DE102005044390A1 - Piezo-electric actuator is enveloped in multi-layered foil with electrical insulators and insulants - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Piezoaktoren.The Invention relates to the field of piezoelectric actuators.
Bei diesen Piezoaktoren kann es durch Delaminieren von Keramikschichten durch mechanische Spannungen während des Betriebes zu einem Aufbrechen der auf dem Aktorkörper aufgebrachten Metallisierungsschicht kommen.at These piezo actuators can be damaged by delamination of ceramic layers due to mechanical stresses during the operation of breaking up the applied on the actuator body Metallization come.
Außerdem ist der Aktorkörper bei Piezoaktoren nach dem Stand der Technik thermisch isoliert. Die beim Betrieb des Aktorkörpers entstehende Eigenwärme kann zu Problemen führen und den Einsatzbereich des Aktors einschränken.Besides that is the actuator body thermally insulated in piezoelectric actuators according to the prior art. The during operation of the actuator body resulting self-heat may cause problems and restrict the area of application of the actuator.
In
der
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Piezoaktor zu schaffen, bei dem die angesprochenen Nachteile zumindest teilweise überwunden werden können und der eine verbesserte Stabilität und einen breiteren Einsatzbereich ermöglicht.It Therefore, the task is to create a piezoelectric actuator, at which at least partially overcomes the mentioned disadvantages can be and the improved stability and wider range of use allows.
Diese Aufgabe wird durch einen Piezoaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demgemäß wird ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper bereitgestellt, welcher mehrere piezoelektrischen Schichten enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper mit einem Mehrschichtfoliensystem umwickelt ist, welches mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht und mindestens eine elektrisch isolierende Schicht enthält.These The object is achieved by a piezoelectric actuator having the features of the claim 1 solved. Accordingly, a Piezo actuator with an actuator body provided, which contains a plurality of piezoelectric layers, characterized characterized in that the actuator body is wrapped with a multilayer film system, which at least an electrically conductive Layer and at least one electrically insulating layer.
Ein solcher Piezoaktor bietet unter anderem einen oder mehrere der folgenden Vorteile:
- – Durch die mindestens eine wärmeleitfähige Schicht wird eine Abführung der Eigenwärme des Piezoaktors ermöglicht. Dadurch kann eine mögliche thermo-mechanische Schädigung des Aktorkörpers verringert bzw. je nach Anwendung sogar ganz vermieden werden.
- – Durch die Umwicklung ergibt sich eine hohe mechanische Stabilität.
- – Durch die Umwicklung ergibt sich je nach Anwendung sogar ein so straffer Aufbau, dass sogar nach mechanischen Schädigungen der Piezoaktor weitgehend funktionstüchtig bleibt.
- – Durch die Anwesenheit mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht wird jedoch eine weitgehende Flexibilität in axialer Richtung beibehalten, so dass die gewünschte Arbeitsauslenkung des Aktorkörpers nicht oder weitgehend nicht in ungünstiger Weise beeinflusst wird.
- - Due to the at least one thermally conductive layer, a removal of the heat of the piezoelectric actuator allows. As a result, a possible thermo-mechanical damage to the actuator body can be reduced or, depending on the application, even completely avoided.
- - The wrapping results in a high mechanical stability.
- Depending on the application, the wrapping even results in such a tight construction that even after mechanical damage the piezoactuator remains largely functional.
- - Due to the presence of at least one electrically insulating layer, however, a substantial flexibility in the axial direction is maintained, so that the desired working deflection of the actuator body is not or is not affected unfavorably.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine elektrische isolierende Schicht dünner als die elektrisch leitende Schicht.According to one preferred embodiment of present invention is the at least one electrical insulating Layer thinner as the electrically conductive layer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis der Dicke der elektrisch leitenden Schicht zur Dicke der elektrisch isolierenden Schicht ≥ 1:1 bis ≤ 10:1. Dies hat sich für die Ableitung der Wärme als besonders günstig erwiesen. Bevorzugt ist das Verhältnis der Dicke der elektrisch leitenden Schicht zur Dicke der elektrisch isolierenden Schicht ≥ 2:1 bis ≤ 10:1, noch bevorzugt ≥ 4:1 bis ≤ 10:1.According to one preferred embodiment of The present invention is the ratio of the thickness of the electric conductive layer to the thickness of the electrically insulating layer ≥ 1: 1 to ≤ 10: 1. this has for the dissipation of heat as a particularly cheap proved. The ratio is preferred the thickness of the electrically conductive layer to the thickness of the electrically insulating layer ≥ 2: 1 up to ≤ 10: 1, still preferably ≥ 4: 1 to ≤ 10: 1.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Wärmeleitfähigkeit der mindestens einen elektrisch isolierenden Schicht von ≥ 0,2 W/mK. Dies hat sich in der Praxis als besonders günstig erwiesen.According to one preferred embodiment of present invention the thermal conductivity the at least one electrically insulating layer of ≥ 0.2 W / mK. This has proven to be particularly favorable in practice.
Bevorzugt beträgt die Wärmeleitfähigkeit der mindestens einen elektrisch isolierenden Schicht von ≥ 0,6 W/mK.Prefers is the thermal conductivity the at least one electrically insulating layer of ≥ 0.6 W / mK.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der spezifische Widerstand der mindestens einen elektrisch isolierenden Schicht von ≥ 1014 Ω·cm Auch dies hat sich in der Praxis als besonders günstig erwiesen.According to a preferred embodiment of the present invention, the specific resistance of the at least one electrically insulating layer is 14 10 14 Ω · cm. This has also proved to be particularly favorable in practice.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke der mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht von ≥ 5 μm bis ≤ 500 μm. Dadurch kann bei vielen Anwendungen ein gleichzeitig kompakter wie stabiler Aufbau des Piezoaktors erreicht werden. Bevorzugt beträgt die Dicke der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schicht von ≥ 8 μm bis ≤ 300 μm, noch bevorzugt ≥ 10 μm bis ≤ 250 μm, sowie am meisten bevorzugt ≥ 15 μm bis ≤ 200 μm.According to one preferred embodiment of present invention the thickness of the at least one electrically conductive layer of ≥ 5 microns to ≤ 500 microns. Thereby can be both more compact and stable in many applications Structure of the piezoelectric actuator can be achieved. Preferably, the thickness is the at least one electrically conductive layer of ≥ 8 microns to ≤ 300 microns, more preferably ≥ 10 microns to ≤ 250 microns, and most preferably ≥ 15 μm to ≤ 200 μm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke der mindestens einen elektrisch isolierenden Schicht von ≥ 5 μm bis ≤ 500 μm. Dadurch kann ebenfalls bei vielen Anwendungen ein gleichzeitig kompakter wie stabiler Aufbau des Piezoaktors erreicht werden. Bevorzugt beträgt die Dicke der mindestens einen elektrisch isolierenden Schicht von ≥ 8 μm bis ≤ 300 μm, noch bevorzugt ≥ 10 μm bis ≤ 250 μm, sowie am meisten bevorzugt ≥ 15 μm bis ≤ 200 μm.According to one preferred embodiment of present invention the thickness of the at least one electrically insulating layer of ≥ 5 μm to ≤ 500 μm. Thereby can also be more compact in many applications at the same time how stable construction of the piezoelectric actuator can be achieved. Preferably, the thickness is the at least one electrically insulating layer of ≥ 8 microns to ≤ 300 microns, more preferably ≥ 10 microns to ≤ 250 microns, and most preferably ≥ 15 μm to ≤ 200 μm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Zahl der Umwicklungen des Aktorkörpers durch das Mehrschichtfoliensystem von ≥ 2 bis ≤ 50. Es hat sich gezeigt, dass sich dies insbesondere vorteilhaft auf die Stabilität des Piezoaktors auswirkt. Besonders bevorzugt beträgt die Zahl der Umwicklungen des Aktorkörpers durch das Mehrschichtfoliensystem von ≥ 3 bis ≤ 10.According to a preferred embodiment of the present invention, the number of Um Windings of the actuator body through the multilayer film system of ≥ 2 to ≤ 50. It has been shown that this has a particularly advantageous effect on the stability of the piezoelectric actuator. The number of windings of the actuator body through the multilayer film system is particularly preferably from ≥ 3 to ≦ 10.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Mehrschichtfoliensystem zwei elektrisch leitfähige Schichten und zwei elektrisch isolierende Schichten. Hierdurch kann ein besonders einfacher Aufbau des Piezoaktors erreicht werden.According to one preferred embodiment of present invention the multilayer film system two electrically conductive layers and two electrically insulating layers. This can be a special simple design of the piezoelectric actuator can be achieved.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Piezoaktor ferner zwei Kontaktstifte, wobei die Kontaktstifte jeweils mit einer elektrisch leitfähige Schicht verbunden sind. Bevorzugt sind die Kontaktstifte mit der ihnen zugeordneten elektrisch leitfähigen Schicht umwickelt und/oder verlötet. Dadurch ergibt sich ein besserer Halt des Kontaktstiftes, was die Stabilität des Piezoaktors erhöht.According to one preferred embodiment of present invention, the piezoelectric actuator further comprises two contact pins, wherein the contact pins each with an electrically conductive layer are connected. Preferably, the contact pins are assigned to them electrically conductive Layer wrapped and / or soldered. This results in a better grip of the contact pin, what the Stability of the Piezoactors increased.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist das Material der elektrisch leitfähige Schicht
ausgewählt
aus der Gruppe enthaltend Metall, Graphitfaserfolie, Klebeschicht
mit leitenden Füllkörpern, Graphit
und Mischungen daraus. Dabei sind folgende Materialien besonders
bevorzugt:
Metall: ausgewählt
aus der Gruppe enthaltend Kupfer, Aluminium, Silber, Gold und Mischungen
daraus.According to a preferred embodiment of the present invention, the material of the electrically conductive layer is selected from the group consisting of metal, graphite fiber foil, adhesive layer with conductive fillers, graphite and mixtures thereof. The following materials are particularly preferred:
Metal: selected from the group consisting of copper, aluminum, silver, gold and mixtures thereof.
Graphitfaserfolie: insbesondere eine Klebefolie mit leitfähigen Fasern. Eine solche Folie ist z.B. unter der Bezeichnung „XYZ-Axis Electrically Conductive Tape" von der Firma 3M erhältlich.Graphite fiber sheet: in particular an adhesive film with conductive fibers. Such a foil is e.g. under the designation "XYZ-Axis Electrically Conductive Tape "from the company 3M available.
Klebeschicht mit leitenden Füllkörpern: Eine solche Folie ist z.B. unter der Bezeichnung „Z-Axis Film 7303" von der Firma 3M erhältlich.adhesive layer with conductive packing: Such Foil is e.g. under the name "Z-Axis Film 7303" from the company 3M available.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Material der mindestens einen elektrisch isolierenden Schicht ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Kunststoff – bevorzugt Polyurethan, Epoxidharz, Silikon sowie Mischungen daraus – sowie Kunststofffolie mit wärmeleitfähigen Füllkörpern. Besonders bevorzugt ist Kunststofffolie, die unter der Bezeichnung „Conductive Tape" erhältlich ist.According to one preferred embodiment of The present invention is the material of at least one electrically selected insulating layer from the group comprising plastic - preferably polyurethane, epoxy resin, Silicone and mixtures thereof - as well as plastic film with thermally conductive fillers. Especially preferred is plastic film, which under the name "Conductive Tape "is available.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Piezoaktors, enthaltend die Schritte:
- (a) Verbinden einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht mit der „+"-Elektrode des Aktorkörpers, wobei an der Seite der Schicht, welche dem Aktorkörper abgewandt ist, eine erste elektrisch isolierende Schicht angebracht ist.
- (b) Verbinden einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht mit der „–"-Elektrode des Aktorkörpers, wobei an der Seite der Schicht, welche dem Aktorkörper abgewandt ist, eine zweite elektrisch isolierende Schicht angebracht ist.
- (c) Umwickeln des Aktorkörpers.
- (A) connecting a first electrically conductive layer to the "+" electrode of the actuator body, wherein on the side of the layer which faces away from the actuator body, a first electrically insulating layer is attached.
- (B) connecting a second electrically conductive layer to the "-" - electrode of the actuator body, wherein on the side of the layer which faces away from the actuator body, a second electrically insulating layer is attached.
- (c) wrapping the actuator body.
Dadurch kann ein erfindungsgemäßer Piezoaktor auf einfache und effiziente Weise hergestellt werden.Thereby can a piezoelectric actuator according to the invention be made in a simple and efficient way.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird bei Schritt (c) der Aktorkörper ≥ 1 bis ≤ 50 Mal umwickelt.According to one preferred embodiment of Present invention, in step (c), the actuator body ≥ 1 to ≤ 50 times wrapped.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Piezoaktor ferner mindestens einen Metallfüllkörper.According to one preferred embodiment of According to the present invention, the piezoelectric actuator further comprises at least a metal filler.
Bevorzugt kontaktiert dabei der mindestens eine Metallfüllkörper eine der elektrisch leitfähige Schichten.Prefers the at least one metal filler body contacts one of the electrically conductive layers.
Für den Fall, dass zwei elektrisch leitfähige Schichten vorhanden sind, sind gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwei Metallfüllkörper vorgesehen, die jeweils eine der elektrisch leitfähigen Schichten kontaktieren.In the case, that two electrically conductive layers are present, according to a another preferred embodiment the invention provides two metal filling bodies, each contacting one of the electrically conductive layers.
Durch einen oder mehrere solcher Metallfüllkörper kann die Stabilität und Wärmeableitung vom Aktorkörper je nach konkreter Anwendung nochmals stark verbessert werden. Bevorzugt bestehen die Metallfüllkörper dabei aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Stahl, Kupfer, Silber, Aluminium, Gold oder Mischungen davon.By One or more of such metal fillers can provide stability and heat dissipation from the actuator body depending on the specific application again greatly improved. Prefers the metal fillers are there selected from a material the group containing steel, copper, silver, aluminum, gold or Mixtures thereof.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.The the aforementioned and the claimed and in the embodiments described to be used according to the invention Components are subject in size, shape design, Material selection and technical conception no special exceptions, so that the selection criteria known in the field of application apply without restriction can find.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen – beispielhaft – mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigt:Further Details, features and advantages of the subject matter of the invention emerge from the dependent claims as well as from the following description of the accompanying drawings, in which - by way of example - several Embodiments of the inventive piezoelectric actuator are shown. In the drawings shows:
Da
in dieser Ausführungsform
der Aktorkörper
nur einmal umwickelt ist, ist die Dicke der Schichten
Wie
in
Claims (12)
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