DE102007037777B4

DE102007037777B4 - Piezoelektrischer Biegewandler und Verfahren zur Kontaktierung eines Piezokörpers eines piezoelektrischen Biegewandlers

Info

Publication number: DE102007037777B4
Application number: DE102007037777A
Authority: DE
Inventors: Ulrich 96465 Greiner
Original assignee: Argillon GmbH
Current assignee: Johnson Matthey Piezo Products GmbH
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2027-08-11
Also published as: DE102007037777A1

Abstract

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, wobei der Kontaktanschluss (12) mit einer freien Außenseite (16) des Piezokörpers (6) über eine Kontaktierungsbrücke (14) mit Hilfe eines Klebematerials (18) durch eine Klebeverbindung elektrisch kontaktiert ist und wobei die Kontaktierungsbrücke (14) mit dem Klebematerial (18) auf den Piezokörper (6) aufgeklebt ist.

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 Kontaktanschlüsse, beispielsweise in Form von Anschlusspads, aufgebracht, die mit dem Piezokörper kontaktiert werden müssen.
Aus der DE 198 18 449 A1 ist ein piezoelektrischer Biegewandler zu entnehmen, der einen Tragkörper mit zwei piezoelektrischen Beschichtungen umfasst. Die äußeren Kontaktflächen der piezoelektrischen Beschichtungen sind jeweils über einen elektrischen Steckkontakt an eine externe Spannungsquelle anschließbar. Der Tragkörper weist ebenfalls einen elektrischen Steckkontakt auf. Für das Betätigen des piezoelektrischen Biegewandlers wird über einen Stecker eine Verbindung zu einem Steuergerät hergestellt. Der Stecker weist dabei drei Kontaktstifte auf, die in die Steckkontakte des Biegewandlers einsteckbar sind.
In der DE 10 2005 036 107 A1 ist der Einsatz eines Leitklebers bei einer Piezo-Biegewandler-Anordnung beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Kontaktierung derartiger Kontaktanschlüsse mit dem Piezokörper zu ermöglichen, die auch bei den dynamischen Belastungen, denen 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 durch eine Klebeverbindung.
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 Außenseite 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 und 2 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 Tragkörper 4, auf dessen gegenüberliegenden Flachseiten jeweils ein Piezokörper 6 aus einem piezoelektrisch aktiven Material aufgebracht ist. Der Biegewandler 2 weist an seinem einen Ende einen Einspannbereich 8 auf, der piezoelektrisch inaktiv ist. Im Einspannbereich 8 ist auf den Tragkörper 4 beidseitig jeweils piezoelektrisch inaktives Material als eine piezoinaktive Schicht 10 aufgebracht. Als Piezokörper 6 wird eine piezoelektrisch aktive Keramik eingesetzt. Für den Tragkörper 4 können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden, die bei Bedarf auch elektrisch leitfähig sind. Als piezoinaktive Schicht 10 wird beispielsweise eine piezoinaktive Keramikschicht aufgebracht, die zugleich einen elektrischen Isolator bildet.
Auf der piezoinaktiven Schicht 10 sind nach Art von Anschlusspads ausgebildete Kontaktanschlüsse 12 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 Biegewandler 2 mit seinem Einspannbereich 8 in einem Gehäuse oder einer Halterung eingespannt. Das mit dem Piezokörper 6 versehene Freiende wird bei einer Ansteuerung senkrecht zur Längserstreckung des Biegewandlers 2, 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 Kontaktanschlüssen 12 und dem Piezokörper 6 erforderlich.
Dies wird in beiden Ausführungsvarianten jeweils mit einer Kontaktierungsbrücke 14 erreicht, die nach Art einer Überkontaktierung die Kontaktanschlüsse 12 mit jeweils einer freien Außenseite 16 des Piezokörpers 6 verbindet.
Die Kontaktierungsbrücke wird hierbei mittels eines leitfähigen Klebematerials 18, insbesondere einem so genannten Leitkleber, ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel der 1 erfolgt eine mittelbare Kontaktierung zwischen dem Kontaktanschluss 12 und dem Piezokörper 6 mit Hilfe eines Leiters 20, beispielsweise eine leitfähige Metallfolie, insbesondere Kupferfolie. Der Leiter 20 wird sowohl am Kontaktanschluss 12 als auch am Piezokörper 6 mit Hilfe des vorzugsweise leitfähigen Klebematerials 18 angebracht. Vorzugsweise wird hierbei derart vorgegangen, dass das leitfähige Klebematerial 18 erst unmittelbar vor Ausbildung der Kontaktierungsbrücke 14 entweder auf dem Leiter 20 oder auf den Kontaktanschluss bzw. den Piezokörper 6 aufgebracht wird. Während der Aushärtezeit des Klebematerials 18 wird bei Bedarf der Leiter 20 gegen den Biegewandler 2 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 Piezokörper 6 und/oder mit dem Kontaktanschluss 12 ausgebildet ist. Die Kontaktspitzen sind hierbei quasi im Klebematerial eingebettet, um eine gute mechanische und elektrische Anbindung sicherzustellen.
Im Ausführungsbeispiel der 2 wird die Kontaktierungsbrücke 14 unmittelbar durch das leitfähige Klebematerial 18 ausgebildet. Hierzu ist die Kontaktierungsbrücke 14 als Klebstoffbrücke 22 ausgebildet, bei der das Klebematerial den Kontaktanschluss 12 mit dem Piezokörper 6 direkt verbindet. Die Klebestoffbrücke 22 kann hierbei entweder ausschließlich aus dem leitfähigen Klebematerial 18 bestehen. Alternativ hierzu ist das leitfähige Klebematerial 18 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 und 2 beschriebene Kontaktierung mit Hilfe des leitfähigen Klebematerials 8 gewährleistet eine dauerhaft sichere elektrische Kontaktierung zwischen dem Kontaktanschluss 12 und dem Piezokörper 6 auch bei dynamischen Beanspruchungen. Insbesondere ist mit der derart ausgebildeten Kontaktierungsbrücke 14 eine unbeabsichtigte Kontaktierung des Tragkörpers 4 sicher ausgeschlossen.
Bezugszeichenliste

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

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, wobei der Kontaktanschluss (12) mit einer freien Außenseite (16) des Piezokörpers (6) über eine Kontaktierungsbrücke (14) mit Hilfe eines Klebematerials (18) durch eine Klebeverbindung elektrisch kontaktiert ist und wobei die Kontaktierungsbrücke (14) mit dem Klebematerial (18) auf den Piezokörper (6) aufgeklebt ist.
Biegewandler (2) nach Anspruch 1, wobei das Klebematerial (18) leitfähig ist.
Biegewandler (2) nach Anspruch 2, wobei 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, wobei mit Hilfe des Klebematerials (18) ein elektrischer Leiter (20) auf den Piezokörper (6) geklebt ist.
Biegewandler (2) nach Anspruch 4, wobei 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, wobei 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, wobei der Kontaktanschluss (12) auf einer piezoinaktiven Schicht (10) angeordnet ist, die auf dem Tragkörper (4) aufgebracht ist.
Biegewandler (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 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) über eine Klebeverbindung mit Hilfe eines Klebematerials (18) ausgebildet wird und wobei die Kontaktierungsbrücke (14) auf den Piezokörper (6) mit Hilfe des Klebematerials (18) aufgeklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Kontaktanschluss (12) direkt über das Klebematerial (18) mit dem Piezokörper (6) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei mit Hilfe des Klebematerials (18) ein elektrischer Leiter (20) aufgeklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei 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, wobei während einer Aushärtung des Klebematerials (18) die Klebestelle mit Druck belastet und/oder einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird.