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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Jochen Schaible
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Abstract

The unit has two material plies (1, 2) that are connected to each other, where contact surface of the plies are evenly curved and geometrically compactly wound in a spiral shape. The two material plies connected to each other are formed from piezoceramic components. The material plies are arranged in a serial manner, where one of the material plies has a moving section and the another has an attachment section. Independent claims are also included for the following: (A) a bending unit arrangement comprising bending units (B) a support unit for a piezoelectric bending unit (C) a piezoceramic unit for a piezoelectric bending unit (D) a method of manufacturing a piezoelectric bending unit.

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 1 ein erfindungsgemäßes Biegeelement in einer ersten Ausführungsform, 2 ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform, 3 zeigt zwei Biegeelemente in serieller Anordnung, und 4 zeigt vier Biegeelemente auf einem gemeinsamen Träger.It shows the 1 a bending element according to the invention in a first embodiment, 2 is an illustration of an alternative embodiment, 3 shows two bending elements in a serial arrangement, and 4 shows four bending elements on a common support.

Das in den 1 und 2 dargestellte piezoelektrische Biegeelement P, beispielsweise als Antrieb für pneumatische Steuersysteme oder als piezoelektrischer Sensor eingesetzt, besteht beispielsweise in einer möglichen Ausführungsform aus einer Lage eines Trägermaterials 1 mit zumindest einer ebenen und flachen Oberfläche, auf welche zumindest einseitig eine zweite Lage mit zumindest einem Piezokeramikelement 2 mit einer ebenfalls im wesentlichen ebenen Berührfläche zum Trägermaterial 1 aufgebracht ist. Das Trägermaterial 1 ist beispielsweise aus Metall, Keramik, Glas oder Kohlefaser angefertigt. Es sind aber genauso gut Konstruktionen mit zwei oder mehreren Lagen von Piezokeramikelementen 2 oder beliebige andere Kombinationen von piezoaktiven und neutralen Lagen möglich, die in erfindungsgemäßer kompakt gewickelter bandförmiger Geometrie vorliegen.That in the 1 and 2 Piezoelectric bending element P shown, for example, used as a drive for pneumatic control systems or as a piezoelectric sensor, consists for example in a possible embodiment of a layer of a carrier material 1 with at least one flat and flat surface on which at least on one side a second layer with at least one piezoceramic element 2 with a likewise essentially flat contact surface with the carrier material 1 is applied. The carrier material 1 is made of metal, ceramic, glass or carbon fiber, for example. However, it is just as well constructions with two or more layers of piezoceramic elements 2 or any other combinations of piezoactive and neutral layers possible, which are present in compactly wound band-shaped geometry according to the invention.

Sowohl das Trägermaterial 1 als auch das Piezokeramikelement 2 liegen in den dargestellten Ausführungsbeispielen beispielhaft in spiralförmiger Geometrie vor, wobei das Piezokeramikelement 2, welches auch aus mehreren separaten Abschnitten bestehen kann, mit Ausnahme der ebenen Berührfläche zum Trägermaterial 1 im Prinzip beliebig gestaltet sein kann, was vice-versa auch auf das Trägermaterial 1 zutrifft.Both the carrier material 1 as well as the piezoceramic element 2 are in the illustrated embodiments, for example, in spiral geometry, wherein the piezoceramic element 2 , which may also consist of several separate sections, with the exception of the flat contact surface with the carrier material 1 in principle may be arbitrarily designed, which vice-versa also on the substrate 1 true.

Die Achse der von Trägermaterial 1 und Piezokeramikelement 2 gebildeten z.B. spiralförmigen Struktur ist an jeder Stelle im wesentlichen senkrecht auf die Berührfläche zwischen Trägermaterial 1 und Piezokeramik 2. Dies ermöglicht ein Biegeelement P mit großer wirksamer Länge auf sehr geringer Fläche, mit welchem dennoch sehr große Auslenkungen erreichbar sind.The axis of the carrier material 1 and piezoceramic element 2 formed eg spiral-shaped structure is at each point substantially perpendicular to the contact surface between the carrier material 1 and piezoceramics 2 , This allows a bending element P with a large effective length on a very small area, with which nevertheless very large deflections can be achieved.

Die in 1 dargestellte Ausführungsform ist eine Spirale mit sich stetig verändernder Krümmung, in welcher Form sowohl das Trägermaterial 1 als auch das Piezokeramikelement 2 vorliegen. Wie aus 2 hervorgeht, kann die spiralförmige Struktur des erfindungsgemäßen Biegeelementes P auch in einer Form vorliegen, in welcher das Trägermaterial 1 und/oder das Piezokeramikelement 2 aus geraden, allenfalls auch gekrümmten, sich aneinander anschließenden Abschnitten, bestehen.In the 1 illustrated embodiment is a spiral with constantly changing curvature, in which form both the carrier material 1 as well as the piezoceramic element 2 available. How out 2 As can be seen, the spiral structure of the bending element P according to the invention can also be present in a form in which the carrier material 1 and / or the piezoceramic element 2 consist of straight, possibly also curved, adjoining sections exist.

Sowohl in 1 als auch 2 ist das Biegeelement P derart ausgestaltet, daß Trägermaterial 1 und Piezokeramikelement 2 in Ruhe in z.B. eben spiraliger Form und bei Anlegen einer Spannung konisch spiralförmig vorliegen, in welchem Zustand der zentrale Bereich Z des Biegeelementes der 1 sowie der etwas außermittig liegende Bereich M des Biegeelementes der 2 maximale Auslenkung zeigen. Doch auch Ausführungen des Biegeelementes sind aber möglich, bei welchen es in Ruhe konisch spiralförmig vorliegt und das Anlegen einer Spannung bewirkt, daß eine eben spiralige Form angenommen wird.As well in 1 as well as 2 the bending element P is designed such that carrier material 1 and piezoceramic element 2 at rest in, for example, just a spiral shape and when applying a voltage, there is a conical spiral, in which state the central region Z of the bending element of the 1 and the slightly off-center region M of the bending element of the 2 show maximum deflection. However, embodiments of the bending element are also possible in which there is a conically spiral shape at rest and the application of a voltage causes a planar spiral shape to be assumed.

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 2 versehene Bereiche 5 des Trägerelementes 1 vorgesehen. Dadurch kann das Piezokeramikelement 2 beim Herstellungsverfahren als auch beim Einbau in Geräte, wie etwa Piezoventile od. dgl., nicht beschädigt werden. In diesen freien Bereichen 5 des Trägerelementes 1 können auch Fängerbohrungen 4 oder andere Befestigungsstrukturen vorgesehen sein, welche die Einspannung, auch während des Herstellungsprozesses, und Montage des Biegeelementes P erleichtern. Das Piezokeramikelement 2 kann aber auch die gesamte Oberfläche des Trägermaterials 1 bedecken, bis hin in den Befestigungsabschnitt E, wie dies in 2 beispielhaft dargestellt ist.Advantageously, at least one end of the spiral or a circular outer boundary of the bending element P or on the region M opposite mounting portion E not with a piezoceramic element 2 provided areas 5 of the carrier element 1 intended. As a result, the piezoceramic element 2 in the manufacturing process as well as when installed in devices such as piezo valves od. Like., Will not be damaged. In these free areas 5 of the carrier element 1 can also catcher holes 4 or other fastening structures may be provided, which facilitate the clamping, even during the manufacturing process, and assembly of the bending element P. The piezoceramic element 2 but also the entire surface of the substrate 1 cover up to the attachment section E, as in 2 is shown by way of example.

Um die Verbindung von Trägermaterial 1 und Piezokeramikelement 2 zu erleichtern und/oder auch die Anbindung anderer Elemente an das piezoelektrische Biegeelement P zu ermöglichen bzw. zu erleichtern, kann das Trägermaterial 1 geeignete Strukturen aufweisen. Dies können Ausnehmungen, Prägungen, Biegungen, sowie andere integrierte Bauteile sein, die zur Fixierung des Biegelements oder zur Betätigung eines anderen Elements dienen.To the connection of carrier material 1 and piezoceramic element 2 To facilitate and / or also to facilitate the connection of other elements to the piezoelectric bending element P or facilitate, the carrier material 1 have suitable structures. These can be recesses, embossments, bends, as well as other integrated components le, which serve to fix the bending element or to actuate another element.

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 2 einer entlang des Trägermaterials 1 angeordneten Reihe von separaten Piezokeramikelementen 2 auch separat angesteuert werden. Diese partielle Kontaktierung kann ähnlich wie bei Platinen über Leiterbahnen, die in die Metallisierung integriert sind, erfolgen. Bei der Aufbringung der Metallisierung beispielsweise durch Sputtern oder Vakuumbedampfung wird dies über Masken realisiert. Es ist auch denkbar getrennte, metallisierte Bereiche über dünne, beispielsweise angelötete Drähte zu kontaktieren, wobei diese Kontaktelemente bei geeigneter Ausführung gleichzeitig als Sensorelemente für die Auslenkungsdetektion Verwendung finden können.Individual areas of the bending element P can be controlled separately in a conventional manner and thus brought to the deflection. Similar effect can also be achieved if individual piezoceramic elements 2 one along the substrate 1 arranged series of separate piezoceramic elements 2 can also be controlled separately. This partial contacting can take place, similarly to circuit boards, via conductor tracks which are integrated into the metallization. In the application of the metallization, for example by sputtering or Vakuumbedampfung this is realized via masks. It is also conceivable to contact separate, metallized regions via thin, for example soldered, wires, wherein these contact elements, if suitably designed, can simultaneously be used as sensor elements for the deflection detection.

3 zeigt eine Biegeelementanordnung aus beispielhaft zwei seriell angeordneten, spiralförmigen Biegeelementen P1, P2. Durch diese Anordnung mehrerer Biegeelemente P hintereinander wird eine Addierung der Arbeitshübe aller Biegeelemente P1 und P2 bei gleicher Basisfläche erreicht. Der Befestigungsbereich E2 des zweiten, oberen Biegeelementes P2 ist mit dem maximal auslenkbaren, hier zentralen Bereich M1 des ersten Biegeelementes P1 verbunden. Denkbar wären aber auch Anordnungen, bei welchen zur Erzielung einer Kraftaddition zumindest zwei Biegeelemente P und deren Befestigungsabschnitte E1, E2 miteinander verbunden sind bzw. sich am gleichen Ende abstützen. 3 shows a bending element arrangement of, for example, two serially arranged, spiral-shaped bending elements P1, P2. By this arrangement of a plurality of bending elements P in succession, an addition of the working strokes of all bending elements P1 and P2 is achieved with the same base area. The fastening region E2 of the second, upper bending element P2 is connected to the maximum deflectable, here central region M1 of the first bending element P1. However, arrangements would also be conceivable in which at least two bending elements P and their fastening sections E1, E2 are connected to one another or are supported at the same end in order to achieve a force addition.

Eine parallele Anordnung von vier spiralförmigen Biegeelementen P1 bis P4 zeigt die 4. Diese vier Biegeelemente P1 bis P4 sind auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordnet, welches einen gemeinsamen Einspannbereich E bildet und beispielsweise mit vier Fängerbohrungen 4 an den Ecken versehen sein kann. Wenn die zentralen Bereiche Z1 bis Z4 zumindest zweier Biegeelemente P1 bis P4 gemeinsam auf ein und dasselbe zu betätigende Element einwirken, ergibt sich ebenfalls der Vorteil einer Kraftaddition dieser zusammenwirkenden Biegeelemente. Genausogut ist allerdings denkbar, daß jedes der Biegeelemente P1 bis P4 auf ein anderes Element zu dessen Betätigung einwirkt. Auch jede Kombination dieser Maßnahmen wäre möglich.A parallel arrangement of four spiral bending elements P1 to P4 shows the 4 , These four bending elements P1 to P4 are arranged on a common carrier element, which forms a common clamping region E and, for example, with four catcher bores 4 can be provided at the corners. If the central regions Z1 to Z4 of at least two bending elements P1 to P4 act together on one and the same element to be actuated, there is likewise the advantage of a force addition of these cooperating bending elements. However, it is equally conceivable that each of the bending elements P1 to P4 acts on another element for its actuation. Any combination of these measures would be possible.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegeelementes P erfolgt vorzugsweise durch Aufkleben eines Piezokeramikelements 2, welches wie oben erwähnt selbst auch aus mehreren Schichten aufgebaut sein kann, einseitig – für einen Monomorph – oder beidseitig – für einen Bimorph – auf eine Lage eines Trägermaterials 1. Dieses beispielsweise aus Metall, Glas, Keramik, oder Kohlefaser bestehende Trägermaterial 1 kann entweder als vorzugsweise auf einer Seite, nämlich der Berührfläche mit dem Piezokeramikelement 2, ebene und vorerst unbeschnittene Platte vorliegen, aber auch Form eines Trägerelement-Rohlings in bereits z.B. spiralförmiger oder sonst kompakt bandförmig gewickelten Ausführung, wodurch das Freischneiden der Keramik erleichtert wird.The production of the piezoelectric bending element P according to the invention is preferably carried out by adhering a piezoceramic element 2 which, as mentioned above, may itself also be composed of several layers, one-sided - for a monomorph - or both sides - for a bimorph - onto a layer of a carrier material 1 , This example, metal, glass, ceramic, or carbon fiber existing carrier material 1 can either as preferably on one side, namely the contact surface with the piezoceramic element 2 , flat and initially untrimmed plate present, but also form a carrier blank in already spiral example or otherwise compact ribbon-wound design, whereby the free cutting of the ceramic is facilitated.

Der Verbund von Trägermaterial 1 und Piezokeramikelement 2 wird nach dem Aufkleben der Keramik 2 mittels eines geeigneten Schneidverfahrens, beispielsweise mittels Laser oder Wasserstrahl, derart ausgeschnitten, daß z.B. eine Schneckenform entsteht. Alternativ dazu könnte auch das Piezokeramikelement 2 bereits vor der Verbindung mit dem Trägermaterial 1 oder einem selbst bereits vorgeschnittenen Rohling für eine Trägermaterial-Lage 1 in Form z.B. einer Spirale oder eines Teilabschnittes davon vorliegen.The composite of carrier material 1 and piezoceramic element 2 is after sticking the ceramic 2 by means of a suitable cutting method, for example by means of laser or water jet, cut out such that, for example, a screw shape is formed. Alternatively, could also be the piezoceramic element 2 even before the connection with the carrier material 1 or an already pre-cut blank for a carrier material layer 1 in the form of, for example, a spiral or a subsection thereof.

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 2 aufgeklebt werden muß. Überdies kann ein Handling von langen, dünnen Keramikelementen 2 entfallen, so daß auch mit höheren Ausbeuten gerechnet werden kann.Further advantages of the bending element P according to the invention are the better possibility of integration in a wide variety of applications and, in the case of the monomorph, the cost-effective production, since in comparison to other solutions (double bending element) only one ceramic element 2 must be glued. Moreover, a handling of long, thin ceramic elements 2 omitted, so that can be expected with higher yields.

Claims (22)

Piezoelektrisches Biegeelement für sowohl Aktorik und/oder Sensorik, bestehend aus zumindest zwei miteinander verbundenen Materiallagen (1, 2), wobei das Biegeelement in im wesentlichen ebener Form vorliegt und die Berührfläche der Lagen (1, 2) im wesentlichen eben oder nur geringgradig gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lage (1, 2) in einer in der Ebene der Berührfläche der Lagen (1, 2) geometrisch kompakt gewickelten, beliebigen Bandform vorliegt.Piezoelectric bending element for both actuators and / or sensors, consisting of at least two interconnected material layers ( 1 . 2 ), wherein the bending element is in a substantially planar shape and the contact surface of the layers ( 1 . 2 ) is substantially flat or only slightly curved, characterized in that each layer ( 1 . 2 ) in a plane in the plane of contact of the layers ( 1 . 2 ) geometrically compact wound, any band shape is present. Biegeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei aneinandergrenzenden Lagen (1, 2) durch Piezokeramikelemente gebildet sind.Bending element according to claim 1, characterized in that at least two adjoining layers ( 1 . 2 ) are formed by piezoceramic elements. Biegeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Lage durch ein Trägermaterial (1), beispielsweise aus Metall, und zumindest eine angrenzende Lage durch zumindest ein Piezokeramikelement (2) gebildet ist.Bending element according to claim 1, characterized in that at least one layer by a carrier material ( 1 ), for example of metal, and at least one adjacent layer by at least one piezoceramic element ( 2 ) is formed. Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen (1, 2) mäanderförmig vorliegen.Bending element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the layers ( 1 . 2 ) meandering. Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen (1, 2) spiralförmig vorliegen.Bending element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the layers ( 1 . 2 ) are spiral. Biegeelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen (1, 2) in Form einer Spirale mit sich stetig verändernder Krümmung vorliegen.Bending element according to claim 5, characterized in that the layers ( 1 . 2 ) in the form of a spiral with constantly changing curvature. Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lagen (1, 2) in Ruhe in ebener Form vorliegen und bei Anlegen einer Spannung auslenkbar sind.Bending element according to one of claims 1 to 6, characterized in that all layers ( 1 . 2 ) are in a flat state at rest and can be deflected when a voltage is applied. Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lagen (1, 2) in Ruhe gekrümmt vorliegen und bei Anlegen einer Spannung eine ebene Form annehmen.Bending element according to one of claims 1 to 6, characterized in that all layers ( 1 . 2 ) are curved at rest and assume a planar shape when a voltage is applied. Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen (1, 2) in Form von geraden oder gebogenen, sich aneinander anschließenden Abschnitten, vorzugsweise geraden Strecken oder Bogensegmenten, vorliegen.Bending element according to one of claims 1 to 8, characterized in that the layers ( 1 . 2 ) in the form of straight or curved, adjoining sections, preferably straight sections or arc segments. Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Teilbereiche separat ansteuerbar sind.Bending element according to one of claims 1 to 9, characterized in that individual Subareas can be controlled separately. Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß freie, nicht piezoaktive Bereiche (5) für zumindest eine der Lagen, beispielsweise das Trägerelement (1), vorgesehen sind.Bending element according to one of claims 1 to 10, characterized in that free, non-piezoactive regions ( 5 ) for at least one of the layers, for example the carrier element ( 1 ) are provided. Biegeelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den freien Bereichen (5) Fängerbohrungen (4) oder Befestigungsstrukturen vorgesehen sind.Bending element according to claim 11, characterized in that in the free areas ( 5 ) Catcher bores ( 4 ) or attachment structures are provided. Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Lagen (1) mit Strukturen zur Verbindung mit bzw. Fixierung zumindest einer der anderen Lagen (2) oder anderer Elemente versehen ist.Bending element according to one of claims 1 to 12, characterized in that one of the layers ( 1 ) with structures for connecting or fixing at least one of the other layers ( 2 ) or other elements. Biegeelementanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Biegeelemente (P) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13 seriell angeordnet sind, wobei der auslenkende Abschnitt eines Biegeelementes (P) als Befestigungsstelle des Befestigungsabschnitts des zweiten Biegeelementes (P) ist.Bending element arrangement, characterized in that at least two bending elements (P) according to at least one of the claims 1 to 13 are arranged in series, wherein the deflecting portion of a Bending element (P) as an attachment point of the attachment portion of the second bending element (P). Biegeelementanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Biegeelemente gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13 seriell angeordnet sind, wobei die Befestigungsabschnitte zweier Biegeelemente (P) verbunden sind oder sich am gleichen Ende abstützen.Bending element arrangement, characterized in that at least two bending elements according to at least one of the claims 1 to 13 are arranged serially, wherein the fastening sections of two Bending elements (P) are connected or supported at the same end. Biegeelementanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Biegeelemente (P) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13 parallel zueinander angeordnet sind und einen gemeinsamen freien, nicht piezoaktiven Bereich (5) aufweisen.Biegeelementanordnung, characterized in that at least two bending elements (P) according to at least one of claims 1 to 13 are arranged parallel to each other and a common free, non-piezoactive region ( 5 ) exhibit. Trägerelement-Rohling für ein piezoelektrisches Biegeelement (P) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine geometrisch kompakt gewickelte, beliebige Bandform, vorzugsweise eine spiralförmige Ausführung.Carrier element blank for a Piezoelectric bending element (P) according to one of claims 1 to 13, characterized by a geometrically compact wound, arbitrary Band shape, preferably a spiral design. Piezokeramikelement für ein piezoelektrisches Biegeelement (P) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die Ausführung in geometrisch kompakt gewickelter, beliebiger Bandform, vorzugsweise in Form einer Spirale oder eines Teilabschnittes davon.Piezo-ceramic element for a piezoelectric bending element (P) according to one of claims 1 to 13, characterized by the execution in geometrically compact wound, any band shape, preferably in the form of a spiral or a subsection thereof. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Biegeelementes, umfassend das Aufbringen von zumindest einem Piezokeramikelement (2) mit einer im wesentlichen ebenen Fläche auf zumindest eine weitere Lage (1), welche ein vorzugsweise aus Metall, Keramik, Kunststoff, Glas- oder Kohlefaser bestehendes, Trägermaterial mit einer im wesentlichen ebenen Fläche oder ein weiteres Piezokeramikelement ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezokeramikelement (2) und die weitere Lage (1) an ihren ebenen Flächen verbunden werden und das Piezokeramikelement (2) anschließend an das Verbinden mit der zweiten Lage (1) zu einer geometrisch kompakt gewickelten, beliebigen Bandform, beispielsweise mäander- oder spiralförmig, ausgeschnitten wird.Method for producing a piezoelectric bending element, comprising applying at least one piezoceramic element ( 2 ) with a substantially flat surface on at least one further layer ( 1 ), which is a preferably made of metal, ceramic, plastic, glass or carbon fiber, carrier material having a substantially flat surface or another piezoceramic element, characterized in that the piezoceramic element ( 2 ) and the further situation ( 1 ) are connected at their flat surfaces and the piezoceramic element ( 2 ) subsequent to bonding to the second layer ( 1 ) is cut into a geometrically compact, any band shape, such as meandering or spiral shape, cut. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Biegeelementes, umfassend das Aufbringen von zumindest einem Piezokeramikelement (2) mit einer im wesentlichen ebenen Fläche auf zumindest eine weitere Lage (1), welche ein vorzugsweise aus Metall, Keramik, Kunststoff, Glas- oder Kohlefaser bestehendes, Trägermaterial mit einer im wesentlichen ebenen Fläche oder ein weiteres Piezokeramikelement ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezokeramikelement (2) vor dem Aufbringen auf die andere Lage (1) ausgeschnitten oder über ein geeignetes Herstellungsverfahren, vorzugsweise Spritzguss oder Freiformsintern, in einer geeigneten geometrisch freigeschnittenen beliebigen Form hergestellt wird.Method for producing a piezoelectric bending element, comprising applying at least one piezoceramic element ( 2 ) with a substantially flat surface on at least one further layer ( 1 ), which is a preferably made of metal, ceramic, plastic, glass or carbon fiber, carrier material having a substantially flat surface or another piezoceramic element, characterized in that the piezoceramic element ( 2 ) before application to the other layer ( 1 ) or produced by a suitable manufacturing process, preferably injection molding or Freeformsintern, in a suitable geometrically cut free any shape. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß auch die zweite Lage (1) anschließend an das Verbinden mit dem Piezokeramikelement (2) zu einer geometrisch kompakt gewickelten, beliebigen Bandform ausgeschnitten wird.Method according to Claim 19 or 20, characterized in that the second layer ( 1 ) subsequent to the connection with the piezoceramic element ( 2 ) is cut to a geometrically compact wound any band shape. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lage (1) vor dem Verbinden mit dem Piezokeramikelement (2) ausgeschnitten oder über ein geeignetes Herstellungsverfahren in einer geometrisch freigeschnittenen beliebigen Form hergestellt wird.Method according to claim 19 or 20, characterized in that the second layer ( 1 ) in front the connection with the piezoceramic element ( 2 ) or made by a suitable manufacturing process in a geometrically cut arbitrary shape.
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