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Die
Erfindung betrifft einen Festkörperaktor, insbesondere
einen Piezokeramikaktor, mit einer Trägerschicht, auf der zumindest
eine Aktorschicht, insbesondere eine piezokeramische Schicht aufgebracht
ist, wobei die Aktorschicht zwischen Kontaktelektroden angeordnet
ist.
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Es
sind Festkörperaktoren
und insbesondere piezokeramische Aktoren bekannt, die im einfachsten
Fall aus dem Verbund eines Aktormaterials und einer Trägerschicht
oder aus einer Vielzahl von beispielsweise gefügten Scheiben aus piezokeramischem
Material zusammengesetzt sind. Durch das beidseitige Aufbringen
von Kontaktelektroden auf die Aktorschicht bzw. Aktorschichten und
das Anlegen einer Spannung an die Kontaktelektroden kann ein elektrisches
Feld zwischen diesen aufgebaut werden, so dass auf das piezokeramische
Material ein elektrisches Feld einwirkt, das dazu führt, dass
das piezokeramische Material eine Längenänderung erfährt.
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Der
Festkörperaktor
kann beispielsweise als piezoelektrischer Biegewandler ausgebildet
sein. Bei diesem im einfachsten Fall als Bimorph bezeichneten Verbund
ist die piezokeramische Aktorschicht auf einer nicht-piezoelektrischen
bzw. nicht angesteuerten piezo-elektrischen Trägerschicht angeordnet, wobei die
Aktorschicht in der Regel aus einer PZT-Keramik, das ist dotiertes
Bleizirkonattitanat, hergestellt ist. Biegewandler sind üblicherweise
einseitig eingespannt, wobei die an dem freien Ende des Festkörperaktors
erzeugte Kraft oder Auslenkung als aktorische Eigenschaft genutzt
wird. Wird der Biegewandler mit einem elektrischen Feld in Dickenrichtung
angesteuert, so verkürzt
sich der Wandler in seiner Querrichtung, wodurch er an seiner Spitze
in Richtung der Aktorschicht auslenkt.
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Darüber hinaus
sind weitere piezoelektrische Biegewandler bekannt, die sich im
Design, in der Art ihres Aufbaus, in der Auswahl des Trägermaterials und
anderen Kriterien unterscheiden können. Als Trimorphs bezeichnete
Festkörperaktoren
bestehen beispielsweise aus zwei piezoelektrischen Aktorschichten,
welche mit der Trägerschicht
als Mittellage verbunden sind und z.B. wechselseitig angesteuert werden.
Darüber
hinaus sind auch Multilayer-Biegewandler bekannt, die keine Trägerschicht
aufweisen und allein aus einer Vielzahl an piezokeramischen Aktorschichten
bestehen. Bei diesen wird jeweils nur eine Hälfte elektrisch angesteuert,
um eine Ausbiegung zu erzeugen.
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Den
oben beschriebenen Biegewandlern ist es gemeinsam, dass sie nach
einer schnellen, elektrischen Ansteuerung über die Kontaktelektroden eine
sofortige, im zeitlichen Verlauf durch die Resonanzfrequenz bestimmte
Aktorantwort aufweisen, danach jedoch zusätzlich ein starkes Kriechverhalten zeigen,
so dass die Auslenkung bzw. die Kraft über einen langen Zeitraum weiter
ansteigen. Dabei kann der Betrag des „Nachkriechens" bis zu 20% der Gesamtauslenkung
des Biegewandlers erreichen. Die Dauer des Nachkriechens kann bei
entsprechender Ansteuerung Stunden oder auch Tage betragen. In der
Praxis besteht hierbei der Nachteil, dass das Kriechen beim Anlegen
sowie beim Abschalten einer elektrischen Spannung an die Kontaktelektroden
als zusätzliche
Toleranz eingeplant werden muss. Als nutzbarer Auslenkungs- oder
Krafthub wird deshalb in der Regel nur der kurzzeitige, sofortige
Hub ohne zusätzliches
Kriechen verwendet.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen
Festkörperaktor
anzugeben, welcher die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest
nur in einem verringerten Maße
aufweist.
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Die
Aufgabe wird durch Festkörperaktoren mit
den Merkmalen der Patentansprüche
1, 2 oder 3 gelöst.
Vorteilhafte Ausges taltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Es
hat sich gemäß einer
Variante der Erfindung überraschenderweise
herausgestellt, dass das Phänomen
des Kriechens signifikant verringert werden kann, wenn die elektrische
Leitfähigkeit
des die Aktorschicht bildenden Materials gegenüber den üblicherweise verwendeten Materialien,
wie z.B. Bleizirkonattitanat (PZT) erhöht bzw. der spezifische Widerstand
verringert wird. Erfindungsgemäß liegt
der spezifische Widerstand einer solchen Aktorschicht, die insbesondere
als piezokeramische Schicht ausgebildet ist, in einer Größenordnung
von 1·108 Ωm
bis 1·1010 Ωm
liegt. Der spezifische Widerstand einer erfindungsgemäßen Aktorschicht
liegt damit um einige Zehnerpotenzen unterhalb des spezifischen
Widerstandes für
eine typische piezokeramische Schicht. So beträgt der spezifische Widerstand
von Weich-PZT ungefähr
1·1012 Ωm.
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Der
durch die Erhöhung
der Leitfähigkeit
erzielbare Vorteil besteht darin, dass der bei einem konventionellen
Festkörperaktor
erreichbare Hub oder die erreichbare Auslenkung einschließlich der durch
den Kriechvorgang erzielbaren Auslenkung in einer erheblich kürzeren Zeit
realisierbar ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass mit dem
erfindungsgemäßen Festkörperaktor – verglichen
mit bisherigen Festkörperaktoren – die gleiche
Auslenkung in kürzerer
Zeit erzielbar ist, so dass der Festkörperaktor mit höheren Taktraten
betrieben werden kann. Dies hat einerseits zur Folge, dass als nutzbarer
Auslenkungs- oder Krafthub nicht nur der kurzzeitige Hub ohne den
zusätzlichen
Kriechvorgang, sondern der physikalisch mögliche Hub des Festkörperaktors
verwendet werden kann. Hierdurch vereinfacht sich die Ansteuerung
des Festkörperaktors,
da nunmehr das Kriechen beim Anlagen sowie beim Abschalten einer elektrischen
Spannung nicht mehr als zusätzliche
Toleranz eingeplant werden muss.
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Die
gleichen Vorteile lassen sich mit einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Festkörperaktors
erzielen, bei dem ein Aktoransteuermittel zum Anlegen einer Ansteuerspannung
an die Kontaktelektroden vorgesehen ist und bei dem die maximale
Ansteuerspannung derart gewählt
wird, dass in dem Festkörperaktor
die maximale mechanische Spannung unterhalb der Koerzitivspannung
liegt. Die mechanischen Spannungen liegen bei den in der Regel eingesetzten
piezokeramischen Materialien im Bereich der so genannten Koerzitivspannungswerte, bei
welchen ein maximales Domänenschalten
unter dem Einfluss der mechanischen Spannungen auftritt. Dies wird
als so genanntes „ferro-elastisches Verhalten" bezeichnet. Dieser
zweiten Variante liegt die überraschende
Erkenntnis zugrunde, dass das Kriechen zumindest teilweise durch
Domänenschalten oder
ferro-elastische
Prozesse in denjenigen Bereichen des Biegers verursacht wird, in
denen die mechanischen Spannungen das Koerzitivspannungsniveau erreichen.
Es ist bekannt, dass die mechanischen Spannungen längs der
Dicke einer Aktorschicht variieren, während sie in dessen Längsrichtung
konstant sind. Die Domänenschaltprozesse
sind Keimbildungs- und -wachstumsprozesse und sind durch einen gewissen
Zeitbedarf gekennzeichnet. Durch Vermeiden des ferro-elastischen
Domänenschaltens
wird die Aktivität,
d.h. die Biegung, des Festkörperaktors
nicht verzögert.
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Die
oben beschriebenen Vorteile der Erfindung lassen sich auch durch
einen erfindungsgemäßen Festkörperaktor
erzielen, bei dem die gemäß der ersten
und der zweiten Variante beschriebenen Merkmale miteinander kombiniert
sind. Demgemäß zeichnet
sich der erfindungsgemäße Festkörperaktor gemäß der dritten
Variante dadurch aus, dass der spezifische Widerstand der Aktorschicht
in einer Größenordnung
von 1·108 Ωm
bis 1·1010 Ωm
liegt und ein Aktoransteuermittel zum Anlegen einer Ansteuerspannung
an die Kontaktelektroden vorgesehen ist und die maximale Ansteuerspannung
derart gewählt wird,
dass in dem Festkörperaktor
die maximale mechanische Spannung unterhalb der Koerzitivspannung
liegt.
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Ein
mit den obigen Merkmalen versehener Festkörperaktor stellt in einer bevorzugten
Ausgestaltung einen piezoelektrischen Biegewandler dar, der mit
einem Ende an oder in einem Befestigungsmittel angeordnet ist, so
dass lediglich das andere Ende eine Auslenkung erfahren kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Zusammenhang
zwischen der Ansteuerspannung und der mechanischen Spannung in dem
Festkörperaktor
durch eine Berechnung ermittelt oder ist in einer Tabelle, z.B.
in dem Aktoransteuermittel, gespeichert.
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Die
Erhöhung
der elektrischen Leitfähigkeit des
Materials der Aktorschicht lässt
sich gemäß einer Ausgestaltung
der Erfindung durch zusätzliches
Dotieren des Aktormaterials mit ein-, zwei- oder dreiwertigen Kationen
erzielen. Als Aktor-Ausgangsmaterial wird
Bleizirkonattitanat bevorzugt. In einer Ausgestaltung führen die
einwertigen Kationen auf dem A-Platz der Perkoswit-Zelle zu einer
Akzeptor-Dotierung. In einer anderen Ausgestaltung führen die
zwei- oder dreiwertigen Kationen auf dem B-Platz der Perkoswit-Zelle
auch zur Akzeptor-Dotierung.
Denkbar ist auch eine Kombination der beiden genannten Möglichkeiten
der Akzeptor-Dotierung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der Festkörperaktor als sogenannter Trimorph
ausgebildet, bei dem die Trägerschicht
zwischen zwei Aktorschichten angeordnet ist.
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In
einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
ist die Trägerschicht
als Aktorschicht, insbesondere piezokeramische Schicht, ausgebildet,
so dass der Festkörperaktor
einen Vielschichtaktor aus wenigstens zwei Aktorschichten darstellt.
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In
einer anderen Ausgestaltung kann der Festköperaktor eine Vielzahl an Aktorschichten
zur Ausbildung eines Vielschichtaktors aufweisen, wobei die im Inneren
des Schichtstapels an geordneten Kontaktelektroden durch das Ansteuermittel
ebenfalls zur Ausbildung von Äquipotentialflächen angesteuert
werden. Die elektrisch gut leitenden, im Inneren des Schichtstapels
angeordneten Elektroden sind vorzugsweise aus Silber oder einer
Silberlegierung ausgebildet und fungieren dabei als Äquipotentialflächen, so
dass diese einen signifikanten Teil der elektrischen Feldverteilung
durch entsprechende Ladungen kompensieren. Darüber hinaus diffundiert das
Silber der Elektroden in die benachbarten piezokeramischen Aktorschichten,
wodurch weitere freie Ladungsträger
in der Keramik vorhanden sind, so dass die sich die Leitfähigkeit
vorteilhafterweise weiter erhöht.
Dieser Effekt ist aufgrund des Vorhandenseins einer Vielzahl an
Elektroden besonders ausgeprägt.
Ein solchermaßen
ausgestalteter Vielschichtaktor weist gegenüber den bislang im Stand der
Technik verwendeten Festkörperaktoren
die gleichen Vorteile auf, wie sie eingangs beschrieben wurden.
Insbesondere ist eine signifikante Reduktion des Kriechvorganges
zu beobachten.
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In
einer Ausgestaltung weisen die Aktorschichten des Vielschichtaktors
eine Dicke im Bereich zwischen 10 μm bis 30 μm, insbesondere 20 μm, auf. Ein
Vielschichtaktor mit Aktorschichten der genannten Schichtdicke ist
in seiner Gesamtdicke gegenüber
den bekannten Vielschichtaktoren unverändert. Mit anderen Worten bedeutet
dies somit, dass ein erfindungsgemäßer Vielschichtaktor eine entsprechend
größere Anzahl
an einzelnen Aktorschichten aufweist, da die Dicken konventioneller
Aktorschichten im Bereich von 80 μm
und darüber
liegen.
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Weitere
Merkmale des erfindungsgemäßen Festkörperaktors
werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Festkörperaktor,
der als bimorpher Biegewandler ausgebildet ist,
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2 ein
Diagramm, das die Längenänderung
der Schichten des in 1 dargestellten Festkörperaktors
längs der
z-Achse zeigt,
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3 ein
Diagramm, welches die mechanische Spannung längs der z-Achse des in 1 dargestellten
Festkörperaktors
zeigt,
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4 ein
Diagramm, das die Auslenkung eines Festkörperaktors infolge eines Ansteuersignals bei
unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten der Aktorschicht
des Festkörperaktors
darstellt,
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5 ein
Diagramm, welches eine erfindungsgemäße Ansteuerung eines Festkörperaktors zeigt,
und
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6 einen erfindungsgemäßen Vielschichtaktor im Vergleich
zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Vielschichtaktor.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer Festkörperaktor 1 im
Querschnitt dargestellt. Dieser weist eine Trägerschicht 2 aus einem
elektrisch isolierenden Material und eine darauf aufgebrachte Aktorschicht 3 aus
einem piezokeramischen Material, z.B. Bleizirkonattitanat auf. Beidseitig
der Aktorschicht 3 sind Kontaktelektroden 4, 5 angeordnet,
an welche eine elektrische Spannung angelegt werden kann, so dass
zwischen den Kontaktelektroden 4, 5 ein elektrisches
Feld entsteht. Der mechanische Aufbau des erfindungsgemäßen Festkörperaktors 1 unterscheidet
sich prinzipiell nicht von bekannten Festkörperaktoren. Zur Vermeidung
eines ausgeprägten
Kriechverhaltens beim Anlegen oder Abschalten der elektrischen Spannung
werden gegenüber
bekannten Anordnungen Änderungen
an dem piezokeramischen Material sowie alternativ oder zusätzlich an
der Ansteuerung des Festkörperaktors 1 vorgenommen.
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Durch
das Anlegen einer Spannung an die Kontaktelektroden 4, 5 dehnt
sich die Aktorschicht 3 entlang ihrer z-Achse aus, während in
x-Richtung eine Verkürzung
auftritt, so dass sich der Festkörperaktor
nach oben verbiegt. Die dabei im Inneren der Trägerschicht und der Aktorschicht 3 stattfindende Längenänderung Δl/l0 ist in 2 dargestellt.
Während
die Trägerschicht 2 bis
zum Erreichen der so genannten neutralen Faser 7 eine Dehnung
erfährt, wird
die Aktorschicht 3 gestaucht. Da die Materialeigenschaften
der Trägerschicht 2 und
der Aktorschicht 3 unterschiedlich sind, erfährt die
mechanische Spannung beim Durchlaufen des Null-Punktes eine sprunghafte Änderung.
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Gemäß der in
3 dargestellten
Gleichung
wirkt auf den überwiegenden
Bereich der Trägerschicht
2 ein
Zug, wobei im Inneren der Aktorschicht
3 ein Druck ausgeübt wird.
Aufgrund unterschiedlicher Young'scher
Module y2 bzw. y3 ergibt sich am Übergang zwischen der Trägerschicht
2 und
der Aktorschicht
3 ein Sprung in der Druckbelastung, der sich
weiterhin auch in einer geänderten
Steigung niederschlägt.
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Über die
z-Achse ergibt sich somit eine inhomogene mechanische Spannung,
welche eine inhomogene Verteilung des elektrischen Feldes in der
Aktorschicht 3 zur Folge hat. Beim Anlegen einer Spannung
an die Kontaktelektroden 4, 5 entsteht somit im Inneren
der Aktorschicht 3 nicht ein konstantes, homogenes elektrisches
Feld, sondern eine lineare Feldabhängigkeit mit parabelförmiger Potentialverteilung.
Zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes müssen somit im Inneren der Aktorschicht
Ladungen fließen.
Dabei hat sich gezeigt, dass der auf den Ladungsausgleich zurückzuführende Teil
des Kriechens sich dadurch reduzieren lässt, dass statt einer nach
dem Stand der Technik möglichst
isolierenden Piezokeramik eine Keramik mit höherer, aber definierter Leitfähigkeit
verwendet wird. Im Rahmen weiterer Untersuchungen hat sich dabei
ergeben, dass ein spezifischer Widerstand der Aktorschicht 3 in
einer Größenordnung
von 1·108 Ωm
bis 1·1010 Ωm
einen ausreichend schnellen Potentialausgleich zulässt, so
dass das Nachkriechen des Biegewandlers 1 aus 1 nahezu
vermieden werden kann. Die Erhöhung
der elektrischen Leitfähigkeit
der Aktorschicht um mehrer Zehnerpotenzen kann in bekannter Weise
durch geringe Akzeptor-Dotierungen in dem Material der Aktorschicht
erreicht werden, ohne dass gleichzeitig die übrigen piezoelektrischen Eigenschaften
verschlechtert werden. Als Ausgangsmaterial für die Aktorschicht bietet sich
weiterhin Bleizirkonattitanat an, bei welchem einwertige Kationen
auf dem A-Platz der Perkoswit-Zelle, wie z.B. Natrium, Kupfer oder
Silber, oder alternativ oder zusätzlich
zwei- bzw. dreiwertige Kationen auf dem B-Platz, wie z.B. Chrom,
Eisen, Mangan, dotiert sind.
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Die
Auswirkungen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeiten
der Aktorschichten sind in 4 dargestellt.
Zu einem Zeitpunkt t0 wird an die Kontaktelektroden 4, 5 des
Festkörperaktors 1 eine Spannung
angelegt. Aufgrund dieser erfolgt eine Auslenkung des Biegewandlers.
Eine Aktorschicht (Keramik) mit geringer Leitfähigkeit erzeugt dabei die geringste
Auslenkung. Eine Keramik mit geringer Leitfähigkeit, wie es piezoelektrische
Keramiken nach dem Stand der Technik sind, erreicht zum Zeitpunkt
t1 einen Hub H1,
der sich nunmehr asymptotisch einem Entwert H3 annähert. Der
Anstieg in der Auslenkung über
den Wert H1 hinaus wird dabei als Kriechverhalten
bezeichnet. Zum Zeitpunkt t3 ist hierbei
eine Auslenkung H2 erreicht. Die maximal
mögliche
Auslenkung H3 kann lediglich dann erreicht
werden, wenn das Ansteuersignal seinen in der Figur gezeigten Wert
beibehält.
Demgegenüber
weist eine Keramik mit hoher Leitfähigkeit gemäß der Erfindung die Auslenkung
H2 zum Zeitpunkt t1 auf.
Die weitere mögliche
Auslenkung zwischen H2 und H3 ist
für die Praxis
irrelevant.
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Aus
der gezeigten Darstellung geht hervor, dass ein Biegewandler innerhalb
der gleichen Zeit eine sehr viel höhere Auslenkung erreichen kann oder
alternativ bei einer geforderten Auslenkung in geringerer Zeit getaktet
werden kann.
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Mit
zusätzlichen
freien Ladungsträgern
in der Aktorschicht kann somit der Kriecheffekt eines Festkörperaktors
vermindert werden. Das Kriechen kann jedoch durch einen weiteren
Effekt beeinflusst werden, das so genannte Domänenschalten. Das Domänenschalten,
d.h. die Richtungsänderung
von Elementar-Dipolen
kann sowohl elektrisch als auch mechanisch veranlasst werden. Die
maximal mögliche mechanische
Spannung Tmax liegt dabei bei konventionellen
piezokeramischen Schichten im Bereich der so genannten Koerzitivspannungswerte,
bei welchen das maximale Domänen-Schalten
unter dem Einfluss der mechanischen Spannungen auftritt. Dies wird
als ferro-elastisches Verhalten bezeichnet. Zur Vermeidung des Einflusses
des Domänenschaltens
wird deshalb die Ansteuerspannung derart begrenzt, dass in einem
angesteuerten Festkörperaktor
die maximalen mechanischen Spannungen deutlich unterhalb der Koerzitivspannungen
bleiben (5). Entsprechende Informationen
können über eine
Berechnung oder abgespeicherte Werte in einem Aktoransteuermittel
hinterlegt sein. Denkbar ist auch die Verwendung von anderen Piezokeramiken,
welche aufgrund ihrer Materialeigenschaften bereits eine höhere Koerzitivspannung
aufweisen. Geeignet sind hierbei solche Materialien, deren Koerzitivspannung
höher als
25 MPa ist.
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Ist
der Festkörperaktor
als Vielschichtaktor ausgeführt,
so lässt
sich das Kriechverhalten bereits durch einen geänderten physikalischen Aufbau
erzielen. 6a zeigt einen Vielschichtaktor
(bestehend aus drei Schichten 3), wie er aus dem Stand
der Technik bekannt ist. Jede der Aktorschichten 3 weist dabei
eine Schichtdicke von ungefähr
80 μm und
darüber
auf. Die in dem Schichtstapel angeordneten Elektroden werden durch
das Aktoransteuermittel ebenfalls angesteuert.
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Im
Gegensatz dazu zeigt 6b einen Vielschichtaktor gemäß der Erfindung,
bei dem die Schichtdicken jeweiliger Aktorschichten 3 im
Bereich zwischen 10 μm
bis 30 μm,
bevorzugt 20 μm,
liegen. Die im Inneren des Schichtstapels liegenden Elektroden werden
durch das Aktoransteuermittel angesteuert und weisen eine Verbindung
zu den Kontaktelektroden 4, 5 auf den Außenseiten
des Vielschichtaktors auf. Die im Inneren des Vielschichtaktors
gelegenen Elektroden, die vorzugsweise aus Silber oder einer Silberlegierung
gebildet sind, stellen damit Äquipotentialflächen dar,
die den größten Teil
der elektrischen Feldverteilung durch entsprechende Ladungen kompensieren
können.
Darüber
hinaus diffundiert das Silber der Elektroden in die benachbarten piezokeramischen
Aktorschichten, wodurch weitere freie Ladungsträger in der Keramik vorhanden
sind, so dass die sich die Leitfähigkeit
vorteilhafterweise weiter erhöht.
Dieser Effekt ist aufgrund des Vorhandenseins einer Vielzahl an
Elektroden besonders ausgeprägt.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass eine Verbesserung des Kriechverhaltens
eintritt. Durch eine Kombination mit den oben beschriebenen Verbesserungen
lässt sich
das Kriechverhalten weiter optimieren.
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Beispiel:
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Am
Beispiel eines typischen Biegewandlers sollen die erfindungsgemäßen Überlegungen
nochmals veranschaulicht werden. Ein Biegewandler besteht aus zwei
Piezokeramikschichten (44 × 7,2 × 0,26 mm3), die beidseitig auf eine isolierende Trägerschicht
aufgebracht sind. Wird eine der Aktorschichten mit 200 V angesteuert,
so fließt
bei einem für Weich-PZT
typischen spezifischen Widerstand von 1·1012 Ωm ein Strom
von 0,24 nA. Die Zeitkonstante für
innere Umladungsprozesse liegt im Bereich von 1 bis 1000 Sekunden.
Erniedrigt man den spezifischen Widerstand des Keramikmaterials
durch entsprechende Dotierung um drei Zehnerpotenzen, fällt die für das Kriechen
verantwortliche Zeitkonstante in den Millisekunden- bis Se kundenbereich.
Gleichzeitig bleibt der Dauerstrom des Biegewandlers noch deutlich
unter dem Grenzwert von 1 μA.
