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Die
Erfindung betrifft einen piezokeramischen Flächenaktuator mit einer Vielzahl
von durch jeweils eine positive oder negative Elektrode voneinander
getrennte Piezokeramikplatten, wobei sich die positiven und negativen
Elektroden alternierend abwechseln und integral mit den Piezokeramikplatten aufgebaut
sind und mit Sammelelektrodenflächen
für die
positiven und negativen Elektroden, die mit den zugeordneten positiven
oder negativen Elektroden leitend verbunden und auf sich zwei gegenüberliegenden
Außenflächen des
Flächenaktuators
angeordnet sind.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines
piezokeramischen Flächenaktuators
mit den Schritten:
- a) Herstellen eines monolithischen
quaderförmigen
Keramikblocks bestehend aus einer Vielzahl von durch jeweils eine
positive oder negative Elektrode voneinander getrennten Piezokeramikplatten,
wobei sich die positiven und negativen Elektroden alternierend abwechseln
und integral mit den Piezokeramikplatten aufgebaut sind,
- b) Aufbringen von elektrisch leitenden Sammelelektrodenflächen auf
zwei sich gegenüberliegenden
Außenseiten
des Flächenaktuators
derart, dass die Sammelelektrodenflächen mit den zugeordneten positiven
oder negativen Elektroden leitend verbunden werden.
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Aktuatoren
und Sensoren auf Basis multifunktionaler Werkstoffe sind ein wesentlicher
Bestandteil adaptiver Strukturen. Als integrale Komponenten der
Struktur übernehmen
sie im günstigsten Fall
auch lasttragende Funktion. Multifunktionale Werkstoffe, häufig auch
als „Smart
Materials" oder
intelligente Werkstoffe bezeichnet, sind Energiewandler, die in
einer technisch nutzbaren Weise auf einen äußeren Stimulus reagieren. Am
häufigsten
eingesetzt werden Werkstoffe, die auf ein elektrisches, thermisches
oder magnetisches Feld mit einer Änderung ihrer mechanischen
Eigenschaften reagieren. Die bekanntesten Vertreter sind Piezokeramiken (Kraftwirkung/Deformation
im elektrischen Feld), Formgedächtnislegierung
(temperaturabhängige Kraftwirkung/Deformation)
oder elektrorheologische und magnetorheologische Flüssigkeiten
(Beeinflussung der Schubübertragung
im elektrischen bzw. magnetischen Feld). Häufig funktioniert der Effekt
in beide Richtungen, so dass die entsprechenden Werkstoffe nicht
nur aktuatorisch, sondern auch sensorisch genutzt werden können.
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Aufgrund
einer Reihe von Vorteilen sind hierzu Piezokeramiken die gegenwärtig am
häufigsten verwendeten
multifunktionalen Werkstoffe. Die Funktion von Piezokeramiken basiert
auf dem piezoelektrischen Effekt, der die Wechselwirkung zwischen dem
mechanischen und elektrischen Zustand einer speziellen Klasse von
Kristallen beschreibt. Entstehen proportional zur Deformation des
Kristalls elektrische Ladungen, so wird dies als direkter piezoelektrischer
Effekt bezeichnet. Dieser Effekt kann sensorisch genutzt werden,
indem die elektrischen Ladungen über
ein geeignetes Messinstrument detektiert werden. Die Umkehrung dieses
Effektes wird inverser piezoelektrischer Effekt genannt, bei dem
das Kristall seine Form unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ändert. Über diesen
Effekt erfolgt die aktuatorische Nutzung der Piezokeramik.
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Piezokeramische
Werkstoffe haben den Vorteil, dass sie in einem großen Frequenzbereich
bis weit in den KHz-Bereich hinein eingesetzt werden können, eine
hohe Steifigkeit von typischerweise 60 GPa aufweisen und über ein
elektrisches Feld einfach angesteuert werden können.
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Die
Piezokeramiken werden großindustriell hergestellt
und sind von verschiedenen Anbietern in unterschiedlichen Bauformen
zu einem günstigen Preis
erhältlich.
Ein Nachteil von Piezokeramiken liegt jedoch in der Natur keramischer
Werkstoffe begründet.
Piezokeramiken sind spröde
und damit bruchempfindlich. Während
sie Druckbelastungen sehr gut standhalten können, sind Zugbelastungen auf
jeden Fall zu vermeiden. Die zuverlässige Weiterverarbeitung und
strukturelle Integration der in der Regel höchstempfindlichen Werkstoffe
ist daher mit einigem Aufwand und Risiko verbunden.
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Ein
vorteilhaftes und industriegerechtes Konzept ist es daher, die jeweiligen
Werkstoffe zunächst zu
kompakten und handhabbaren Bauelementen in Form von Piezokompositen
weiter zu verarbeiten. Piezokomposite sind Verbundwerkstoffe bestehend aus
piezokeramischen Materialien und Polymerwerkstoffen, z. B. Kunstharzen.
Durch Kombination mit duktilen Polymerwerkstoffen, z. B. durch Eingießen oder
Verkleben, können
für bestimmte
Anwendungen Eigenschaftsverbesserungen erzielt werden. Die so entstandenen
Piezokomposite zeichnen sich insbesondere durch eine reduzierte
Bruchempfindlichkeit aus. Durch die Anordnung der piezokeramischen Werkstoffe
im Verbund lassen sich zusätzlich
Materialeigenschaften, wie z. B. Steifigkeit oder Dämpfung gezielt
einstellen. Weiterhin können
auch notwendige zusätzliche
Komponenten, wie Elektroden, Energiezuleitungen, Isolatoren usw.
eingebracht werden. Erst in einem zweiten Schritt werden die Aktuatoren und
Sensoren mit dem Strukturwerkstoff bzw. der Struktur kombiniert.
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Ein
wesentliches Anwendungsfeld ist der Einsatz von Piezokompositen
in der Ultraschalltechnik. Zum Aufbau von Ultraschallwandlern, die
hauptsächlich
in der medizinischen Diagnostik für zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und
in der Sonartechnik eingesetzt werden. In der Adaptronik werden
Piezokomposite im Wesentlichen zur Reduzierung, Erzeugung oder Detektierung
von Strukturverformungen zur Lärm-, Vibrations-,
und Formkontrolle eingesetzt. Die Adaptronik setzt hierbei einen
besonderen Schwerpunkt auf verteilte Aktuatork und Sensorik. Im Gegensatz
zu diskreten Aktuatoren, wie z. B. bei Piezostapelaktuatoren, erfolgt
die Krafteinleitung nicht an zwei expliziten Punkten, sondern durch
Schub über
eine flächige
Verbindung, in der Regel über
eine Klebschicht. Insbesondere für
den Leichtbau besitzen flächige
Aktuatoren/Sensoren, die im Folgenden als Flächenaktuatoren bezeichnet werden,
eine große
Bedeutung, da keine massiven Krafteinleitungspunkte erforderlich
sind. Gewichts- und bauraum-optimiert werden die Flächenaktuatoren
(Aktuatoren und Sensoren) in dünnwandige
Leichtbaustrukturen eingebracht und beeinflussen Schwingungen und Deformationen
direkt am Ort ihrer Entstehung. Im Vergleich zu diskreten Aktuatoren,
deren Steifigkeit und damit verbunden deren Effizienz prinzipbedingt mit
zunehmender Länge
abnimmt, können
Flächenaktuatoren
ohne Effizienzverlust in beliebiger Länge ausgeführt werden.
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Auch
hier gilt, dass durch die Kombination des spröden keramischen Materials mit
einem Polymerwerkstoff verbesserte Eigenschaften erzielt werden.
Der Verguss mit dem Polymer erfolgt in der Regel bei erhöhten Temperaturen,
typischerweise 120°C.
Durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Polymerwerkstoffs und der Keramik sowie durch den Schrumpf des
Polymers bei der Aushärtung
ergibt sich eine Druckvorspannung des keramischen Materials in der
Ebene. Dadurch können
Piezokomposite in gewissen Grenzen auch auf Zug belastet werden.
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Die
wesentlichen Vorteile bei der Verwendung von Piezokompositen sind
somit der Schutz der spröden
Piezokeramik vor äußeren Belastungen,
die verbesserte Handhabbarkeit, die einfache elektrische Kontaktierung,
ein elektrisch isolierter Aktuator, die Druckvorspannung der Piezokeramik
durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Isolationsmaterials
bzw. der Bettungsmasse und der Piezokeramik, der Abbau von Spannungsspitzen in
der Keramik mit der Behinderung von Rissausbreitung, eine größere passive
Verformbarkeit, eine erhöhte
Lebensdauer der Wandler und die Möglichkeit zur Realisierung
komplexer Architekturen.
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Ausgangsmaterialien
für die
Herstellung von piezokeramischen Flächenaktuatoren sind hauptsächlich dünne piezokeramische
Plättchen,
die auch als Piezofolien be zeichnet werden, und piezokeramische
Fasern, die mit unterschiedlichen Verfahren, Zusammensetzungen und
Abmessungen hergestellt werden.
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Von
den drei richtungsabhängigen
piezoelektrischen Teileffekten
- – Längseffekt
oder d33-Effekt
- – Quereffekt
oder d31-Effekt und
- – Schereffekt
oder d15-Effekt
werden für Piezokomposite
in der Adaptronik fast ausschließlich der Längs- und Quereffekt genutzt. Der
Zusammenhang zwischen Dehnung und elektrischen Feld würde über die
materialspezifische Ladungskonstante „d" beschrieben, wobei vereinfachend von
einem linearen Zusammenhang zwischen Dehnung und elektrischem Feld
ausgegangen wird. Die Indizes kennzeichnen dabei Ursache und Wirkung
und beziehen sich auf Koordinatenrichtungen eines in der Materialwissenschaft
gebräuchlichen Koordinatensystems.
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Beim
d31-Effekt wird die Dehnung genutzt, die
quer zum anliegenden elektrischen Feld entsteht. Das elektrische
Feld wird in 3-Richtung aufgebracht (Ursache) und in 1-Richtung
genutzt (Wirkung). Die d31-Konstante ist
negativ, da bei Anlegen eines positiven elektrischen Feldes in 3-Richtung
eine Kontraktion der Piezokeramik in 1-Richtung erfolgt. Analog hierzu wird
beim d33-Effekt die Dehnung der Piezokeramik
in 3-Richtung bei Anlegen eines positiven elektrischen Feldes in
3-Richtung genutzt. Da sich der keramische Körper in dieser Konfiguration
ausdehnt, ist die d33-Konstante positiv.
Je nachdem welcher der beiden Effekte genutzt wird, wird auch von „Elongatoren" oder „Kontraktoren" gesprochen.
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Die
Anordnung der Elektroden ist daher entscheidend dafür, welcher
der beiden Effekte genutzt wird. Der einfachste Aufbau für einen
Flächenaktuator
ergibt sich für
den d31-Effekt. In diesem Falle reicht eine
einfache flächige
Elektrode, die beidseitig auf einer dünnen Piezofolie aufgetragen
wird. Das elektrische Feld bildet sich dann homogen zwischen den Elektroden
aus. Die Dicke der Piezokeramik definiert aber den Elektrodenabstand
und damit die erforderliche Spannung, um ein bestimmtes elektrisches
Feld aufzubringen. Üblich
ist eine Dicke von etwa 0,2 mm, bei der eine Spannung von 200 V
erforderlich ist, um ein elektrisches Feld von 1 kV/mm zu erzeugen.
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Piezokeramische
Flächenaktuatoren,
die den d
31-Effekt nutzen, sind beispielsweise
in
WO 95/20827 ,
US 5,894,651 A und
DE 100 51 784 C1 beschrieben.
In der
DE 100 51 784
C1 wird zur Kontaktierung der Elektroden vorgeschlagen,
ein feines Netz aus Kupferdrähten
zu verwenden, das während des
Fertigungsprozesses zusammen mit der Piezokeramik in ein Polymer
eingebettet wird und die Elektroden nahezu vollständig abdeckt.
Dadurch ergibt sich insbesondere im Übergangsbereich vom aktiven zum
passiven Bereich eine flexible und zuverlässige elektrische Verbindung,
die auch bei hohen dynamischen Belastungen unempfindlich gegenüber der Entstehung
von Rissen ist. Durch die vollständige Abdeckung
der Elektrode wird sichergestellt, dass selbst bei einem Bruch alle
Bruchstücke
weiterhin kontaktiert werden und die Leistungsfähigkeit der Keramik nur geringfügig beeinflusst
wird.
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Monolithische
d
33-Flächenkomposite
sind beispielsweise aus der
US
307,306 B1 und
US 6,208,026
B1 bekannt. Zur Anbringung des elektrischen Feldes in 3-Richtung
wird eine Kamm-Elektrode in eine kupferbeschichtete Polyamidfolie
geätzt und
mit der Folie verklebt. Problematisch ist der Einsatz von monolithischen
Folien im Zusammenhang mit Kammelektroden. Elektrodenabstände und
die Breite der Fingerelektrode sind vergleichsweise groß, damit
die Auswirkung des inhomogenen elektrischen Feldes nicht zu Beschädigungen
der Keramik im Betrieb führen.
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Es
ist auch bekannt, die monolithische Piezofolie mit Hilfe eines Lasers
in Aktuatorlängsrichtung
mehrfach einzuritzen, aber nicht völlig zu durchtrennen. Durch
diese Maßnahme
wird eine gerichtete Wirkung des Wandlers erreicht, da die Steifigkeit
er Rillen größer ist,
als quer dazu.
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Aufgrund
der inhomogenen elektrischen Felder sind monolithische Piezofolien
nur bedingt für den
Aufbau von d33-Wandlern mit Kammelektroden geeignet.
Durch faserartige Architekturen des piezokeramischen Ausgangsmaterials
wird versucht, die Dauerfestigkeitseigenschaften von Piezokompositen günstig zu
beeinflussen, da Risse, die in einzelnen Piezofasern entstehen,
sich nicht durch den ganzen Keramikkörper fortsetzen, sondern an
den Grenzen zum Polymer gestoppt werden.
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Bei
Piezofaserkompositen werden piezokeramische Fasern in einer Monolage
mit einem Polymer vergossen. Die Einbringung des elektrischen Feldes
erfolgt wiederum über
eine Kammelektrode unter Verwendung ätztechnisch hergestellter flexibler Leiterbahnen
(Polyimidfolien) oder mit Leitklebstoff bedruckten Polyesterfolien.
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Der
Durchmesser der Einzelfasern liegt bei diesen Piezofaserkompositen
zwischen 150 bis 250 μm.
Ein wesentlicher Nachteil der Technologie liegt in der sehr aufwendigen
Herstellung. Jede Faser muss einzeln eingebracht und im Komposit
ausgerichtet werden. Zudem ist der Ausgangswerkstoff, die Piezofaser,
im Vergleich zu Piezofolien um ein Vielfaches teurer.
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Aus
US 6,629,341 B2 ist
die Nutzung preiswerter Piezofolien zur Herstellung von Piezofasern mit
rechteckigem Querschnitt durch maschinellen Zuschnitt der Piezofolien
bekannt. Für
den Zuschnitt der Piezofolien werden Wafersägen aus der Halbleiterindustrie
eingesetzt. Nicht elektrodierte, monolithische Piezofolien werden
in dünne
Streifen gesägt und
anschließend
mit flexiblen Leiterbahnen aus Polyimid und geätzter Kammelektrodenstruktur
verklebt. Durch das Sägen
der Piezofolie ist die Steifigkeit des Aktuators quer zur Sägerichtung
deutlich reduziert, wodurch sich auch für dieses Komposit eine gerichtete
aktuatorische Wirkung ergibt. Durch den rechteckigen Faserquerschnitt
und eine optimierte Elekrodengeometrie ergeben sich typische Dehnungswerte
von 1.600 μm
pro Meter bei einer Spannung von 1.500 V.
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Eine
wesentliche Forderung bei der Anwendung von aktuatorischen Piezokompositen
ist ein größtmögliches
Arbeitsvermögen.
Die Aktuatoren müssen
also möglichst
hohe Kräfte
und Wege erzeugen können.
Die maximalen Kräfte
und Wege werden durch den Werkstoff Piezokeramik vorgegeben. Obwohl
die Dehnungen und Kräfte
durch Nutzung des piezoelektrischen Längseffektes (d33-Effekt)
erreicht werden, haben die bisherigen technischen Lösungen zur
Nutzung dieses d33-Effektes, die auf kammartigen Oberflächenelektroden
basieren, eine Reihe von Nachteilen. Dies sind die inhomogene Feldverteilung im
keramischen Werkstoff, die hohe elektromechani sche Belastung des
piezokeramischen Werkstoffes in Bereichen mit hohen Feldgradienten,
die Entstehung von Rissen in Bereichen mit hohen Feldgradienten,
die Reduzierung der Lebensdauer durch Risse (elektrische Durchschläge), die
Reduzierung der Steifigkeit des Aktuators durch Risse und damit
eine Verringerung des Arbeitsvermögens, die erforderlichen extrem
hohen Betriebsspannungen von bis zu 2 kV, um ausreichend hohe elektrische
Felder erzeugen zu können,
passive (ungenutzte) Bereiche unterhalb der Kammelektroden und die
aufwendige und teure Fertigung.
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Nachteilig
ist auch, dass die Dicke der Aktuatoren sich nur sehr begrenzt einstellen
lässt.
Zwischen dem Elektrodenabstand und der Dicke des piezokeramischen
Werkstoffes besteht ein direkter Zusammenhang. Je dicker der Werkstoff
wird, desto größer muss
auch der Elektrodenabstand gewählt werden,
damit das Feld den gesamten Querschnitt durchdringen kann. Damit
steigt aber gleichzeitig die Betriebsspannung an und wird unakzeptabel
hoch. Dicken über
0,2 mm sind daher in der Regel nicht praktikabel. Zur Steigerung
der Kraftwirkung des Aktuators wäre
dies jedoch wünschenswert.
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Sehr
viel homogenere elektrische Felder werden bei der Nutzung des piezoelektrischen
Quereffektes (d31-Effekt) mit Flächenelektroden
erreicht. Dadurch wird zwar eine Reihe von Nachteilen vermieden.
Allerdings sind die maximal erreichbaren Dehnungen deutlich geringer
und liegen bei ca. 35 % des d33-Effektes.
Dicke Aktuatoren führen
auch hier zu einer Erhöhung
der Betriebsspannung. Bei d31-Wandlern ergibt
sich die erforderliche Betriebsspannung zur Erzeugung eines geforderten
elektrischen Feldes direkt aus dem Abstand der Elektroden und damit
aus der Dicke des piezoelektrischen Werkstoffs. Je dicker der Werkstoff,
desto höher
die Betriebsspannung.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten piezoelektrischen
Flächenaktuator
zu schaffen, der den d33-Effekt ausnutzt und
hohe Dehnungen bei geringen Betriebsspannungen erzeugen kann.
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Die
Aufgabe wird dem piezokeramischen Flächenaktuator der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
dass der Flächenaktuator
plattenförmig mit
einer wesentlich grö ßeren durch
den Abstand der gegenüberliegenden
Sammelelektrodenflächen
definierten Breite der Piezokeramikplatten als der Dicke des Flächenaktuators
ist und in ein Kunststoff eingebettet ist.
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Diese
Flächenaktuatoren
basieren auf piezokeramischen Multilayeraktuatoren, die eine Weiterentwicklung
konventioneller piezokeramischer Stapelaktuatoren sind. Konventionelle
Stapelaktuatoren werden aus geschichteten und miteinander verklebten
piezokeramischen Platten hergestellt. Die Platten sind dabei flächig elektrodiert
und dehnen sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes unter Ausnutzung des
d33-Effektes
in Dickenrichtung aus. Da die Dehnung einer Platte in Dickenrichtung
gering ist, werden die Platten gestapelt, so dass sich die Dehnungen
aller Platten addieren. Zur Kontaktierung der Elektroden werden
in die Klebschichten dünne
Kupferfolien eingebettet, die seitlich aus dem Stapel herausführen und
wechselseitig kontaktiert werden. Da die Klebschichten die Steifigkeit
des Aktuators und damit die Kraftwirkung des Aktuators reduzieren,
wurden piezokeramische Multilayeraktuatoren entwickelt, bei denen
die Elektroden als sehr dünne
Schichten (wenige μm)
auf den keramischen Grünkörper der
Piezokeramik aufgebracht und anschließend mit der Piezokeramik gesintert
wird. Dadurch ist die Elektrode Bestandteil des monolithischen Keramikkörpers. Weil
keine Polymerwerkstoffe zum Aufbau des Aktuators benötigt werden,
ist der Multilayeraktuator deutlich steifer als ein konventioneller
Stapelaktuator. Zudem ermöglicht
diese Bauweise eine Reduzierung der Betriebsspannung, da mehr Elektroden
mit geringerem Abstand in den Stapel eingebracht werden können, ohne
dass die Steifigkeit des Aktuators drastisch abnimmt.
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Basierend
auf diesen an sich bekannten quaderförmigen Multilayeraktuatoren
wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, einen piezokeramischen
Aktuator zu schaffen, der nicht quaderförmig, sondern plattenförmig ist.
Typische Dicken liegen im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm und vorzugsweise etwa
0,2 mm. Typische Breiten liegen im Bereich von 10 bis 20 mm. Damit
kann auch für
einen Flächenaktuator
der Vorteil der quadertörmigen
Multilayeraktuatoren einer homogenen Feldverteilung in den aktuatorisch
wirksamen Bereichen des Piezokomposits. einer geringen elektromechanischen
Belastung des piezokeramischen Werkstoffs in den aktuatorisch wirksamen
Bereichen, einer deutlich geringeren Betriebsspannung bei gleicher
aktiver Dehnung und der fehlende Einfluss der Keramikdicke auf die
Betriebsspannung genutzt werden. Durch die Einbettung in einem Kunststoff,
wie z.B. einem Polymer, einem Faserverbund etc. wird erreicht, dass
der Flächenaktuator
mechanisch stabilisiert, handhabbar und elektrisch isoliert ist.
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Vorzugsweise
sind die Elektroden mit den Piezokeramikplatten zu einem monolithischen
Keramikkörper
gesintert, um einen integralen monolithischen Keramikblock zu bilden,
der in Form einer dünnen
Platte bzw. Scheibe für
den Flächenaktuator
eingesetzt wird.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn auf den Sammelelektrodenflächen für die positiven
und negativen Elektroden jeweils eine elektrisch leitende elastische
Kontaktfläche
aufgebracht ist. Auf diese Weise wird für die positiven Elektroden
eine elektrische Kontaktierung über
die positive Sammelelektrodenfläche
und die darauf aufliegende Kontaktfläche gewährleistet. Entsprechend ist
eine negative Kontaktfläche
für die
negativen Elektroden vorgesehen, die auf der negativen Sammelelektrodenfläche aufliegt.
Die zusätzliche
elastische Kontaktfläche
führt zu
einer hohen Zuverlässigkeit
und Lebensdauer des Piezokomposits. Sie verhindert, dass sich Risse,
die sich in der Piezokeramik bilden können, zu einem Ausfall des
Aktuators führen.
Prinzipbedingt ergeben sich nämlich
an den Enden der Elektrodenfinger Bereiche mit inhomogenen Feldern.
Diese Inhomogenitäten
führen
zu einer mechanischen Belastung des Keramikwerkstoffes, wodurch
letztendlich Risse entstehen können.
Diese Risse sind für
die Funktion unkritisch, da sie örtlich
begrenzt sind, können
jedoch die Sammelelektrodenfläche
am Rand des Flächenaktuators
beschädigen.
Durch die elastische Kontaktfläche
wird die Gefahr einer solchen Beschädigung reduziert.
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Die
elektrisch leitende elastische Kontaktfläche sollte wesentlich dicker
als die Sammelelektrodenfläche
sein. Sie kann beispielsweise aus einem elektrisch leitendem Vliesmaterial,
einem Kupfergewebe oder einem Kohlenstoffgewebe gebildet sein. Besonders
vorteilhaft ist die Nutzung eines metallisierten Polyestervliesmaterials
für die
Kontaktfläche.
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Bei
der Bildung eines Flächenaktuatorverbundes
aus mehreren nebeneinander angeordneten Flächenaktuatoren ist es vorteilhaft,
jeweils eine Sammelelektrodenfläche
für zwei
aneinander angrenzende Flächenaktuatoren
vorzusehen, die jeweils die positiven oder negativen Elektroden
der benachbarten Flächenaktuatoren
kontaktiert. Die Kontaktelektrodenfläche kann dabei in einem Harzinjektionsverfahren
mit dem mindestens einen Flächenaktuator
integral verbunden werden.
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Insbesondere
um eine Vorspannung des piezokeramischen Flächenaktuators zu schaffen,
die neben der Druckbelastung auch eine Zugbelastung erlaubt, ist
es vorteilhaft, mindestens einen Flächenaktuator in einen Polymerverbund
einzubetten und über
Leiterbahnen auf Lagen des Polymerverbunds elektrisch zu kontaktieren.
Die Leiterbahnen können beispielsweise
auf obere und/oder untere Lagen des Polymerverbunds gedruckt oder
geätzt
sein.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung eines solchen piezokeramischen Flächenaktuators mit
den Schritten:
- a) Herstellen eines monolithischen
quaderförmigen
Keramikblocks bestehend aus einer Vielzahl von durch jeweils eine
positive oder negative Elektrode voneinander getrennten Piezokeramikplatten,
wobei sich die positiven und negativen Elektroden alternierend abwechseln
und integral mit den Piezokeramikplatten aufgebaut sind, und
- b) Aufbringen von elektrisch leitenden Sammelelektrodenflächen auf
zwei sich gegenüberliegende
Außenseiten
des Flächenaktuators
derart, dass die Sammelelektrodenflächen mit den zugeordneten positiven
oder negativen Elektroden leitend verbunden werden;
zu
schaffen.
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Die
Aufgabe wird mit diesem Verfahren gelöst durch die weiteren Schritte:
- c) Schneiden des quaderförmigen Keramikblocks in plattenförmige Flächenaktuatoren
so, dass die Piezokeramikplatten eine wesentlich größere durch
den Abstand der gegenüberliegenden
Sammelelektrodenflächen
definierten Breite haben, als die Dicke des Flächenaktuators, und
- d) Einbetten des Flächenaktuators
in einen Kunststoff.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1a) bis e) – Skizze
des Verfahrens zur Herstellung eines piezokeramischen Flächenaktuators
aus einem monolithischen quaderförmigen mehrschichtigen
Piezokeramikblock;
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2 – perspektivische
Explosionsansicht von zwei nebeneinander angeordneten und in einen Polymerverbund
eingebetteten Flächenaktuatoren;
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3 – beispielhafte
Spannungs-Dehnungskurve eines in einem Polymerverbund eingebetteten piezokeramischen
Flächenaktuators.
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1 lässt
in perspektivischer Ansicht skizzenhaft die Herstellung eines plattenförmigen piezokeramischen
Flächenaktuators
erkennen.
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1a) zeigt einen industriell verfügbaren monolithischen
Multilayerstack 1 als Ausgangspunkt des Verfahrens. Der
Multilayerstack 1 ist ein monolithischer Keramikkörper, bei
dem positive und negative Elektroden 2a, 2b mit
Keramikplatten 3 zu einem monolithischen Keramikkörper gesintert
sind. Die positiven und negativen Elektroden 2a, 2b sind
alternierend abwechselnd zwischen jeweils zwei aneinander angrenzende
Piezokeramikplatten 3 angeordnet.
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2 lässt erkennen,
dass zur elektrischen Kontaktierung der einzelnen fingerartigen
Elektroden 2a, 2b jeweils eine dünne Sammelelektrodenfläche 4a, 4b auf
zwei gegenüberliegenden
Außenseiten des
monolithischen Keramikkörpers 1 aufgebracht sind.
Die Sammelelektrodenflächen 4a, 4b können beispielsweise
durch Sputtern oder Siebdruck hergestellt werden.
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Äußere Lasten
oder die durch den aktiven Betrieb des piezokeramischen Flächenaktuators
erzeugten Dehnungen können
zu Rissen in den dünnen
Sammelelektroden 4a, 4b führen. Dies würde je nach
Ort des Risses zu einem teilweisen oder völligen Ausfall des Flächenaktuators
führen.
Zur Vermeidung dieses Problems wird, wie in der 1c skizziert
ist, auf die Sammelelektrodenflächen 4a, 4b eine
elektrisch leitende, elastische Kontaktfläche 5a, 5b aufgebracht.
Das Material der Kontaktflächen 5a, 5b ist
dicker als die Sammelelektrodenfläche 4a, 4b, die
auch entfallen kann, so dass die Sammelelektrodenfläche 4a, 4b selbst
als elektrisch leitende, elastische Schicht ausgeführt ist.
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Für die elastischen
Kontaktflächen 5a, 5b kommen
elektrisch leitende Vliese, z. B. metallisiertes Polyestervlies,
Kupfergewebe, Kohlenstoffgewebe oder ähnliches zum Einsatz. Die Aufbringung
des elektrisch leitenden Materials erfolgt vorzugsweise mit einem
Harzinjektionsverfahren, wobei auch andere Verfahren möglich sind.
Zur Rationalisierung des Prozesses werden mehrere mehrschichtige
monolithische Keramikkörper 1 zu
einem Block zusammengefasst und gleichzeitig mit der elektrisch
leitenden elastischen Kontaktfläche 5a, 5b versehen.
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1d) lässt
erkennen, dass in dem nächsten
Schritt der so vorbereitete monolithische Keramikkörper 1 mit
einer Säge
in dünne
Scheiben geschnitten wird. Um den Sägeprozess zu vereinfachen,
können
vorher zusätzliche
Bereiche zur Klemmung der Keramiken angebracht sein.
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1e) lässt
einen plattenförmigen
piezokeramischen Flächenaktuator
als Ergebnis des Sägeprozesses
erkennen. In dieser dünnen
Multilayerplatte 6 sind die Elektroden nicht nur oberflächlich angeordnet,
wie bei herkömmlichen
d33-Flächenkompositen
mit Oberflächenelektroden,
sondern durchdringen den Querschnitt nahezu vollständig. Es
bilden sich sehr homogene elektrische Felder aus. Die Elektrodenabstände können wesentlich
reduziert werden, z. B. auf 50 μm,
wodurch sich bei gleicher Dehnung auch wesentlich reduzierte Betriebsspannungen
ergeben. Die Dicke der Multilayerplatte 6 beeinflusst aber
nicht die Höhe
der erforderlichen elektrischen Spannung. Die aktive Querschnittsfläche kann
daher über
weite Bereiche beliebig angepasst werden.
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Die
in der 1e) dargestellte Multilayerplatte 6 ist
allerdings sehr bruchempfindlich. Zur mechanischen Stabilisierung,
elektrischen Isolierung und Kontaktierung kann die Multilayerplatte 6 in
einen Polymerverbund eingebettet sein, wie in der 2 dargestellt
ist. Der Polymerverbund besteht aus zwei äußeren Lagen 7, von
denen nur eine skizziert ist. Auf die Lagen 7 werden Leiterbahnenstrukturen
aufgebracht. Vorzugsweise werden gedruckte oder geätzte Leiterbahnen
auf Polyamid- oder Polyestersubstraten verwendet. Die Leiterbahnen 8 sind so
angeordnet, dass die elastischen Kontaktflächen 5a, 5b exakt
auf ihnen abgelegt werden können.
Dabei können
Flächenaktuatoren
mit einer beliebigen Zahl oder Anordnung von Multilayerplatten 6 aufgebaut
werden, um die Fläche
des Piezokomposits nach Bedarf zu vergrößern. Die Verklebung der einzelnen
Komponenten kann direkt erfolgen. In dem dargestellten Beispiel
kommt jedoch ein Harzinjektionsverfahren zum Einsatz, bei dem zusätzlich ein Rahmen 9 aus
einem isolierenden Fasermaterial, vorzugsweise Polyestervlies, verwendet
wird. Dieser Rahmen 9 dient als Abstandshalter und positioniert die
Multilayerplatten 6 im Verbund. Weiterhin ermöglicht der
Rahmen 9 den Harzfluss während des Injektionsvorganges.
Die Verwendung eines Harzinjektionsverfahrens garantiert eine hohe
Bauteilqualität und
Reproduzierbarkeit.
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Da
die Auswertung des Komposits bei erhöhten Temperaturen erfolgt,
vorzugsweise im Bereich von 120°C
bis 180°C,
bildet sich beim Abkühlprozess eine
vorteilhafte Druckvorspannung im keramischen Körper aus. Diese ist bedingt
durch den höheren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des umgebenden Polymermaterials im Vergleich
zur Piezokeramik.
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Zur
Rationalisierung des Prozesses können mehrer
Piezokomposite gleichzeitig hergestellt und nachträglich vereinzelt
werden. Das so entstandene Piezokomposit ist robust und einfach
zu handhaben und kann als Flächenaktuator
für beliebige
Anwendungen verwendet werden.
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3 lässt eine
Spannungs-Dehnungskurve eines in einem Polymerverbund eingebetteten
piezokeramischen Flächenaktuators
erkennen. Die Dehnung ist in der Einheit μm/m über der Ansteuerspannung für den piezokeramischen
Flächenaktuator
aufgetragen. Es wird deutlich, dass bei einer Betriebsspannung von
200 V eine ma ximale Dehnung von 1.300 μm/m erreicht wird. Je nach Größe und Aufbau sind
aber höhere
Werte bis mindestens 1.800 μm/m bei
einer Spannung von unter 120 V erreichbar. Der Spannungsbereich
für die
Ansteuerung liegt bei etwa minus 50 bis 200 V. Die mittlere Dehnung
beträgt
in dem dargstellten Beispiel etwa 4,8 μm/m/V.