DE102007037777A1 - Piezoelektrischer Biegewandler und Verfahren zur Kontaktierung eines Piezokörpers eines piezoelektrischen Biegewandlers - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Biegewandler sowie ein Verfahren zur Kontaktierung eines auf einem Tragkörper angebrachten Piezokörpers eines piezoelektrischen Biegewandlers.
- Piezeoelektrische Biegewandler umfassen üblicherweise einen insbesondere länglichen Tragkörper, auf dem zumindest ein Piezokörper angeordnet ist. Der Piezokörper ist im einfachsten Fall eine piezoelektrisch aktive Schicht aus Piezokeramik, die auf den Tragkörper aufgebracht ist. Anstelle einer einzelnen piezoelektrisch aktiven Schicht kann auch ein mehrschichtiger Aufbau vorgesehen sein.
- Der piezoelektrische Biegewandler wandelt eine an dem Piezokörper angelegte Steuerspannung in eine mechanische Biegebewegung um. Für einen derartigen piezoelektrischen Biegewandler gibt es eine Vielzahl von technischen Anwendungen. So wird der Biegewandler beispielsweise in einem piezoelektrischen Druckerkopf für einen Tintenstrahldrucker, als Schallaufnehmer oder -erzeuger für Mikrofone bzw. Lautsprecher, als Sensor für Beschleunigungs- oder Druckmessung, als Stell- oder Positionierungselement (Aktor), in Braille-Zeilen in Lesegeräten für Blinde, in Textilmaschinen oder in Pneumatikventilen eingesetzt.
- Der Biegewandler wird hierzu üblicherweise in einem durch die jeweilige Anwendung vorgegebenen Gehäuse eingespannt. Um eine Beschädigung des Piezokörpers, üblicherweise eine piezoaktive Keramik, zu vermeiden, weist der Biegewandler im Anschluss an den Piezokörper einen piezoelektrisch inaktiven Bereich auf, mit dem der Biegewandler eingespannt wird.
- Die für die Ansteuerung des Biegewandlers erforderliche Kontaktierung erfolgt hierbei üblicherweise über diesen inaktiven Bereich. Auf diesem sind Kontaktan schlüsse, beispielsweise in Form von Anschlusspads, aufgebracht, die mit dem Piezokörper kontaktiert werden müssen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Kontaktierung derartiger Kontaktanschlüsse mit dem Piezokörper zu ermöglichen, die auch bei den dynamischen Belastungen, die der Biegewandler in seinem normalen Betrieb ausgesetzt ist, dauerhaft zuverlässig ist.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen piezoelektrischen Biegewandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieser umfasst einen Piezokörper, der auf einem Tragkörper aufgebracht ist. Der Tragkörper erstreckt sich über den Piezokörper hinaus. Außerhalb des Piezokörpers weist der Biegewandler einen piezoelektrisch inaktiven Einspannbereich auf, in dem ein elektrischer Kontaktanschluss vorgesehen ist. Der Kontaktanschluss ist hierbei mit einer freien Außenseite des Piezokörpers nach Art einer Überkontaktierung über eine Kontaktierungsbrücke kontaktiert. Die Kontaktierung erfolgt hierbei mit Hilfe eines Klebematerials.
- Aufgrund der Verwendung eines elastischen Klebematerials ist eine dauerhaft sichere Kontaktierung auch bei den dynamischen Belastungen gewährleistet. Hierbei ist ein inniger Kontakt an den Kontaktflächen dauerhaft gewährleistet, so dass ein geringer Übergangswiderstand zwischen dem Kontaktanschluss und dem Piezokörper dauerhaft sichergestellt ist.
- Im Vergleich zu einer Kontaktierung beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens ergeben sich daher insbesondere bei der dynamischen Belastung besondere Vorteile. Bei einer mit einem Siebdruckverfahren aufgebrachten Kontaktierung besteht nämlich die Gefahr, dass aufgrund der dynamischen Belastung die Kontaktierungsbrücke bricht. Darüber hinaus besteht bei Biegewandlern, bei denen der Tragkörper eine leitende Mittellage bildet, die Gefahr, dass ein unerwünschter elektrischer Kurzschlusskontakt zwischen der dem Tragkörper abgewandten Au ßenseite und der dem Tragkörper zugewandten Innenseite des keramischen Piezokörpers ausgebildet wird.
- Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung wird ein leitfähiges Klebematerial verwendet. Hierdurch wird auf einfache Weise ein geringer Kontaktwiderstand über die Kontaktbrücke bei gleichzeitig elastischer Kontaktierung erreicht, so dass eine gute elektrische Anbindung zwischen dem Kontaktanschluss und dem Piezokörper besteht, die auch dynamischen Belastungen standhält.
- Zweckdienlicherweise wird als Kontaktierungsbrücke eine Klebstoffbrücke verwendet, so dass der Kontaktanschluss mit dem Piezokörper unmittelbar über das leitfähige Klebematerial verbunden ist. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass ein Leitkleber aufgebracht wird, der direkt den Kontaktanschluss mit dem Piezokörper verbindet. Alternativ kann auch ein mit dem leitfähigen Klebematerial beschichtetes Trägerband oder beschichteter Trägerfilm auf den Piezokörper und den Kontaktanschluss aufgeklebt werden. Derartige Klebebänder sind handelsüblich als Meterware erhältlich. Auch Leitkleber, die nach Art einer Paste zähflüssig auftragbar sind, sind handelsüblich in vielfältigen Ausführungsvarianten erhältlich.
- Alternativ zu der unmittelbaren Verbindung zwischen dem Piezokörper und dem Kontaktanschluss ist eine mittelbare Verbindung über das insbesondere leitfähige Klebematerial vorgesehen, wobei ergänzend noch ein elektrischer Leiter, beispielsweise ein Blechstreifen oder ein Draht, als zusätzliches Bauteil verwendet wird. Dieser zusätzliche elektrische Leiter ist hierbei auf den Piezokörper mit Hilfe des leitfähigen Klebematerials, dem Leitkleber, aufgeklebt. Ergänzend ist der Leiter vorzugsweise auch auf den Kontaktanschluss aufgeklebt, so dass er beidendseitig über eine Klebeverbindung mit dem Kontaktanschluss bzw. mit dem Piezokörper elektrisch verbunden ist.
- Um eine zuverlässige Kontaktierung mit geringem Kontaktwiderstand zu gewährleisten weist der Leiter vorzugsweise zumindest eine Kontaktspitze auf, mit der die Kontaktierung durch direkte Berührung mit dem Piezokörper und/oder mit dem Kontaktanschluss erfolgt. Das nicht zwingend leitfähige Klebematerial sorgt hierbei für eine sichere mechanische Befestigung des Leiters.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Kontaktanschluss auf einer piezoinaktiven Schicht angeordnet, die wiederum auf dem Tragkörper aufgebracht ist. Hierdurch ist zum einen eine unerwünschte elektrische Kontaktierung des Tragkörpers vermieden. Hierzu ist die piezoinaktive Schicht zugleich auch elektrisch nicht leitend. Weiterhin wird in diesem Fall der Tragkörper nicht direkt, sondern lediglich mittelbar über die piezoinaktive Schicht eingespannt. Schließlich ist der Höhenunterschied zwischen dem Kontaktanschluss und dem Piezokörper verringert und vorzugsweise vollständig ausgeglichen, so dass die Kontaktierungsbrücke flach ausgebildet sein kann und kein Höhenniveau überbrücken muss. Dies ist insbesondere bei den dynamischen Belastungen von Vorteil.
- Zweckdienlicherweise ist der Biegewandler weiterhin als so genannter trimorpher Biegewandler ausgebildet, bei dem beidseitig des Tragkörpers jeweils ein Piezokörper angebracht ist. Jeder der Piezokörper ist hierbei über eine Kontaktierungsbrücke kontaktiert.
- Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Die im Hinblick auf den Biegewandler angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der
1 und2 näher erläutert. Die beiden Figuren zeigen jeweils in einer schematischen und stark vereinfachten Längs-Querschnittdarstellung eines piezoelektrischen Biegewandlers zwei alternative elektrische Kontaktierungen zwischen einem Kontaktanschluss und einem Piezokörper des Biegewandlers. - Der in den Figuren jeweils gezeigte Biegewandler
2 umfasst einen sich in Längsrichtung erstreckenden Tragkörper4 , auf dessen gegenüberliegenden Flachseiten jeweils ein Piezokörper6 aus einem piezoelektrisch aktiven Material aufgebracht ist. Der Biegewandler2 weist an seinem einen Ende einen Einspannbereich8 auf, der piezoelektrisch inaktiv ist. Im Einspannbereich8 ist auf den Tragkörper4 beidseitig jeweils piezoelektrisch inaktives Material als eine piezoinaktive Schicht10 aufgebracht. Als Piezokörper6 wird eine piezoelektrisch aktive Keramik eingesetzt. Für den Tragkörper4 können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden, die bei Bedarf auch elektrisch leitfähig sind. Als piezoinaktive Schicht10 wird beispielsweise eine piezoinaktive Keramikschicht aufgebracht, die zugleich einen elektrischen Isolator bildet. - Auf der piezoinaktiven Schicht
10 sind nach Art von Anschlusspads ausgebildete Kontaktanschlüsse12 aufgebracht, die in hier nicht näher dargestellter Weise über eine elektrische Steuerleitung mit einer Steuereinheit verbunden sind. Über diese Steuereinheit wird der Biegewandler mit einer geeigneten Steuerspannung beaufschlagt, so dass die gewünschte mechanische Bewegung des Biegewandlers erreicht wird. Im Anwendungsfall ist hierbei der Biegewandler2 mit seinem Einspannbereich8 in einem Gehäuse oder einer Halterung eingespannt. Das mit dem Piezokörper6 versehene Freiende wird bei einer Ansteuerung senkrecht zur Längserstreckung des Biegewandlers2 , also innerhalb der Papierebene, nach oben bzw. nach unten ausgelenkt. Diese mechanische Bewegung dient beispielsweise zur Ansteuerung von Ventilen. - Für die gewünschte Auslenkung muss der Piezokörper
6 mit der elektrischen Steuerspannung beaufschlagt werden. Hierzu ist eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktanschlüssen12 und dem Piezokörper6 erforderlich. - Dies wird in beiden Ausführungsvarianten jeweils mit einer Kontaktierungsbrücke
14 erreicht, die nach Art einer Überkontaktierung die Kontaktanschlüsse12 mit jeweils einer freien Außenseite16 des Piezokörpers6 verbindet. - Die Kontaktierungsbrücke wird hierbei mittels eines leitfähigen Klebematerials
18 , insbesondere einem so genannten Leitkleber, ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel der1 erfolgt eine mittelbare Kontaktierung zwischen dem Kontaktanschluss12 und dem Piezokörper6 mit Hilfe eines Leiters20 , beispielsweise eine leitfähige Metallfolie, insbesondere Kupferfolie. Der Leiter20 wird sowohl am Kontaktanschluss12 als auch am Piezokörper6 mit Hilfe des vorzugsweise leitfähigen Klebematerials18 angebracht. Vorzugsweise wird hierbei derart vorgegangen, dass das leitfähige Klebematerial18 erst unmittelbar vor Ausbildung der Kontaktierungsbrücke14 entweder auf dem Leiter20 oder auf den Kontaktanschluss bzw. den Piezokörper6 aufgebracht wird. Während der Aushärtezeit des Klebematerials18 wird bei Bedarf der Leiter20 gegen den Biegewandler2 gedrückt, so dass eine gute Klebeverbindung mit einer ausreichend großen Kontaktfläche ausgebildet wird. Ergänzend oder alternativ besteht auch die Möglichkeit, während der Aushärtzeit die Klebestelle einer erhöhten Temperatur auszusetzen, beispielsweise durch eine lokale Wärmestrahlung. - Alternativ zu der dargestellten Ausführungsvariante sind am Leiter
20 nicht dargestellte Kontaktspitzen vorgesehen, über die eine direkte Kontaktberührung mit dem Piezokörper6 und/oder mit dem Kontaktanschluss12 ausgebildet ist. Die Kontaktspitzen sind hierbei quasi im Klebematerial eingebettet, um eine gute mechanische und elektrische Anbindung sicherzustellen. - Im Ausführungsbeispiel der
2 wird die Kontaktierungsbrücke14 unmittelbar durch das leitfähige Klebematerial18 ausgebildet. Hierzu ist die Kontaktierungsbrücke14 als Klebstoffbrücke22 ausgebildet, bei der das Klebematerial den Kontaktanschluss12 mit dem Piezokörper6 direkt verbindet. Die Klebestoffbrücke22 kann hierbei entweder ausschließlich aus dem leitfähigen Klebematerial18 bestehen. Alternativ hierzu ist das leitfähige Klebematerial18 auf einem Band- oder folienartigen Träger aufgebracht, so dass eine Art Klebefolie ausgebildet ist, die einfach aufgeklebt wird. Eine derartige Klebefolie bzw. ein derartiges Klebeband wird üblicherweise als Meterware bereitgestellt. - Eine derartige, zu den
1 und2 beschriebene Kontaktierung mit Hilfe des leitfähigen Klebematerials8 gewährleistet eine dauerhaft sichere elektrische Kontaktierung zwischen dem Kontaktanschluss12 und dem Piezokörper6 auch bei dynamischen Beanspruchungen. Insbesondere ist mit der derart ausgebildeten Kontaktierungsbrücke14 eine unbeabsichtigte Kontaktierung des Tragkörpers4 sicher ausgeschlossen. -
- 2
- Biegewandler
- 4
- Tragkörper
- 6
- Piezokörper
- 8
- Einspannbereich
- 10
- piezoinaktive Schicht
- 12
- Kontaktanschluss
- 14
- Kontaktierungsbrücke
- 16
- freie Außenseite
- 18
- Klebematerial
- 20
- Leiter
- 22
- Klebstoffbrücke
Claims (13)
- Piezoelektrischer Biegewandler (
2 ) mit einem Piezokörper (6 ), der auf einem Tragkörper (4 ) aufgebracht ist, der sich über den Piezokörper (6 ) hinaus erstreckt, wobei außerhalb des Piezokörpers (6 ) ein piezoelektrisch inaktiver Einspannbereich (8 ) vorgesehen ist, in dem ein elektrischer Kontaktanschluss (12 ) angeordnet ist, der mit einer freien Außenseite (16 ) des Piezokörpers (6 ) über eine Kontaktierungsbrücke (14 ) mit Hilfe eines Klebematerials (18 ) elektrisch kontaktiert ist. - Biegewandler (
2 ) nach Anspruch 1, bei dem das Klebematerial (18 ) leitfähig ist. - Biegewandler (
2 ) nach Anspruch 2, bei dem der Kontaktanschluss (12 ) mit dem Piezokörper (6 ) unmittelbar über eine leitfähige Klebstoffbrücke (22 ) als Kontaktierungsbrücke (14 ) elektrisch kontaktiert ist. - Biegewandler (
2 ) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mit Hilfe des Klebematerials (18 ) ein elektrischer Leiter (20 ) auf den Piezokörper (6 ) geklebt ist. - Biegewandler (
2 ) nach Anspruch 4, bei dem der elektrische Leiter (20 ) mit Hilfe des Klebematerials (18 ) auch auf dem Kontaktanschluss (12 ) aufgeklebt ist. - Biegewandler (
2 ) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem der elektrische Leiter (20 ) eine Kontaktspitze zur Kontaktierung mit dem Piezokörper (6 ) und/oder mit dem Kontaktanschluss (12 ) aufweist. - Biegewandler (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kontaktanschluss (12 ) auf einer piezoinaktiven Schicht (10 ) angeordnet ist, die auf dem Tragkörper (4 ) aufgebracht ist. - Biegewandler (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der beidseitig des Tragkörpers (4 ) Piezokörper (6 ) angebracht sind, die jeweils über eine Kontaktierungsbrücke (14 ) kontaktiert sind. - Verfahren zur Kontaktierung eines auf einem Tragkörper (
6 ) angebrachten Piezokörpers (6 ) eines piezoelektrischen Biegewandlers (2 ) mit einem Kontaktanschluss (12 ), der außerhalb des Piezokörpers (6 ) in einem piezoelektrisch inaktiven Einspannbereich (8 ) ausgebildet ist, wobei eine Kontaktierungsbrücke (14 ) zwischen dem elektrischen Kontaktanschluss (12 ) und einer freien Außenseite (16 ) des Piezokörpers (6 ) mit Hilfe eines insbesondere leitfähigen Klebematerials (18 ) ausgebildet wird. - Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Kontaktanschluss (
12 ) direkt über das Klebematerial (18 ) mit dem Piezokörper (6 ) verbunden wird. - Verfahren nach Anspruch 9, bei dem mit Hilfe des Klebematerials (
18 ) ein elektrischer Leiter (20 ) aufgeklebt wird. - Verfahren nach Anspruch 11, bei dem unmittelbar vor Ausbildung der Kontaktierungsbrücke (
14 ) das Klebematerial (18 ) auf den Leiter (20 ) und/oder auf den Piezokörper (6 ) aufgebracht wird und anschließend der Leiter (20 ) aufgeklebt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem während einer Aushärtung des Klebematerials (
18 ) die Klebestelle mit Druck belastet und/oder einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird.
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