DE102007048016A1 - Method for manufacturing piezoelectric bending converter, involves laminating bending converter layer and piezoelectric layer in piezoelectric laminate at laminating temperature - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Piezobiegewandlern, bei dem eine Biegewandlerschicht und wenigstens eine auf der Biegewandlerschicht angeordnet Piezo-Schicht bei einer über der Raumtemperatur liegenden Laminiertemperatur zu einem Piezo-Laminat laminiert werden.The The invention relates to a method for the production of piezoelectric transducers, in which a bending transducer layer and at least one on the bending transducer layer arranged piezo-layer at above room temperature lying laminating temperature to a piezo laminate.
Ein
derartiges Verfahren zur Herstellung von Piezobiegewandlern ist
beispielsweise in der
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Piezobiegewandlern bereitzustellen, mit dem sich Piezobiegewandler herstellen lassen, die gegenüber herkömmlichen Piezobiegewandlern eine höhere Qualität aufweisen und im Dauerbetrieb zuverlässiger funktionieren.task The invention is a method for the production of piezoelectric transducers to provide, with which piezoelectric transducers can be produced, compared to conventional piezo bending transducers have a higher quality and in continuous operation work more reliably.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Piezobiegewandlern mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.These The object is achieved by a method for producing piezoelectric transducers solved with the features of independent claim 1. Further developments of the invention are in the subclaims shown.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass beim Laminieren eine eine Längenänderung der Piezo-Schicht bewirkende Kompensationsspannung an die Piezo-Schicht angelegt wird, derart, dass im abkühlten Zustand des Piezo-Laminats die mechanischen Spannungen zwischen der Piezo-Schicht und der Biegewandlerschicht verringert sind.The inventive method is characterized from that when laminating a a change in length the compensation of the piezo-layer compensation voltage to the piezo-layer is applied, such that in the cooled state of the piezo-laminate the mechanical stresses between the piezo-layer and the bending transducer layer are reduced.
Dadurch lässt sich also verhindern, dass es zu einer signifikanten Längenänderungen der Piezo-Schicht infolge einer Wärmezufuhr beim Laminieren kommt. Die Kompensationsspannung wirkt also dieser Längenänderung der Piezo-Schicht entgegen. Die Längendifferenz zwischen der Piezo-Schicht und der Biegewandlerschicht infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wird also relativ klein gehalten. Beim Laminieren härtet das Piezo-Laminat aus, wodurch eine Relativbewegung zwischen der Piezo-Schicht und der Biegewandlerschicht nicht mehr möglich ist. Da zuvor jedoch die auftretende Längendifferenz zwischen den unterschiedlichen Schichten durch die an die Piezo-Schicht angelegte Kompensationsspannung klein gehalten wurde, sind die mechanischen Spannungen, die im abgekühlten Zustand des Piezo-Laminats insbesondere in der Grenzschicht zwischen der Piezo-Schicht und der Biegewandlerschicht auftreten, verringert. Die vorstehend erwähnten Nachteile, wie Abplatzen der Piezo-Schicht, Rissbildung in der Piezo-Schicht und Nichterreichen des erforderlichen Hubs im Dauerbetrieb können vermieden werden.Thereby can therefore be prevented from becoming significant Changes in length of the piezoelectric layer due to a Heat input when laminating comes. The compensation voltage So affects this change in length of the piezoelectric layer opposite. The difference in length between the piezo layer and the bending transducer layer due to the different thermal expansion coefficients is therefore kept relatively small. When laminating hardens the piezo-laminate, whereby a relative movement between the Piezo layer and the bending transducer layer no longer possible is. Since before, however, the occurring length difference between the different layers through the applied to the piezo layer Compensation voltage was kept small, are the mechanical Voltages in the cooled state of the piezo laminate in particular in the boundary layer between the piezo layer and the bending transducer layer occur, decreased. The above-mentioned disadvantages, such as chipping the piezo layer, cracking in the piezo layer and failing to reach the required stroke in continuous operation be avoided.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die Piezo-Schicht einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, und die Kompensationsspannung wirkt der infolge der Temperaturerhöhung bedingten Längenausdehnung der Piezo-Schicht entgegen. Durch die angelegte Kompensationsspannung kann die Piezo-Schicht also verkürzt werden. In der Regel besitzt die Biegewandlerschicht einen gegenüber der Piezo-Schicht kleineren positiven oder einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wodurch sich diese Schicht bei Temperaturerhöhung wesentlich weniger stark ausdehnt oder sogar verkürzt.at a development of the invention, the piezo-layer has a positive thermal expansion coefficients, and the compensation voltage acts due to the increase in temperature caused linear expansion the piezo layer opposite. Due to the applied compensation voltage Thus, the piezo layer can be shortened. Usually The bending transducer layer has one opposite the piezoelectric layer smaller positive or negative coefficient of thermal expansion, thereby This layer significantly less if the temperature increases greatly expands or even shortens.
In besonders bevorzugter Weise wird vor dem Laminieren die Längenänderung der Piezo-Schicht in Abhängigkeit von der Temperatur, die Längenänderung der Piezo-Schicht in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung und die Längenänderung der Biegewandlerschicht in Abhängigkeit von der Temperatur ermittelt, und es wird auf Grundlage dieser Längenänderungsfunktionen beim Laminieren bei der vorherrschenden Laminiertemperatur eine eine definierte Längenänderung der Piezo-Schicht bewirkende definierte Kompensationsspannung angelegt. Dadurch ist eine Leistungsoptimierung möglich, da gezielt eine definierte Kompensationsspannung an die wenigstens eine Piezo-Schicht angelegt werden kann, um damit eine gewünschte Längenänderung zu erzielen, wodurch letztendlich das Maß der mechanischen Spannungen bestimmt wird. Zweckmäßigerweise ist eine gewisse, wenngleich auch relativ geringe, mechanische Restspannung im abgekühlten Zustand des Piezo-Laminats erwünscht, um die Ausbiegung der Piezobiegewandlers im Dauerbetrieb zu unterstützen.In a particularly preferred manner, the change in length of the piezoelectric layer in dependence on the temperature, the change in length of the piezoelectric layer in dependence on the applied electrical voltage and the change in length of the bending transducer layer as a function of the temperature is determined before lamination, and it is on Basis of these length change functions during lamination at the prevailing laminating temperature a defined change in length of the piezoelectric layer causing defined compensation voltage applied. This makes it possible to optimize the performance since a defined compensation voltage can be applied to the at least one piezoelectric layer in a targeted manner in order to achieve a desired change in length, which ultimately determines the extent of the mechanical stresses. Conveniently, a certain, albeit relatively small, mechanical residual stress in the cooled state of the piezo laminate is desired in order to support the bending of the piezo bending transducer in continuous operation.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kühlt das Piezo-Laminats ohne angelegte Kompensationsspannung ab.at a development of the invention cools the piezo-laminate without applied compensation voltage.
In besonders bevorzugter Weise findet die Kontaktierung der Piezo-Schicht während des Laminierens durch eine positive Kompensationselektrode, die sich in einem Druck auf das Piezo-Laminat ausübenden Druckstempel befindet, und durch eine negative Kompensationselektrode, die insbesondere vor dem Laminieren in die Biegewandlerschicht eingebracht ist, statt. Es wird also der ohnehin beim Laminieren eingesetzte Druckstempel für die Kontaktierung der Piezo-Schicht verwendet. Alternativ ist jedoch auch eine andere Kontaktierung möglich, beispielsweise in der Art, dass die positive Kompensationselektrode ebenfalls vor dem Laminieren in die Piezo-Schicht eingebracht wurde.In particularly preferred way is the contacting of the piezoelectric layer during lamination by a positive compensation electrode, the in a pressure on the piezo laminate exerting plunger is located, and by a negative compensation electrode, in particular is introduced before lamination in the bending transducer layer, instead. So it is the pressure stamp used anyway during lamination used for the contacting of the piezo-layer. alternative However, another contact is possible, for example in the way that the positive compensation electrode is also present the lamination was introduced into the piezoelectric layer.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Piezo-Schicht um eine Piezo-Keramik. Bei der Biegewandlerschicht handelt es sich zweckmäßigerweise um eine mittels Verstärkungsfasern faserverstärkte Kunststoff-Schicht. In bevorzugter Weise handelt es sich bei den Verstärkungsfasern um insbesondere unidirektional in der Kunststoff-Schicht ausgerichtete Kohlenstofffasern.Especially Preferably, the piezoelectric layer is a piezoelectric ceramic. The bending transducer layer is expediently to a reinforcing fiber-reinforced plastic layer. Preferably, the reinforcing fibers are in particular unidirectionally oriented in the plastic layer carbon fibers.
Es ist möglich, dass die faserverstärkte Kunststoff-Schicht einschichtig bzw. als Monolayer aufgebaut ist, insbesondere lediglich Kohlenstofffasern zur Faserverstärkung aufweist. Insbesondere ist es nicht notwendig, zusätzliche Schichten mit anderen, hauptsächlich dem Auffangen der mechanischen Spannungen dienenden Verstärkungsfasern, beispielsweise Glasfasern, vorzusehen.It is possible that the fiber reinforced plastic layer monolayer or constructed as a monolayer, in particular only Having carbon fibers for fiber reinforcement. Especially it is not necessary to have additional layers with others, mainly the capture of mechanical stresses serving reinforcing fibers, for example glass fibers, provided.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur: einen Querschnitt durch ein Piezo-Laminat bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Piezobiegewandlern.One preferred embodiment is shown in the drawing and will be explained in more detail below. In the Drawing shows the sole figure: a cross section through a piezo laminate when using the method according to the invention for the production of piezo bending transducers.
Die
Zeichnung zeigt ein Piezo-Laminat
Das
Piezo-Laminat ist beispielhaft mit folgendem Aufbau dargestellt:
Eine
Biegewandlerschicht
A bending transducer layer
Die
Piezo-Schichten
An
Ober- und Unterseite des Tragkörper-Prepregs befinden sich
ferner noch Anschlusselemente
Beim
Laminieren werden die Piezo-Schichten
Um
diese Probleme zu beheben, wird beim Laminieren eine eine Längenänderung
der Piezo-Schichten bewirkende Kompensationsspannung an die keramischen
Piezo-Schichten angelegt, derart, dass im abgekühlten Zustand
des Piezo-Laminats
Die
Kontaktierung der keramischen Piezo-Schichten
Eine
Leistungsoptimierung findet dadurch statt, dass vor dem Laminieren
die Längenänderung der Piezo-Schichten
Zur Fertigstellung des Piezobiegewandlers wird nach dem Laminieren noch ein Beschichtungsprozess durchgeführt, bei dem die Elektroden insbesondere fotolithografisch auf die Piezo-Schichten aufgebracht werden. Nach dem Beschichtungsschritt entsteht ein Piezo-Nutzen, aus dem dann durch einen Vereinzelungsvorgang, beispielsweise mittels Sägen, die einzelnen Piezobiegewandler herausgetrennt werden.to Completion of the piezo bending transducer is still after lamination performed a coating process in which the electrodes in particular photolithographically applied to the piezoelectric layers become. After the coating step, a piezoelectric benefit arises, from the then by a singulation process, for example by sawing, the individual piezo bending transducers are cut out.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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2007
- 2007-09-27 DE DE102007048016A patent/DE102007048016A1/en not_active Withdrawn
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