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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit eines elektromechanischen Motors und spezieller eine Baugruppe einer solchen Antriebseinheit, die ein elektromechanisches Antriebselement und ein Kraftübertragungselement zur Übertragung der Bewegung des Antriebselementes auf ein Stellglied umfasst.
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Elektromechanische Motoren sind in der Praxis häufig als piezoelektrische Motoren realisiert. Sie umfassen einen Stator in Form eines Piezoelementes sowie einen translatorisch beweglichen Schlitten. Das Piezoelement dient als Antriebselement, dessen Biegebewegung über ein Kraftübertragungselement auf den Schlitten übertragen wird. Das Antriebselement ist parallel zum Schlitten ausgerichtet und besteht vorzugsweise aus einer Piezokeramik oder aus einem anderen magnetostriktiven Material. Solche Materialien verändern ihre Form, wenn sie einer elektrische Spannung bzw. einem Magnetfeld ausgesetzt sind. Das Antriebselement führt eine Biegebewegung aus, die ähnlich einer sich fortpflanzenden Welle ist, wenn eine elektrische Spannung bzw. ein Magnetfeld angelegt wird. Diese wellenartige Bewegung wird über ein oder mehrere Kraftübertragungselemente auf den Schlitten übertragen und schiebt so den Schlitten schrittweise vorwärts.
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Ein Beispiel eines bekannten elektromechanischen Motors ist in
1 dargestellt, welche der
DE 10 2008 016 684 A1 entnommen ist.
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Der elektromechanische Motor umfasst einen Stator 14, d. h. eine feststehende Baueinheit, und einen Schlitten 16, d. h. eine bewegliche Baueinheit, die relativ zu dem Stator in einer Translationsrichtung, in Richtung der Motorachse, beweglich ist. Die Hauptkomponenten des Stators 14 sind ein Rahmenbauteil 18 und eine Antriebseinheit 20. Die Antriebseinheit 20 umfasst eine Baugruppe mit zwei parallelen elektromechanischen Antriebselementen 22, denen jeweils ein Kraftübertragungselement 24 zugeordnet ist. Vorzugsweise bestehen die Antriebselemente 22 aus einem piezoelektrischen Material, das bei Anlegen einer elektrischen Spannung seine Form ändert und, im umgekehrten Fall, bei Verformung eine elektrische Spannung abgibt. Die Kraftübertragungselemente 24 sind in der gezeigten Ausführung zylindrisch. Sie können eine gewisse Elastizität in der Richtung senkrecht zu dem Antriebselement 22 aufweisen. Im Stand der Technik sind die Kraftübertragungselemente mit dem Antriebselement verklebt, beispielsweise mit einem Epoxid-Kleber.
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Die Antriebseinheit 20 wirkt mit dem Schlitten 16 zusammen, dessen Hauptkomponenten ein Trägerbauteil 26 und eine Antriebsschiene 28 sind. Die Antriebsschiene 28 ist vorzugsweise aus einer Keramik, z. B. Aluminiumoxid-Keramik, mit hoher Abriebfestigkeit hergestellt. Zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten der Oberfläche der Antriebsschiene kann diese eine Rillenstruktur oder eine andere Profilierung aufweisen.
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Das Trägerbauteil 26 dient zum Halten der Antriebsschiene 28 und ferner zum Aufnehmen eines Sensormagneten 30 sowie eines Adapterstücks 32. Der Sensormagnet 30 dient der Erfassung der Position des Schlittens 16, an das Adapterstück 32 wird ein Stellglied angeschlossen, das von dem elektromechanischen Motor in der Translationsrichtung bewegt wird. Der Sensormagnet 30 wirkt mit einem Hall-Sensor oder anderen Magnetsensoren (nicht gezeigt) zusammen, um die Position des Schlittens 16 relativ zu dem Rahmenbauteil 18 zu erfassen. Der Hall-Sensor, sowie die Antriebselemente 22 sind auf einer flexiblen gedruckten Leiterplatte (FPC) 42 montiert, die um das Rahmenbauteil 18 herum gelegt ist. Die Leiterplatte 42 wird durch eine Klammer 44 in Position gehalten. Die Erfassung der Position kann auch mittels anderer Verfahren, z. B. einem optischen Sensor, durchgeführt werden.
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Der Motor arbeitet wie folgt: Die zwei Antriebselemente
22 sind parallel zu der Antriebsschiene
28 beidseitig der Antriebsschiene angeordnet. Jedes Antriebselement
22 umfasst zwei Biegeabschnitte zu beiden Seiten der mittig angeordneten Kraftübertragungselemente
24. Die beiden Biegeabschnitte sind somit entlang der Oberfläche der Antriebsschiene
28 in der Richtung der gewünschten Translationsbewegung (in Richtung der Motorachse) in Reihe angeordnet. Diese Biegeabschnitte werden vorzugsweise aus bimorphen piezoelektrischen Elementen gebildet, die in einer zur Translationsrichtung senkrechten Richtung biegbar sind. Jedes bimorphe piezoelektrische Element umfasst zwei parallele, individuell anregbare aktive Volumina, wobei durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an die aktiven Volumen eine Biegebewegung erzeugt wird. Diese Biegebewegung ist schematisch in den
2A und
2B gezeigt, welche der
WO 2004/001867 A1 entnommen sind. Bezüglich der grundsätzlichen Arbeitsweise des elektromechanischen Motors wird ergänzend auf diese Schrift Bezug genommen.
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Wie in den
2A und
2B gezeigt, induziert die Biegung eine Welle, die sich von einem ersten Ende des Antriebselements
22, in
2A links, in Richtung des Pfeils
46 bewegt. Ohne Verluste würde die Antriebseinheit
20 in Resonanz arbeiten, und eine Welle würde am anderen Ende des Antriebselements
22 reflektiert werden.
2B zeigt das Verhalten des Antriebselements
22 bei einer Resonanzfrequenz zweiter Ordnung, bei der Schwingungen entstehen. Dies ist mit weiteren Einzelheiten in der in Bezug genommenen
WO 2004/001867 A1 beschrieben.
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Das Antriebselement 22 wird in der Regel mit elektrischen Spannungsimpulsen angetrieben, die an die Biegeabschnitte angelegt werden. Durch die Biegebewegung des Antriebselements 22, die sich über die Länge des Antriebselements 22 fortpflanzt, wird eine entsprechende Bewegung der Kraftübertragungselemente 24 induziert, die auf die Antriebsschiene 28 übertragen wird. Hierbei bewegen sich die Kraftübertragungselemente 24 sowohl senkrecht als auch parallel zur Oberfläche der Antriebsschiene 28. Dadurch kann die Antriebsschiene 28 in der Translationsrichtung schrittweise vor- und zurückbewegt werden.
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Es ist leicht zu verstehen, dass für die Funktion des elektromechanischen Motors eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Antriebselement und dem Kraftübertragungselement unerlässlich ist. Die Verbindung sollte die Resonanzfrequenz des Antriebselementes nicht wesentlich beeinflussen.
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Wie oben beschrieben, wurden bisher Antriebselement und Kraftübertragungselement mittels eines Epoxid-Klebers, beispielsweise eines ungefüllten oder mit Keramikpartikeln gefüllten Epoxid-Klebers verbunden. Lebensdauer-Tests, die mit solchen elektromechanischen Motoren durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass diese Kleber bei hohen Temperaturen, im Bereich von etwa 70°C, in Kombination mit hoher Luftfeuchtigkeit, im Bereich von etwa 95%, in ihrer mechanischen Haftfestigkeit deutlich nachlassen, bis hin zu einer kompletten Ablösung eines der Bauteile von der Klebestelle. Während Epoxid-Kleber eine gute Wahl für die Verbindung der beiden Keramikbauteile der Antriebseinheit hinsichtlich sowohl der Prozessfähigkeit als auch der mechanischen Festigkeit, in einem breiten Temperaturbereich und bei geringer Feuchte sind, degradieren diese Kleber bei hohen Temperaturen verbunden mit hohem Feuchtigkeitsgehalt.
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Aus der
WO 2009/000256 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden zweier Komponenten durch Löten mit Glas- oder Metalllot bekannt. Für die flächige Verbindung mehrerer Komponenten, von denen mindestens eine aus einem glasartigen Material besteht, wird ein Glas- oder Metalllot verwendet, um ein Schichtsystem zu bilden, wobei unmittelbar auf die Komponente eine Haftvermittlerschicht und anschließend eine lötfähige Schicht aufgebracht werden.
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Die
DE 10 2008 010 546 A1 beschreibt einen Ultraschallwandler zur Überwachung eines Prüfkörpers auf Materialfehler. Der Ultraschallwandler ist mit einer Koppeleinrichtung zum Koppeln des Ultraschallwandlers an den Prüfkörper verbunden, wobei die Koppeleinrichtung eine Glas-, Glaslot-, Aktiv- oder Hartlot- oder Keramikverbindung aufweist, um den Ultraschallwandler flächig an den Prüfkörper zu koppeln.
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Ein Komposit-Glaslot zum Fügen metallischer und/oder keramischer Bauelemente ist in der
DE 43 34 438 C2 beschrieben. Die Verwendung von Glaslot scheint auch im Bereich von MEMS-Systemen bekannt zu sein. Soweit die Verwendung von Glaslot im Stand der Technik ermittelt werden konnte, wird dieses zur flächigen Verbindung von keramischen und anderen Bauteilen verwendet; eine Verwendung im Bereich elektromechanischer Motoren gehört nicht zum Stand der Technik.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, in einer Antriebseinheit eines elektromechanischen Motors die Verbindung zwischen dem elektromechanischen Antriebselement und dem Kraftübertragungselement derart zu verbessern, dass diese Verbindung auch bei hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit beständig ist. Die Erfindung ist auch anwendbar auf die Verbindung anderer keramischer Bauteile, die an der Verbindungsstelle unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen, so dass zwischen den Bauteilen kein flächiger Kontakt, sondern allenfalls ein Linien-Kontakt oder sogar nur ein punktueller Kontakt besteht.
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Die Erfindung sieht eine Baugruppe gemäß Patentanspruch 1 oder 2 vor. Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Verbinden von zwei keramischen Bauteilen gemäß Patentanspruch 13 vor.
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Die Erfindung sieht eine Baugruppe einer Antriebseinheit eines elektromechanischen Motors vor, mit einem ersten Bauteil, das als elektromechanisches Antriebselement konfiguriert ist, und mit einem zweiten Bauteil, das als Kraftübertragungselement zur Übertragung der Bewegung des Antriebselementes auf ein Stellglied konfiguriert ist. In der Praxis kann das erste Bauteil beispielsweise ein flacher, langgestreckter Körper aus einer Piezokeramik sein, und das zweite Bauteil kann durch einen Zylinder aus einer Aluminiumoxidkeramik gebildet sein, der auf die Piezokeramik aufgefügt ist Erfindungsgemäß erfolgt diese Verbindung durch Löten, vorzugsweise unter Verwendung eines Glaslotes.
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Da das Antriebselement und das Kraftübertragungselement nicht in flächigem Kontakt, sondern allenfalls in Linien-Kontakt stehen und da die beiden Elemente bei Betätigung des Motors gemeinsam bewegt werden, ist die Verbindung der beiden Bauteile besonders sensibel. Durch die wellenförmige Bewegung des Antriebselementes wird diese Verbindung während des Betriebs des elektromechanischen Motors ständig beansprucht. Wie oben erläutert, haben die im Stand der Technik für diese Verbindung verwendeten Epoxid-Kleber bei geringer Luftfeuchtigkeit zufriedenstellende Ergebnisse, auch in Dauertests, gezeigt. Bei hohen Luftfeuchtigkeiten, im Bereich von etwa 95% relative Feuchte sowie höheren Umgebungstemperaturen (z. B. 70°C) degradieren diese Kleber jedoch beschleunigt, und eine sichere Verbindung zwischen Antriebselement und Kraftübertragungselement kann nicht mehr gewährleistet werden. Die Erfinder haben überraschend herausgefunden, dass die Probleme mit den herkömmlichen Antriebseinheiten überwunden werden können, wenn anstelle der Epoxid-Kleber ein Lötmittel verwendet wird. Obwohl ein Metall- oder Glaslot im Vergleich zu einem Epoxid-Kleber ein relativ starres Verbindungsmittel ist, hat sich gezeigt, dass die Funktionsfähigkeit der Antriebseinheit dadurch nicht beeinträchtigt wird, sondern dauerhafter und belastbarer ist als die Verbindung mittels des Epoxid-Klebers und dass diese Verbindung zusätzlich auch bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit beständig ist. Auch der Einfluss auf die Resonanzfrequenz der Antriebseinheit ist vernachlässigbar. Möglicherweise können sich durch die vergleichsweise starre Verbindung sogar Vorteile im Betrieb des elektromechanischen Motors geben, weil die Bewegung des Antriebselementes unmittelbarer auf das Kraftübertragungselement übergeleitet wird.
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Die Verwendung von Glaslot hat zusätzlich den Vorteil, dass es bei Raumtemperatur verarbeitet und bei Temperaturen ausgehärtet werden kann, die niedriger sind als die Fertigungstemperaturen der Keramik, so dass die Temperaturbelastung der Bauteile der Antriebseinheit durch die Fertigung keine Nachteile hat. Glaslot hat gegenüber Metalllot ferner den Vorteil, dass die erforderliche Vorbehandlung der Oberflächen weniger aufwendig ist.
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Die Erfindung ist allgemeiner auch anwendbar auf andere Baugruppen mit einem ersten und einem zweiten keramischen Bauteil, die an einer Verbindungsstelle zusammengefügt werden und an dieser Verbindungsstelle unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Erfindungsgemäß werden diese Bauteile durch ein Lötmittel, vorzugsweise durch ein Glaslot verbunden. Während im Stand der Technik Glaslote bisher nur zur Herstellung flächiger Verbindungen von Glas, Metall und Keramik eingesetzt wurden, haben die Erfinder dieser Anmeldung überraschend festgestellt, dass sie sich besonders eignen zur Verbindung keramischer. Bauteile mit unterschiedlichen Krümmungsradien, die lediglich Linien- oder Punkt-Kontakt haben. Eines der Bauteile kann beispielsweise die Form eines Zylinders mit kreisförmiger oder elliptischer Grundfläche, die Form einer Kugel, eines Ellipsoids oder eine ähnliche Gestalt haben. Das Lötmittel wird dann auf das andere, vorzugsweise ebene Bauteil in einer Menge aufgebracht, die ausreichend ist, um ein Segment des gekrümmten Bauteils in einem Winkelbereich von z. B. 60° bis 120°, vorzugsweise von ungefähr 90°, gemessen vom Mittelpunkt des Zylinders, mit dem Lötmittel zu kontaktieren. Abhängig von der Art der Bauteile und der Anforderung an die Festigkeit der Verbindung kann dieser Winkelbereich variieren, z. B. von 75° bis 105° oder von 85° bis 95°. Dadurch kann eine sichere Verbindung zwischen den beiden Bauteilen gewährleistet werden, die auch für bewegliche und verformbare Bauteile geeignet ist.
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Wie dargelegt, werden die beiden keramischen Bauteile der erfindungsgemäßen Baugruppe vorzugsweise durch ein Glaslot verbunden. Glaslot hat im Vergleich zu Metalllot den Vorteil, dass keine metallisierten Oberflächen erforderlich sind. Im Gegensatz zu Klebeprozessen oder herkömmlichen Metalllötprozessen fließt Glaslot beim Auftragen und bei Erwärmung nicht. Daher kann bei Verwendung von Glaslot auch die Gestalt der Lötstelle durch den Fertigungsprozess vorgegeben und kontrolliert werden.
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Die Erfindung verwendet vorzugsweise ein bleifreies, wismuthaltiges Glaslot. Ein Beispiel eines solchen Glaslotes wird nachfolgend beschrieben. Dieses Glaslot hat folgende chemische Zusammensetzung (in Gewichtsprozent):
| 1 bis 10 Gew.-% Li2O; | 1 bis 10 Gew.-% B2O3; | 1 bis 10 Gew.-% Al2O3; |
| 1 bis 10 Gew.-% SiO2; | 1 bis 10 Gew.-% ZnO; | > 50 Gew.-% Bi2O3 |
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Es ist z. B. als Pulver in verschiedenen Körnungen, z. B. Durchmesser (d) ≤ 7 μm oder d ≤ 40 μm, einsetzbar.
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Das erfindungsgemäße Lötmittel sollte vorzugsweise eine Schmelztemperatur im Bereich von 350°C bis 550°C, insbesondere von 350°C bis 420°C haben. Das genannte beispielhafte Glaslot der Schott Electronic Packaging GmbH wird zur Vorverglasung und Verlötung mit einem Temperaturprofil im Bereich von 350°C bis 540°C erhitzt. Weitere Beispiele für die Zusammensetzung eines Glaslots finden sich z. B. in der
DE 43 34 438 C2 .
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In einer alternativen Ausführung der Erfindung werden die Bauteile durch ein Metalllot verbunden, wobei dann eines oder beide Bauteile im Bereich der Verbindungsstelle eine Metallisierung aufweisen sollte.
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Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Verbinden eines ersten und eines zweiten keramischen Bauteils vor, wobei die beiden Bauteile an ihrer Verbindungsstelle unterschiedliche Krümmungsradien haben und wobei wenigstens das zweite Bauteil an der Verbindungsstelle konvex gekrümmt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Glaslot auf eine Fläche des ersten Bauteils im Bereich der Verbindungsstelle aufgebracht. Dann wird die konvex gekrümmte Fläche des zweiten Bauteils in das auf das erste Bauteil aufgebrachte Glaslot eingedrückt, und das Glaslot wird auf wenigstens seine Schmelztemperatur erhitzt, um die Verbindung der beiden Bauteile herzustellen. Das Glaslot kann z. B. in Form einer Paste, eines Pulvers oder in Form von Kügelchen aufgebracht werden. Hierzu kann eine Dosiereinrichtung, insbesondere eine Dosiernadel verwendet werden. Zum Aufschmelzen des Glaslotes kann beispielsweise ein Laserstrahl eingesetzt werden. Es ist auch möglich, die gesamte Baugruppe in einem Ofen zu erwärmen.
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung durch einen bekannten elektromechanischen Motors;
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2A und 2B schematische Darstellungen der Biegebewegung eines Antriebselementes in einem elektromechanischen Motor;
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3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Baugruppe einer Antriebseinheit gemäß der Erfindung;
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4 eine Draufsicht auf die Baugruppe der 3;
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5 den in 3 mit „A” bezeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung; und
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6 eine isometrische Darstellung der Baugruppe der 3.
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3 bis 6 zeigen eine Baugruppe einer Antriebseinheit für einen elektromechanischen Motor gemäß der Erfindung. Die Baugruppe umfasst ein erstes Bauteil 50, das als elektromechanisches Antriebselement konfiguriert ist, und ein zweites Bauteil 52, das als ein Kraftübertragungselement zur Übertragung der Bewegung des Antriebselementes auf ein Stellglied konfiguriert ist. Das erste Bauteil 50 ist ein Körper aus einer Piezokeramik, z. B. ein langgestrecktes Rechteck, wie das in den 1, 2a und 2b gezeigte Antriebselement 22. Das zweite Bauteil besteht vorzugsweise ebenfalls aus einer Keramik, z. B. aus einer Aluminiumoxidkeramik, und hat in der gezeigten Ausführung eine Zylinderform mit kreisförmigem Querschnitt. Das zweite Bauteil 52 kann auch eine hiervon abweichende Gestalt haben, beispielsweise einen Zylinder mit elliptischem Querschnitt, eine Kugel, eine Ellipsoid oder eine andere Gestalt.
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Die beiden Bauteile 50, 52 haben an ihrer Verbindungsstelle unterschiedliche Krümmungsradien, so dass sie nicht in flächigem Kontakt, sondern in Linien-Kontakt oder Punkt-Kontakt stehen. Während in der gezeigten Ausführung das erste Bauelement im Bereich der Verbindungsstelle eine ebene Oberfläche hat, kann in anderen Ausführungen auch das erste Bauelement gekrümmt sein.
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3 und 6 zeigen ferner schematisch elektrische Kontakte 54, 56 des Antriebselementes 50. In der Draufsicht der 4 ist ferner eine Positionsmarkierung 58 zu erkennen.
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Wie am besten der 5 entnommen werden kann, sind das erste und das zweite Bauteil 50, 52 mit einem Lötmittel 60, insbesondere einem Glaslot verbunden. Zur Herstellung dieser Verbindung wird das Lötmittel 60 in Form einer Paste, eines Pulvers, Kügelchen oder dergleichen auf die flache Oberfläche des ersten Bauteils 50 aufgebracht, das zweite Bauteil 52 wird in das Lötmittel eingedrückt und das Lötmittel wird auf wenigstens seine Schmelztemperatur erwärmt, beispielsweise unter Verwendung eines Lasers oder in einem Ofen. Das Lötmittel 60 wird in einer derartigen Menge aufgebracht, dass es die Oberfläche des zweiten Bauteils 52 in einem Winkelbereich α von vorzugsweise 60° bis 120°, stärker bevorzugt von 75° bis 105° und noch stärker bevorzugt von ungefähr 90° kontaktiert.
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Das Lötmittel ist vorzugsweise ein bleifreies wismuthaltiges Glaslot mit einer Schmelztemperatur im Bereich von 350°C bis 550°C, vorzugsweise 350°C bis 420°C. Zum Aufschmelzen des Lötmittels kann ein Temperaturprofil vorgegeben sein, um zunächst Bindemittel auszubrennen und eine Vorverglasung herbeizuführen und um anschließend die glasige Verlötung zu bewirken. Solche Temperaturprofile sind im Stand der Technik bekannt. Die so hergestellt Verbindung zwischen den beiden Bauelementen ist beständig gegen Scherkräfte im Bereich von etwa 8 Newton bis 15 Newton, beispielsweise Scherkräfte von etwa 10 Newton. Die Antriebseinheit kann während ihrer gesamten Lebensdauer, auch bei hoher Temperatur und Luftfeuchtigkeit, derartigen Scherbelastungen standhalten.
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In einer alternativen Ausgestaltungen können die beiden Bauteile 50, 52 auch mittels eines Metalllotes verbunden werden, wobei dann wenigstens eines der Bauteile im Bereich der Verbindungsstelle metallisiert werden sollte, um eine sichere Verbindung zu gewährleisten. Da in einer Antriebseinheit für einen elektromechanischen Motor an dem Antriebselement ohnehin elektrische Kontakte 50, 56 vorgesehen werden, erfordert das Vorsehen der Metallisierung keinen gesonderten Prozessschritt; die Metallisierung (nicht gezeigt) kann gleichzeitig mit den Kontakten hergestellt werden. Gleichwohl wird erfindungsgemäß eine Verbindung mittels Glaslot bevorzugt, weil die erforderliche Vorbehandlung der Oberflächen weniger aufwendig ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Motorgehäuse
- 14
- Stator
- 16
- Schlitten
- 18
- Rahmenbauteil
- 20
- Antriebseinheit
- 22
- Antriebselement
- 24
- Kraftübertragungselemente
- 26
- Trägerbauteil
- 28
- Antriebsschiene
- 30
- Sensormagnet
- 32
- Adapterstück
- 36
- Gleitlager
- 42
- Leiterplatte
- 44
- Klammer
- 46
- Pfeilrichtung
- 50
- erstes Bauteil, Antriebselement
- 52
- zweites Bauteil, Kraftübertragungselement
- 54, 56
- elektrische Kontakte
- 58
- Positionsmarkierung
- 60
- Lötmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/001867 A [0002]
- EP 2107622 A [0002]
- DE 102008016684 A [0002]
- DE 102008016684 A1 [0004]
- WO 2004/001867 A1 [0008, 0009]
- WO 2009/000256 A1 [0013]
- DE 102008010546 A1 [0014]
- DE 4334438 C2 [0015, 0025]
