sein können. Nun ist aber der Arbeitshub dieser Biegeelemente begrenzt und zum Erzielen eines größeren Arbeitshubs sind Biegeelemente sehr großer Länge erforderlich, so daß der Nachteil der flachen Bauweise durch die große Länge wieder zunichte gemacht wird.piezoelectric Bending elements are usually in a substantially planar and elongated design. Thus, these flexures allow a very flat design of containing components which, for example, switches, valves, etc. can be. But now the working stroke of these bending elements is limited and the Achieving a larger workhub Bending elements are very big Length required, so that the Disadvantage of the flat design made up for by the great length becomes.
Als Lösungsansätze für Biegeelemente mit großem Hub wurden daher andere geometrische Formen für piezoelektrische Biegeelemente vorgeschlagen, wie etwa ein spiralförmiger Aktuator (Applied Physics Letters Vol 75(16) pp. 2488–2490). Dieses Biegeelement liegt in Form einer Spirale vor, die im Zentrum fixiert ist, deren äußeres, freies Ende für die Betätigung beispielsweise von Ventilelementen mit großem Hub nutzbar ist, wobei die Verbindungsfläche von Trägermaterial und Piezokeramik ebenfalls spiralförmig ist und senkrecht zur Ebene der Spiralwindungen orientiert ist. Damit, und durch die notwendigen großen Zwischenräume zwischen den Spiralwindungen ist aber auch ein relativ hoher Platzbedarf gegeben. Ähnliches gilt auch für die mäanderförmigen piezoelektrischen Aktoren, wie sie etwa in IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, UFFC-38, 454 beschrieben sind.When Solutions for bending elements with big Hub were therefore other geometric shapes for piezoelectric bending elements such as a helical actuator (Applied Physics Letters Vol 75 (16) pp. 2488 to 2490). This bending element is in the form of a spiral in the center is fixed, whose external, free End for the activity for example, can be used by valve elements with a large stroke, wherein the interface of carrier material and piezoceramic is also spiral and perpendicular to Level of spiral turns is oriented. With it, and through the necessary huge interspaces but between the spiral turns is also a relatively high footprint given. something similar applies to the meandering piezoelectric Actors, as described for example in IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, UFFC-38, 454 are described.
Eine andere Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktuators ist jene einer flachen, piezokeramischen Scheibe, auf welche spiralförmige Elektroden aufgebracht wurden sind. Diese Scheibe wölbt sich beim Anlegen einer Spannung kuppelförmig auf, wobei aber der Arbeitshub sehr begrenzt bleibt und mit den Nachteilen geringen Wirkungsgrades sowie hoher nachteiliger Scherkräfte in den übereinander liegenden Verbindungsschichten einhergeht.A other embodiment a piezoelectric actuator is that of a flat, piezoceramic Disk, on which spiral Electrodes have been applied. This disc bulges when applying a voltage dome-shaped, but the working stroke remains very limited and with the disadvantages of low efficiency and high adverse shear forces in the superimposed Connecting layers goes along.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches Biegeelement anzugeben, welches bei geringen Außenabmessungen einen möglichst großen Arbeitshub aufweist, ohne das Biegeelement selbst bzw. die Verbindungen zwischen seinen Teilen mechanisch zu großen Belastungen auszusetzen. Eine weitere Aufgabe ist ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren für ein derartiges Biegeelement.It Therefore, the object of the present invention, a piezoelectric Specify bending element, which with small outer dimensions as possible huge Has working, without the bending element itself or the compounds mechanically exposed to large loads between its parts. Another object is an advantageous manufacturing method for a such bending element.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß jede Lage in einer in der Ebene der Berührfläche der Lagen geometrisch kompakt gewickelten, beliebigen Bandform vorliegt. Damit ist sichergestellt, daß jede Auslenkung im wesentlichen senkrecht auf die Ebene stattfindet, in welcher die Wicklungen des Biegeelementes liegen, Dies ist ganz im Gegensatz zu den bekannten, spiralförmigen piezoelektrischen Aktoren, deren Auslenkungsrichtung in der Ebene der Wicklungen liegt. Der Begriff „geometrisch kompakt gewickelte Bandform" umfasst alle Anordnungen, bei welchen die zusammenhängende Länge des Biegeelementes größer, vorzugsweise wesentlich größer, ist als dessen Breite entlang dieser zusammenhängenden Länge und auch als jede Gesamt-Länge oder Gesamt-Breite des Biegeelementes, d.h. größer als jede Außenabmessung des Biegeelementes, Diese Geometrie des Biegeelements bietet eine maximale Auslenkung, die nahezu einem geraden Biegewandler mit der Länge der abgewickelten Bandform entspricht und die daher auch die einzelnen Längsabschnitte des Biegeelementes mechanisch nicht mehr beansprucht als bei einem geraden Biegeelement. Außer der ebenen Berührfläche besteht für die zusammengefügten Einzelteile des Biegeelementes keinerlei prinzipielle geometrische Vorgabe, so daß sie in im wesentlichen beliebiger Formen ausgeführt sein können, beispielsweise unter Ausbildung von gezielten Dickenunterschieden in manchen Bereichen.to solution the task is inventively provided that each layer in one in the plane of the contact surface of the Layers geometrically compact wound, any band shape is present. In order to is ensured that each Deflection takes place substantially perpendicular to the plane, in which the windings of the bending element lie, this is whole in contrast to the known helical piezoelectric actuators, whose deflection direction lies in the plane of the windings. The term "geometric compact wound strip form " all arrangements in which the contiguous length of the bending element is greater, preferably much bigger, is as its width along that contiguous length and also as any total length or Total width of the flexure, i. larger than any outside dimension of the bending element, This geometry of the bending element provides a maximum deflection, almost a straight bending transducer with the Length of unwound band shape and therefore the individual longitudinal sections of the bending element mechanically no longer stressed than in a straight bending element. Except the flat contact surface exists for the joined Individual parts of the bending element no fundamental geometric Default, so they may be made in substantially any shape, for example, under Training of targeted thickness differences in some areas.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind zumindest zwei aneinandergrenzende Lagen durch Piezokeramikelemente gebildet.According to one first embodiment the invention are at least two adjacent layers by Piezo-ceramic elements formed.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist zumindest eine Lage durch ein Trägermaterial, beispielsweise aus Metall, und zumindest eine angrenzende Lage durch zumindest ein Piezokeramikelement gebildet.According to one alternative embodiment at least one layer through a carrier material, for example made of metal, and at least one adjacent layer by at least a piezoceramic element is formed.
Eine erste geometrisch kompakte Bandform, die vorteilhafterweise im Rahmen der Erfindung zur Anwendung kommt, sieht vor, daß die Lagen mäanderförmig vorliegen.A first geometrically compact band shape, advantageously in the frame the invention is used, provides that the layers are meandering.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Lagen spiralförmig vorliegen. Dabei kann der auslenkende Betätigungsbereich zentral angeordnet werden, was bei aus rotatorischen oder spiegelsymmetrischen Elementen aufgebauten Systemen auch eine konzentrische Anordnung des piezoelektrischen Betätigungselementes gestattet.According to one another embodiment The invention provides that the layers are present in a spiral shape. In this case, the deflecting operating range be arranged centrally, resulting in rotatory or mirror-symmetrical Elements constructed systems also a concentric arrangement the piezoelectric actuator allowed.
Eine spezielle Form dieser Geometrie sieht vor, daß die Lagen in Form einer Spirale mit sich stetig verändernder Krümmung vorliegen.A special form of this geometry provides that the layers in the form of a spiral with ever-changing curvature available.
Vorteilhafterweise liegen alle Lagen in Ruhe in ebener Form vor und sind bei Anlegen einer Spannung auslenkbar. Ein derartiges Biegeelement ist besonders einfach in der Fertigung und auch beim Einbau leicht handhabbar.advantageously, are all layers in peace in a flat form and are at dock a voltage deflected. Such a bending element is special easy to handle in production and also during installation.
Eine andere Ausführungsform kann dadurch gekennzeichnet sein, daß alle Lagen in Ruhe gekrümmt vorliegen und bei Anlegen einer Spannung eine ebene Form annehmen.A other embodiment may be characterized in that all layers are curved at rest and assume a planar shape when a voltage is applied.
Eine einfach herzustellende geometrische Form des erfindungsgemäßen Biegeelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen in Form von geraden oder gekrümmten, sich aneinander anschließenden Abschnitten, vorzugsweise geraden Strecken oder Bogensegmenten, vorliegen.A easy to produce geometric shape of the bending element according to the invention is characterized in that the Layers in the form of straight or curved, adjoining sections, preferably straight stretches or arc segments.
Eine erhöhte Flexibilität in Ansteuerung und damit weite Variation von Hub und/oder Betätigungskraft kann durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform erzielt werden, bei welcher einzelne Teilbereiche separat ansteuerbar sind.A increased flexibility in control and thus wide variation of stroke and / or actuation force can by an embodiment of the invention can be achieved, in which individual sections can be controlled separately are.
Um die Einspannung des erfindungsgemäßen Biegeelementes zu erleichtern, sind gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform freie, nicht piezoaktive Bereiche für zumindest eine der Lagen, beispielsweise das Trägerelement, vorgesehen.Around to facilitate the clamping of the bending element according to the invention, are according to one advantageous embodiment free, non-piezoactive areas for at least one of the layers, for example, the carrier element, intended.
Vorteilhafterweise können in den freien Bereichen Fängerbohrungen oder Befestigungsstrukturen vorgesehen sein, die zur genauen Positionierung für den Fertigungsprozess, allfällige Schneidvorgänge und auch für den Einbau in einem beliebigen Gerät dienen.advantageously, can in the free areas catcher holes or attachment structures are provided, which allow for precise positioning for the manufacturing process, any cutting operations and also for to be installed in any device.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß eine der Lagen mit Strukturen zur Verbindung mit bzw. Fixierung zumindest einer der anderen Lagen oder anderer Elemente versehen ist.According to one further advantageous embodiment The invention provides that one of the layers with structures for connection to or fixation of at least one of the other layers or other elements.
Die erfindungsgemäße Geometrie der Biegeelemente lässt eine vorteilhafte Ausführungsform für eine Biegeelementanordnung zu, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest zwei Biegeelemente gemäß zumindest einem der vorhergehenden Absätze seriell angeordnet sind, wobei der auslenkende Abschnitt eines Biegeelementes als Befestigungsstelle des Befestigungsabschnitts des zweiten Biegeelementes ist. Damit ergibt sich eine Addierung des Arbeitshubs der Biegeelemente.The inventive geometry leaves the bending elements an advantageous embodiment of a bending element arrangement to, which is characterized in that at least two bending elements according to at least one of the preceding paragraphs are arranged serially, wherein the deflecting portion of a bending element as an attachment point of the attachment portion of the second bending element is. This results in an addition of the working stroke of the bending elements.
Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht zur Erreichung einer Kraftaddition vor, daß zumindest zwei Biegeelemente gemäß zumindest einem der obigen Absätze seriell angeordnet sind, wobei die Befestigungsabschnitte zweier Biegeelemente verbunden sind oder sich am gleichen Ende abstützen.A other embodiment of the invention provides to achieve a force addition that at least two bending elements according to at least one of the above paragraphs are arranged serially, wherein the attachment sections of two Bending elements are connected or supported at the same end.
Andererseits können die zumindest zwei Biegeelemente gemäß zumindest einem der obigen Absätze auch parallel zueinander angeordnet sein und einen gemeinsamen freien, nicht piezoaktiven Bereich aufweisen. Auch in diesem Fall kann eine Addition der Kräfte der einzelnen Biegeelemente erzielt werden, wenn sie auf das gleiche Element einwirken. Aber auch eine reine geometrische Anordnung nebeneinanderliegender Biegeelemente ist möglich, die jeder für sich auf separate Elemente einwirken und nur zur Vereinfachung bei Herstellung und Einbau gemeinsam handhabbar sind.on the other hand can the at least two bending elements according to at least one of the above paragraphs be arranged parallel to each other and a common free, do not have piezoactive region. Also in this case can one Addition of the forces The individual bending elements are achieved when they are on the same Interact with the element. But also a pure geometric arrangement of juxtaposed Bending elements is possible everyone for to work on separate elements and only for the sake of simplicity Production and installation are handled together.
Wenn zur Herstellung des Biegeelementes ein Trägermaterial-Rohling verwendet wird, der erfindungsgemäß durch eine geometrisch kompakt gewickelte, beliebige Bandform, vorzugsweise eine spiralförmige Ausführung gekennzeichnet ist, kann das Freischneiden der mit diesem Trägermaterial verbundenen, vorzugsweise verklebten Piezokeramik wesentlich erleichtert werden.If used to produce the bending element, a substrate blank is, according to the invention by a geometrically compact wound, any band shape, preferably a spiral execution The free cutting can be done with this carrier material connected, preferably glued piezoceramic substantially facilitated become.
Natürlich kann auch bereits ein Piezokeramikelement verwendet werden, das durch eine Ausführung in geometrisch kompakt gewickelter, beliebiger Bandform, vorzugsweise in Form einer Spirale oder eines Teilabschnittes davon, vorgefertigt worden ist.Of course you can already be used by a piezoceramic element an execution in geometrically compact wound, any band shape, preferably in the form of a spiral or a portion thereof, prefabricated has been.
Zur Lösung der zweiten Aufgabe der Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Biegeelementes dadurch gekennzeichnet, daß das Piezokeramikelement und die weitere Lage an ihren ebenen Flächen verbunden werden und das Piezokeramikelement anschließend an das Verbinden mit der zweiten Lage zu einer geometrisch kompakt gewickelten, beliebigen Bandform, beispielsweise mäander- oder spiralförmig, ausgeschnitten wird. Bei der Verbindung beider Teile liegt noch eine durchgehende Fläche vor, was die Herstellung der Verbindung, beispielsweise den Klebstoffauftrag, wesentlich erleichtert.to solution The second object of the invention is the process for the preparation a piezoelectric bending element, characterized in that the piezoceramic element and the more location can be connected to their flat surfaces and the Piezoceramic element subsequently at connecting with the second layer to a geometrically compact wound, any band shape, such as meandering or spirally is cut out. When connecting both parts is still a continuous area before, what the preparation of the compound, for example, the adhesive application, much easier.
Alternativ dazu kann auch erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß das Piezokeramikelement vor dem Aufbringen auf die andere Lage ausgeschnitten oder über ein geeignetes Herstellungsverfahren, vorzugsweise Spritzguss oder Freiformsintern, in einer geeigneten geometrisch freigeschnittenen beliebigen Form hergestellt wird.Alternatively, it can also be provided according to the invention that the piezoceramic element is cut out prior to application to the other layer or via a suitable manufacturing process, preferably injection molding or Freiformsintern, is prepared in a suitable geometrically cut free any shape.
Bei beiden genannten Verfahrensvarianten ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß auch die zweite Lage anschließend an das Verbinden mit dem Piezokeramikelement zu einer geometrisch kompakt gewickelten, beliebigen Bandform ausgeschnitten wird.at both mentioned variants of the method is advantageously provided, that too the second layer afterwards to connect with the piezoceramic element to a geometric compact wrapped, any band shape is cut out.
Natürlich könnte auch eine Ausführungsvariante zur Anwendung kommen, bei welcher die zweite Lage vor dem Verbinden mit dem Piezokeramikelement ausgeschnitten oder über ein geeignetes Herstellungsverfahren in einer geometrisch freigeschnittenen beliebigen Form hergestellt wird.Of course, too an embodiment variant come into use, in which the second layer before joining cut out with the piezoceramic element or via a suitable manufacturing process produced in a geometrically cut arbitrary shape becomes.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.In the following description, the invention with reference to the accompanying drawings be explained in more detail.
Dabei
zeigt die
Das
in den
Sowohl
das Trägermaterial
Die
Achse der von Trägermaterial
Die
in
Sowohl
in
Vorteilhafterweise
sind an zumindest einem Ende der Spirale bzw. einer kreisförmigen äußeren Begrenzung
des Biegeelementes P oder auch am dem Bereich M gegenüberliegenden
Befestigungsabschnitt E nicht mit einem Piezokeramikelement
Um
die Verbindung von Trägermaterial
Einzelne
Bereiche des Biegeelementes P können
in herkömmlicher
Weise separat angesteuert und damit zur Auslenkung gebracht werden. Ähnliche
Wirkung kann auch erzielt werden, wenn einzelne Piezokeramikelemente
Eine
parallele Anordnung von vier spiralförmigen Biegeelementen P1 bis
P4 zeigt die
Die
Herstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Biegeelementes P erfolgt vorzugsweise durch Aufkleben eines Piezokeramikelements
Der
Verbund von Trägermaterial
Weitere
Vorteile des erfindungsgemäßen Biegeelementes
P sind die bessere Integrationsmöglichkeit
in verschiedensten Applikationen und für den Fall des Monomorphs die
kostengünstige
Herstellung, da im Vergleich zu anderen Lösungen (Doppelbiegeelement)
nur ein Keramikelement
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |