DE102013013402A1 - Bending element arrangement and their use - Google Patents
Bending element arrangement and their use Download PDFInfo
- Publication number
- DE102013013402A1 DE102013013402A1 DE201310013402 DE102013013402A DE102013013402A1 DE 102013013402 A1 DE102013013402 A1 DE 102013013402A1 DE 201310013402 DE201310013402 DE 201310013402 DE 102013013402 A DE102013013402 A DE 102013013402A DE 102013013402 A1 DE102013013402 A1 DE 102013013402A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- electrodes
- bending
- bending element
- deformation
- elements
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
- 238000005452 bending Methods 0.000 title claims abstract description 138
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 14
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 6
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- -1 LTCC Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 description 5
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 2
- 238000012549 training Methods 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 239000012876 carrier material Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 208000018459 dissociative disease Diseases 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000013528 metallic particle Substances 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0603—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a piezoelectric bender, e.g. bimorph
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
- B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
- B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
- B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
- B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
- H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
- H01G5/18—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes due to change in inclination, e.g. by flexing, by spiral wrapping
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
- H10N30/2041—Beam type
- H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
- H10N30/2041—Beam type
- H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
- H10N30/2044—Cantilevers, i.e. having one fixed end having multiple segments mechanically connected in series, e.g. zig-zag type
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
- H10N30/304—Beam type
- H10N30/306—Cantilevers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
- B81B2201/03—Microengines and actuators
- B81B2201/032—Bimorph and unimorph actuators, e.g. piezo and thermo
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
- B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
- B81C2201/0174—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate for making multi-layered devices, film deposition or growing
- B81C2201/0183—Selective deposition
- B81C2201/0185—Printing, e.g. microcontact printing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Biegeelementanordnung sowie Verwendungen einer solchen Biegeelementanordnung. Die erfindungsgemäße Biegeelementanordnung ist mit mindestens einem Biegeelement gebildet, bei dem auf einer Oberfläche eines elastisch verformbaren Trägers eines Biegeelements nebeneinander entlang einer Achse A mindestens zwei unterschiedlich ausgebildete, aus einer piezoelektrischen Schicht oder einem anderen elektromechanisch aktiven Werkstoff gebildeten Schicht und Elektroden gebildete Verformungselement, aufgebracht sind. Dabei ist mindestens ein Verformungselement mit mindestens einer flächigen Elektrode gebildet, die eine piezoelektrische Schicht oder eine aus einem anderen elektromechanisch aktiven Werkstoff gebildete Schicht in Form einer Schicht zumindest teilweise als geschlossene Fläche überdeckt. Außerdem sind mindestens an einem der Verformungselemente die Elektroden als ineinander greifende Fingerelektroden ausgebildet und der Träger ist mittels einer festen Einspannung gehalten.The invention relates to a bending element arrangement and uses of such a bending element arrangement. The bending element arrangement according to the invention is formed with at least one bending element, in which on one surface of an elastically deformable carrier of a bending element next to each other along an axis A at least two differently shaped, formed from a piezoelectric layer or other electromechanically active material layer and electrodes formed deformation element are applied , In this case, at least one deformation element is formed with at least one planar electrode, which covers a piezoelectric layer or a layer formed from another electromechanically active material in the form of a layer at least partially as a closed surface. In addition, the electrodes are formed as interdigitated finger electrodes at least on one of the deformation elements and the carrier is held by means of a fixed clamping.
Description
Die Erfindung betrifft eine Biegeelementanordnung sowie Verwendungen einer solchen Biegeelementanordnung.The invention relates to a bending element arrangement and uses of such a bending element arrangement.
Biegeelemente mittels eines Aufbaus, bei dem eine piezoelektrische Schicht mit Elektroden auf einem elastisch verformbaren Träger eingesetzt wird, um das Element bei Anlegen einer elektrischen Spannung durch Biegung zu verformen oder eine durch Einwirkung von Kräften und Momenten erfolgte Verformung zu detektieren, sind bekannt. Dabei kommen die unterschiedlichsten Formen und Anordnungen von Elektroden zum Einsatz. So sind Elektroden als flächige Schichten, stab- oder faserförmige Elektroden und als ineinandergreifende Fingerelektroden (Interdigitalelektroden kurz IDE) bekannt. Die Polarisation in der piezoelektrischen Schicht hat dabei eine Vorzugsrichtung, damit der direkte oder indirekte piezoelektrische Effekt nutzbar wird.Bending elements by means of a structure in which a piezoelectric layer is used with electrodes on an elastically deformable support to deform the element upon application of an electrical voltage by bending or to detect a deformation effected by the action of forces and moments, are known. The most varied forms and arrangements of electrodes are used. Thus, electrodes are known as planar layers, rod-shaped or fibrous electrodes and as interdigitated finger electrodes (interdigital electrodes short IDE). The polarization in the piezoelectric layer has a preferred direction, so that the direct or indirect piezoelectric effect is available.
Mit den bekannten Aufbauten besteht jedoch lediglich die Möglichkeit an einem solchen Biegeelement (Unimorph) eine Verformung in eine Biegerichtung zu erreichen, die durch die Art der Einbringung des elektrischen Feldes in das piezoelektrische Material bestimmt ist und deren erreichbarer Biegewinkel durch den Wert der angelegten elektrischen Spannung beeinflusst werden kann.With the known structures, however, there is only the possibility of achieving such a bending element (unimorph) deformation in a bending direction, which is determined by the nature of the introduction of the electric field in the piezoelectric material and their achievable bending angle by the value of the applied electrical voltage can be influenced.
Für bestimmte Anwendungen ist es aber gewünscht, dass eine S-förmige Biegung erreicht wird, bei der eine Stirnseite des Biegeelementes eingespannt ist und die andere eine Bewegung entlang einer Achse vollzieht, die senkrecht auf der Oberfläche des Elementes steht. Ferner bleiben die Oberflächen an den Stirnseiten des Biegeelementes parallel. Dadurch kann erreicht werden, dass eine im Stirnseitenbereich angeordnete Last oder ein Element ohne eine Neigung entlang einer Achse bewegt wird. Darüber hinaus ist es wünschenswert den Verlauf des Biegeradius entlang des Elementes definiert einzustellen und so z. B. auf die anzuhebende Last anzupassen.For certain applications, however, it is desired that an S-shaped bend is achieved in which one end face of the bending element is clamped and the other makes a movement along an axis which is perpendicular to the surface of the element. Furthermore, the surfaces on the end faces of the bending element remain parallel. It can thereby be achieved that a load arranged in the end face region or an element is moved without an inclination along an axis. In addition, it is desirable to set the course of the bending radius defined along the element and so z. B. adapt to the load to be lifted.
Insbesondere bei diesen Anwendungsfällen weisen die bisher bekannten technischen Lösungen Nachteile auf. So ist aus
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Biegeelementanordnung zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig herstellbar ist und mit der an Biegeelementen unterschiedliche Biegeradien und Biegerichtungen erreicht oder ausgenutzt werden können, wobei bevorzugt eine S-förmige Biegung ausgenutzt werden soll.It is therefore an object of the invention to provide a bending element arrangement which is inexpensive to produce and can be achieved or exploited with different bending radii and bending directions on bending elements, wherein preferably an S-shaped bend is to be utilized.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Biegeelementanordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Der Anspruch 12 gibt Verwendungen dafür an. Mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen können vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a bending element arrangement having the features of
Die erfindungsgemäße Biegeelementanordnung ist mit mindestens einem Biegeelement gebildet. Bei dem/den Biegeelement(en) ist/sind auf einer Oberfläche eines elastisch verformbaren Trägers nebeneinander entlang einer Achse A mindestens zwei unterschiedlich ausgebildete, aus einer piezoelektrischen Schicht oder einem anderen elektromechanisch aktiven Werkstoff gebildeten Schicht und Elektroden gebildete Verformungselemente aufgebracht. An mindestens einem der Verformungselemente eines Biegeelements sind die Elektroden als ineinander greifende Fingerelektroden ausgebildet und an mindestens einem weiteren sind die Elektroden flächig ober- und unterhalb des aktiven Werkstoffes ausgeführt. Der aktive Werkstoff kann, muss aber nicht, flächig durchgängig mehrere Verformungselemente verbinden die nur durch die unterschiedliche Ausprägung der Elektroden voneinander getrennt sind. Piezoelektrische Schichten haben im Bereich der Verformungselemente eine Vorzugsrichtung in der Polarisation. Im speziellen Fall von ferroelektrischen Schichten, kann diese auch durch anlegen eines elektrischen Feldes eingeprägt werden. Der Träger ist mittels einer festen Einspannung gehalten.The bending element arrangement according to the invention is formed with at least one bending element. In the case of the bending element (s), at least two differently shaped deformation elements formed from a layer formed by a piezoelectric layer or another electromechanically active material and / or are formed on a surface of an elastically deformable carrier next to each other along an axis A. On at least one of the deformation elements of a bending element, the electrodes are formed as interlocking finger electrodes and at least one further, the electrodes are flat above and below the active material. The active material can, but does not have to, consistently connect a plurality of deformation elements which are only separated from one another by the different characteristics of the electrodes. Piezoelectric layers have a preferred direction in the polarization in the region of the deformation elements. In the special case of ferroelectric layers, this can also be impressed by applying an electric field. The carrier is held by a fixed clamping.
Vorteilhaft ist es, wenn Verformungselemente in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Dadurch können die unterschiedlichen mit den einzelnen Verformungselementen erreichbaren Biegeradien und ggf. auch Biegerichtungen noch besser ausgenutzt werden.It is advantageous if deformation elements are arranged at a distance from one another. As a result, the different bending radii that can be achieved with the individual deformation elements and possibly even bending directions can be utilized even better.
Neben piezoelektrischen Werkstoffen können auch andere geeignete elektromechanisch aktive Werkstoffe beispielsweise elektrostatisch verformbare Elastomere und elektrostriktiv verformbare Dielektrika eingesetzt werden.In addition to piezoelectric materials, it is also possible to use other suitable electromechanically active materials, for example electrostatically deformable elastomers and dielectrically deformable dielectrics.
An einem bei der Erfindung einsetzbaren Biegeelement kann ein Verformungselement mit mindestens einer flächigen Elektrode gebildet sein, die eine Piezoelektrische Schicht oder eine aus einem anderen elektromechanisch aktiven Werkstoff gebildete Schicht in Form einer Schicht zumindest teilweise als geschlossene Fläche überdeckt. Eine Piezoelektrische Schicht oder eine aus einem anderen elektromechanisch aktiven Werkstoff gebildete Schicht eines Verformungselements kann dabei an zwei Seiten von schichtförmig ausgebildeten Elektroden eingefasst sein, wobei eine Elektrode auf der Oberfläche des elastisch verformbaren Trägers ausgebildet sein kann. Mindestens ein weiteres Verformungselement an einem Biegeelement ist dann mit ineinandergreifenden Fingerelektroden (IDE) gebildet.On a bending element which can be used in the invention, a deformation element can be formed with at least one planar electrode which a piezoelectric layer or a layer formed from another electromechanically active material in the form of a layer at least partially covered as a closed surface. A piezoelectric layer or a layer of a deformation element formed from another electromechanically active material can be enclosed on two sides by layer-shaped electrodes, wherein an electrode can be formed on the surface of the elastically deformable support. At least one further deformation element on a bending element is then formed with interdigitated finger electrodes (IDE).
Die Fingerelektroden können auf der Oberfläche des elastisch verformbaren Trägers bzw. dessen Oberflächenvergütung, im Inneren der aktiven Schicht oder auf deren Oberfläche ausgeführt werden, sowie in Kombinationen dieser Varianten. Für eine verbesserte Ausbildung elektrischer Felder, die die Verformung hervorrufen, sollten die Elektroden bevorzugt auf und unter dem aktiven Material ausgebildet sein.The finger electrodes can be made on the surface of the elastically deformable carrier or its surface coating, in the interior of the active layer or on its surface, as well as in combinations of these variants. For improved formation of electric fields that cause deformation, the electrodes should preferably be formed on and under the active material.
Wird ein Träger aus einem elektrisch leitenden Werkstoff eingesetzt, kann er als eine Elektrode für mindestens eines der Verformungselemente genutzt werden.If a carrier made of an electrically conductive material is used, it can be used as an electrode for at least one of the deformation elements.
Bei einer Ansteuerung eines Verformungselements mit einer piezoelektrischen Schicht, bei der Elektroden an beiden Oberflächen der Schicht angeordnet sind und sich das elektrische Feld über die Dicke der Schicht ausbildet, kann eine laterale Stauchung erreicht werden, die den Träger in eine Richtung verbiegt. Bei einem Verformungselement mit Fingerelektroden auf derselben Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht wird eine laterale Ausbildung eines elektrischen Feldes bei angelegter elektrischer Spannung erreicht, die zu einer Dehnung des mit der Schicht stoffschlüssig verbundenen Trägers in diesem Bereich und somit zu einer Biegung in die entgegengesetzte Richtung führt, wenn die beiden unterschiedlich ausgebildeten Verformungselemente auf derselben Oberfläche des Trägers ausgebildet und daran befestigt sind. Die Vorzugsrichtung der Polarisation in der piezoelektrischen Schicht liegt dabei jeweils in Richtung des angelegten elektrischen Feldes, bzw. wird im speziellen Fall eines ferroelektrischen Materials in dieser Richtung eingeprägt. Da die beiden erfindungsgemäßen Verformungselemente gemäß der Erfindung nebeneinander angeordnet sein sollen, kann so eine S-förmige Verbiegung des Biegeelements erreicht werden.When driving a deformation element with a piezoelectric layer, in which electrodes are arranged on both surfaces of the layer and the electric field is formed across the thickness of the layer, a lateral compression can be achieved, which bends the carrier in one direction. In a deformation element with finger electrodes on the same surface of a piezoelectric layer, a lateral formation of an electric field with applied electrical voltage is achieved, which leads to an expansion of the carrier materially connected to the layer in this area and thus to a bend in the opposite direction, if the two differently shaped deformation elements are formed on the same surface of the carrier and attached thereto. The preferred direction of polarization in the piezoelectric layer is in each case in the direction of the applied electric field, or is stamped in this case in the special case of a ferroelectric material. Since the two deformation elements according to the invention are to be arranged side by side according to the invention, so an S-shaped bending of the bending element can be achieved.
Da zwei oder mehrere Verformungselemente an derselben Oberfläche eines Trägers angeordnet sein können, besteht die Möglichkeit auch die Kontaktierung der Elektroden an dieser Seite der Oberfläche vorzusehen, so dass keine Durchkontaktierungen (VIA's) erforderlich sind.Since two or more deformation elements can be arranged on the same surface of a carrier, it is also possible to provide the contacting of the electrodes on this side of the surface, so that no vias (VIA's) are required.
Bei der Erfindung besteht vorteilhaft die Möglichkeit die Verformungselemente auf derselben Oberfläche des Trägers auszubilden. Dadurch kann die Herstellung vereinfacht und kostengünstiger gemacht werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auch dann aus, wenn die einzelnen Komponenten der Verformungselemente (Schicht und Elektroden) in Dickschichttechnik auf dem Träger ausgebildet werden, was durch die verschiedenen Druckverfahren (Siebdruck, Schablonendruck, Aerosoldruck, Ink-Jet-Druck) erreicht werden kann. Dabei kann eine Suspension mit pastöser oder dünnflüssiger Konsistenz, in der Partikel der Piezoelektrik oder eines anderen elektromechanischen Werkstoffs und beispielsweise metallische Partikel für die Ausbildung von Elektroden enthalten sind, eingesetzt werden. Nach dem Auftrag kann eine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Diese kann zweistufig mit einer Trocknung und einer anschließenden Erwärmung auf höhere Temperaturen durchgeführt werden. Dabei können enthaltene organische Komponenten und die Flüssigkeit ausgetrieben werden und bei höheren Temperaturen eine Sinterung durchgeführt und dabei stoffschlüssige Verbindungen der Komponenten des jeweiligen Verformungselements untereinander und mit dem Träger erreicht werden. Eine Ausführung der Elektroden in Dünnschichttechnik (Verdampfen, Sputtern, PVD, CVD, PECVD, Laserdeposition) ist ebenfalls möglich.In the invention, it is advantageously possible to form the deformation elements on the same surface of the carrier. As a result, the production can be simplified and made cheaper. This has an advantageous effect even if the individual components of the deformation elements (layer and electrodes) are formed in thick-film technology on the support, which can be achieved by the various printing methods (screen printing, stencil printing, aerosol printing, ink-jet printing). In this case, a suspension with paste-like or low-viscosity consistency in which particles of piezoelectrics or of another electromechanical material and, for example, metallic particles for the formation of electrodes are contained can be used. After the order, a heat treatment can be performed. This can be carried out in two stages with drying and subsequent heating to higher temperatures. In this case, contained organic components and the liquid can be expelled and carried out sintering at higher temperatures while cohesive connections of the components of the respective deformation element with each other and with the carrier can be achieved. An embodiment of the electrodes in thin-film technology (evaporation, sputtering, PVD, CVD, PECVD, laser deposition) is also possible.
Die Ausbildung der Schichten und/oder Elektroden kann auch in Vertiefungen, die in einer Oberfläche des jeweiligen Trägers ausgebildet sind, erfolgen. Dadurch kann neben der stoffschlüssigen auch eine formschlüssige Verbindung zwischen Komponenten der Verformungselemente und dem Träger erreicht werden, die bei der Biegung ausgenutzt werden kann.The formation of the layers and / or electrodes can also take place in depressions which are formed in a surface of the respective carrier. As a result, in addition to the cohesive and a positive connection between components of the deformation elements and the carrier can be achieved, which can be exploited in the bending.
Überraschend hat es sich außerdem herausgestellt, dass bei Einsatz eines Verformungselements mit Fingerelektroden und einem weiteren Verformungselement mit einer bzw. zwei flächigen als Schicht ausgebildeten Elektroden, bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine S-förmige Verformung erreichbar ist, wenn die Verformungselemente auf derselben Oberfläche des Trägers angeordnet sind.Surprisingly, it has also been found that when using a deformation element with finger electrodes and a further deformation element with one or two planar electrodes formed as a layer, upon application of an electrical voltage, an S-shaped deformation can be achieved, if the deformation elements on the same surface of the support are arranged.
Sind mehrere Verformungselemente auf einem gemeinsamen Träger ausgebildet, die jeweils mit ineinandergreifenden Fingerelektroden gebildet sind, lassen sich unterschiedliche Biegeradien auch bei jeweils gleicher angelegter elektrischer Spannung erreichen, wenn die Anordnung, geoemtrische Gestaltung, Dimensionierung und/oder die Abstände einzelner Fingerelektroden zueinander und/oder die elektromechanisch aktiven Werkstoffe bei den ausgebildeten Verformungselementen jeweils unterschiedlich sind.If a plurality of deformation elements are formed on a common carrier, which are each formed with interdigitated finger electrodes, different bending radii can be achieved even with the same applied electrical voltage, if the arrangement, geoemtrische design, dimensioning and / or the distances of individual finger electrodes to each other and / or the Electromechanically active materials in the trained deformation elements are each different.
Bei den auf einem Träger ausgebildeten Verformungselementen können ineinandergreifende Fingerelektroden mindestens eines Verformungselements unterschiedliche Abstände zueinander und/oder Finger einer Fingerelektrode eine unterschiedliche Länge und/oder Breite aufweisen. Es besteht auch die Möglichkeit, dass bei zwei Verformungselementen jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Fingern ihrer Fingerelektroden gewählt werden können. Dadurch können unterschiedliche Biegeradien mit den unterschiedlich ausgebildeten Fingerelektroden erreicht werden.In the case of the deformation elements formed on a carrier, interdigitated finger electrodes of at least one deformation element can have different distances from one another and / or fingers of a finger electrode can have a different length and / or width. There is also the possibility that with two deformation elements, in each case a different number of fingers of their finger electrodes can be selected. As a result, different bending radii can be achieved with the differently designed finger electrodes.
Der Effekt unterschiedlich großer Biegeradien kann auch durch die Wahl der Größe und insbesondere der geometrischen Gestaltung von Elektroden und/oder piezoelektrischen Schichten oder Schichten aus einem anderen elektromechanisch aktiven Werkstoff gebildeten Schichten erreicht werden, wenn sie über ihre Länge in Bezug zur Achse A des Trägers eine sich verändernde Breite aufweisen. Diese Breite kann sich stetig oder kontinuierlich ändern. Es können Dreiecksformen oder auch andere Formen gewählt werden. Dabei soll auf mögliche Formen bei der Beschreibung von Beispielen nachfolgend noch eingegangen werden.The effect of varying degrees of bending radii can also be achieved by the choice of the size and in particular the geometric design of electrodes and / or piezoelectric layers or layers of another electromechanically active material layers, if they over their length with respect to the axis A of the carrier a have varying width. This width can change continuously or continuously. Triangular shapes or other shapes can be chosen. Here, possible forms in the description of examples will be discussed below.
Unterschiedliche Biegeradien können durch Verformungselemente erreicht werden, wenn an die Verformungselemente, die auf einer Oberfläche eines Trägers ausgebildet sind, unterschiedlich hohe elektrische Spannungen an den jeweiligen Elektroden angelegt werden oder dadurch, dass bei konstanter Spannung durch Variation des Abstandes zwischen den Elektroden lokal unterschiedlich hohe elektrische Feldstärken ausgebildet bzw. erreicht werden können.Different bending radii can be achieved by deformation elements, if the deformation elements, which are formed on a surface of a carrier, different high voltages are applied to the respective electrodes or in that at constant voltage by varying the distance between the electrodes locally different high electrical Field strengths can be formed or achieved.
Ein bei einem Biegeelement einsetzbarer Träger kann aus einem Werkstoff gebildet sein, der ausgewählt ist aus Al2O3, LTCC, ZrO2, Silizium, einem Metall, bevorzugt einem Stahl, einem Faserverbundwerkstoff oder einem Polymer. Die Auswahl des Werkstoffs kann unter dem Aspekt der jeweils aufzubringenden oder zu detektierenden Kraft bzw. Moments oder eines Weges, der durch die Biegung erreicht werden soll, erfolgen.A carrier usable in a bending element may be formed of a material selected from Al 2 O 3 , LTCC, ZrO 2 , silicon, a metal, preferably a steel, a fiber composite material or a polymer. The selection of the material can take place under the aspect of the force or moment to be applied or to be detected or of a path to be achieved by the bend.
Träger sollten in Bezug zu ihrer Länge eine entsprechend kleinere Breite und eine noch kleinere Dicke aufweisen, so dass infolge des jeweiligen mechanischen Widerstandsmomentes eine Biegung in die jeweils gewünschte Richtung erreichbar oder ausnutzbar ist.Carriers should have a correspondingly smaller width and an even smaller thickness in relation to their length, so that as a result of the respective mechanical moment of resistance, a bend in the respective desired direction can be achieved or exploited.
Ein Biegeelement, wie es bei der Erfindung einsetzbar ist, kann als monolithisches mehrlagiges Element ausgebildet sein. Es kann aber auch mehr als ein Biegeelement so ausgebildet werden. Dabei können mehrere Biegeelemente aus einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden, auf dem an den die Biegeelemente bildenden Bereichen die Komponenten der Verformungselemente ausgebildet werden, was bei einem Druckverfahren für die einzelnen Schichten in einem Zuge oder mit einem Aufbau erreichbar ist. Durch ein Trennverfahren können dann Schlitze und dadurch wiederum die jeweilige Anzahl an Biegeelementen ausgebildet werden. Die Biegeelemente sind dabei an jeweils einer Stirnseite mit dem Rest des Substrats verbunden, das wiederum eine Plattform bilden kann, auf der andere Elemente (z. B. optische, elektrische oder elektronische Elemente) angebracht oder angeordnet werden können.A bending element, as can be used in the invention, can be designed as a monolithic multilayer element. But it can also be formed more than one bending element. In this case, a plurality of bending elements can be produced from a common substrate, on which the components of the deformation elements are formed on the areas forming the bending elements, which can be achieved in a printing process for the individual layers in one go or with one construction. By means of a separation process, slots can be formed and, in turn, the respective number of bending elements can be formed. The bending elements are in each case connected to the rest of the substrate on one end face, which in turn can form a platform on which other elements (eg optical, electrical or electronic elements) can be mounted or arranged.
Mit diesen Verfahren ist es ebenfalls möglich effizient eine Vielzahl einzelner Biegeelemente oder Anordnungen von Biegeelementen herzustellen, indem diese im Ganzen auf einem gemeinsamen Substrat hergestellten Elemente oder Anordnungen getrennt und vereinzelt werden, was z. B. durch Sägen, Fräsen, Schneiden, Laser- oder Ultraschallbearbeitung erreicht werden kann.With these methods, it is also possible to efficiently manufacture a plurality of individual flexures or arrays of flexures by separating and singulating these elements or assemblies fabricated as a whole on a common substrate, e.g. B. by sawing, milling, cutting, laser or ultrasonic machining can be achieved.
Bei einer erfindungsgemäßen Biegeelementanordnung können mindestens zwei Biegeelemente jeweils an einer Stirnseite mittels einer festen Einspannung gehalten und an der gegenüberliegenden Stirnseite direkt miteinander oder mit einer Plattform verbunden sein. So können beispielsweise drei, vier oder sogar mehr Biegeelemente eine Biegeelementanordnung bilden.In a bending element arrangement according to the invention, at least two bending elements can each be held on one end face by means of a fixed clamping and connected directly to each other or to a platform on the opposite end face. For example, three, four or even more bending elements can form a bending element arrangement.
Es besteht auch die Möglichkeit zwei Biegeelemente miteinander an einer Stirnseite zu verbinden. Zwei so verbundene Biegeelemente können dann im unbeeinflussten Zustand parallel aufeinander liegen oder ein V bilden. Dabei ist ein Biegeelement an einer Stirnseite in einer festen Einspannung gehalten und die Verbindung der beiden Biegeelemente ist an der gegenüberliegenden Stirnseite realisiert. Werden die Verformungselemente aktiviert kann dann eine Verbiegung der Biegeelemente erreicht oder detektiert werden, indem elektrische Spannung an die Elektroden der Verformungselemente angelegt oder dort gemessen wird.It is also possible to connect two bending elements together on one end face. Two bending elements connected in this way can then lie parallel to one another in the uninfluenced state or form a V. In this case, a bending element is held on a front side in a fixed clamping and the connection of the two bending elements is realized on the opposite end face. If the deformation elements are activated, then a bending of the bending elements can be achieved or detected by applying or measuring electrical voltage to the electrodes of the deformation elements.
Die erreichbare Verformung/Biegung kann auch durch den Querschnitt des Trägers, den Trägerwerkstoff und die Länge des Trägers mit der Anordnung und Dimensionierung der Verformungselemente am Träger beeinflusst werden.The achievable deformation / bending can also be influenced by the cross section of the carrier, the carrier material and the length of the carrier with the arrangement and dimensioning of the deformation elements on the carrier.
Eine erfindungsgemäße Biegeelementanordnung kann als Aktor, Sensor, Transformator, Kondensator, Ultraschallwandler oder Generator verwendet werden.A bending element arrangement according to the invention can be used as an actuator, sensor, transformer, capacitor, ultrasonic transducer or generator.
Bei einer S-förmigen Verbiegung eines oder mehrerer Biegeelemente(s) einer Biegeelementanordnung kann ein damit bewegtes, angehobenes Objekt parallel, ohne eine Verkippung bewegt werden. So kann ein Objekt beispielsweise senkrecht angehoben werden. Dadurch können bei der Biegung mechanische Spannungen vermieden, zumindest erheblich reduziert werden, was auch auf die Einspannung zutrifft. With an S-shaped bending of one or more bending elements (s) of a bending element arrangement, a raised object moved with it can be moved in parallel without tilting. For example, an object can be raised vertically. As a result, in the bending mechanical stresses can be avoided, at least significantly reduced, which also applies to the restraint.
Bei einer Biegeelementanordnung mit Doppel-S-förmiger Biegung können zwei gestapelt angeordnete Biegeelemente oder nebeneinander angeordnete Biegeelemente, die für eine S-förmige Biegung ausgebildet sind, zusätzlich eine laterale Bewegung eines Biegeelements mit S-förmiger Biegung ausgleichen und es kann damit ein vollständig senkrechter verkippungsfreier Hub erreicht werden.In a double-S-bend flexure assembly, two stacked flexures or juxtaposed flexures configured for S-bend may additionally compensate for lateral movement of an S-bend flexure and thus may become completely perpendicularly tilt-free Hub can be reached.
Bei der Erfindung kann neben den herstellungsbedingt reduzierten Kosten und der möglichen Anordnung von Verformungselementen an derselben Oberfläche eines Trägers auch eine hohe Maßhaltigkeit bei sehr guter Reproduzierbarkeit eingehalten werden. Die Komponenten der Verformungselemente können je nach Bedarf strukturiert einfach hergestellt werden.In the invention, in addition to the production-related reduced costs and the possible arrangement of deformation elements on the same surface of a carrier and a high dimensional stability can be met with very good reproducibility. The components of the deformation elements can be easily structured according to requirements.
Zusätzliche Fügeschritte und Fügeverfahren sind nicht erforderlich. Es ist auch ein hohes Maß an Integration gegeben, da Verformungselemente auf Trägern ausgebildet werden können, die auch in der Elektroniktechnologie üblicherweise eingesetzt werden.Additional joining steps and joining methods are not required. There is also a high degree of integration, since deformation elements can be formed on carriers, which are also commonly used in electronics technology.
Eine fertig hergestellte Biegeelementanordnung kann frei von Lösungsmitteln eingesetzt werden, so dass einem Einsatz unter Vakuumbedingungen nichts im Wege steht.A ready-made bending element assembly can be used free of solvents, so that nothing stands in the way of use under vacuum conditions.
Zusammenfassend und definierend soll festgehalten werden, dass unter flächigen Elektroden solche Elektroden verstanden werden sollen, die auf einen Träger bzw. auf eine sich darauf befindliche Struktur oder Oberflächenvergütung aufgebracht sind. Der elektromechanisch aktive Werkstoff wird auf die Elektrodenstruktur aufgebracht und schließlich mit einer Deckelektrode versehen. Berührungspunkte der beiden Elektroden bzw. deren elektrischen Zuleitungen können spätestens vor dem Aufbringen der Deckelektrode mit einer isolierenden Schicht versehen werden.Summarizing and defining should be noted that under flat electrodes such electrodes are to be understood, which are applied to a carrier or to a structure or surface finish thereon. The electromechanically active material is applied to the electrode structure and finally provided with a cover electrode. Touch points of the two electrodes or their electrical leads can be provided with an insulating layer at the latest before the application of the cover electrode.
Interdigitalelektroden bzw. fingerförmige ineinandergreifende Elektroden sind eine Anordnung von ineinandergreifenden fingerartigen Elektroden von denen die von einer Seite kommenden Finger auf einem anderen elektrischen Potential liegen als die von der anderen Seite kommenden Finger. Prägende Eigenschaften einer solchen Elektrodenstruktur sind die Breite der Finger, der Abstand zwischen den auf unterschiedlichen Potentialen liegenden Fingern und der Abstand der Fingerspitzen zu der Sammelelektrode des jeweils anderen Potentials.Interdigital electrodes or interdigitated electrodes are an array of interdigitated finger-like electrodes of which the fingers coming from one side are at a different electrical potential than the fingers coming from the other side. Characteristic features of such an electrode structure are the width of the fingers, the distance between the fingers located at different potentials, and the distance between the fingertips and the collecting electrode of the respective other potential.
Die Elektrodenstruktur kann unter dem elektromechanisch aktiven Werkstoff, oberhalb des elektromechanisch aktiven Werkstoffs oder bei einem schichtweisen Aufbau des elektromechanisch aktiven Werkstoffs auch in dessen Innerem realisiert werden. Für die Ausbildung eines elektrischen Feldes innerhalb des elektromechanisch aktiven Werkstoffs ist eine dieser Positionen ausreichend, vorzugsweise können jedoch mehrere Positionen kombiniert werden, um die Homogenität des ausgebildeten elektrischen Feldes zu verbessern.The electrode structure can be realized under the electromechanically active material, above the electromechanically active material or in a layered structure of the electromechanically active material in its interior. For the formation of an electric field within the electromechanically active material, one of these positions is sufficient, but preferably several positions can be combined to improve the homogeneity of the formed electric field.
Es ist ebenfalls möglich einen elektromechanisch aktive Werkstoff zuerst mit Strukturen, insbesondere den Elektroden zu versehen und anschließend in einem Fügeschritt mit einem Träger zu verbinden.It is also possible to provide an electromechanically active material first with structures, in particular the electrodes, and then connect them in a joining step with a carrier.
Werden auf einem Biegeelement zwei Verformungselemente kombiniert, von denen an einem die Elektroden flächig über und unterhalb der elektromechanisch aktiven Schicht ausgeführt sind, und an dem anderen Elektroden, die als ineinander greifende Finger ausgebildet und mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt sind, so kann es bei Anlegen von elektrischen Spannungen so verformt werden, dass sich im Querschnitt eine S-förmige Biegung erreichen lässt. Diese Biegung ist im Besonderen dadurch gekennzeichnet, dass die Tangenten zur Trägeroberfläche nahe den stirnseitigen Enden der Biegeelemente bei der Auslenkung parallel bleiben. Bei Einspannung des Biegeelementes an einer Stirnfläche, kann eine am anderen Ende befestigte Last ohne Verkippung nahezu senkrecht zur Trägeroberfläche bewegt werden. Es erfolgt lediglich eine kleine Bewegung hin zur festen Einspannung, die wegen des großen Verhältnisses der Länge des jeweiligen Biegeelements zu seiner Auslenkung/Biegung vernachlässigbar wird.If two deformation elements are combined on one bending element, of which the electrodes are formed on one surface above and below the electromechanically active layer, and on the other electrodes, which are designed as interdigitated fingers and acted on with different electrical potentials, then it can be applied be deformed by electrical voltages so that in cross-section an S-shaped bend can be achieved. This bend is characterized in particular in that the tangents to the carrier surface near the front ends of the bending elements remain parallel during the deflection. When the bending element is clamped to an end face, a load attached to the other end can be moved almost without tilting almost perpendicular to the carrier surface. There is only a small movement towards the fixed clamping, which is negligible because of the large ratio of the length of the respective bending element to its deflection / bending.
Die Verkürzung eines Biegeelements mit S-förmiger Biegung und die damit verbundene minimale laterale Bewegung der Last in einer solchen Anordnung kann durch eine Anordnung, mit der eine doppelte S-förmige Biegung erreichbar ist, ausgeglichen werden. Dazu können zwei Biegeelemente, die jeweils S-förmig biegbar sind, eingesetzt werden, die entgegengesetzt entweder nebeneinander, d. h. ihre Längsachsen liegen parallel in einem Abstand zueinander, oder mit einem Fügeschritt übereinander angeordnet sind. Das erste Biegeelement ist an einer Stirnseite fest eingespannt und an der gegenüberliegenden Stirnseite wird die Verbindung zum zweiten Biegeelement gebildet. Die Wirkung der beiden Biegeelemente kann in dieser Anordnung parallel geschaltet werden. Der Hub addiert sich und die Verkürzung der Biegeelemente gleicht sich zu Null aus.The shortening of a bending element with S-shaped bend and the associated minimal lateral movement of the load in such an arrangement can be compensated by an arrangement with which a double S-shaped bend can be achieved. For this purpose, two bending elements, each of which can be bent in an S shape, are used, which are either adjacent to one another, ie their longitudinal axes lie parallel to one another at a distance from one another, or are arranged one above the other with a joining step. The first bending element is firmly clamped on one end face and on the opposite end face the connection to the second bending element is formed. The effect of the two bending elements can be parallel in this arrangement be switched. The stroke adds and the shortening of the flexures equalizes to zero.
Auf einem Träger lassen sich mehrere Verformungselemente platzieren um ein Biegeelement zu bilden. Die Verformungselemente können dabei durch einen Spalt in dem aktiven Material oder ohne Unterbrechung nur durch Bereiche unterschiedlicher Elektrodengeometrie voneinander getrennt sein. Die Gestaltung der Verformungselemente (auf die später eingegangen wird) bestimmt die Biegung/Krümmung und ihre Richtung in dem Bereich des Trägers auf dem sie aufgebracht sind.On a support, several deformation elements can be placed to form a bending element. The deformation elements can be separated from each other by a gap in the active material or without interruption only by regions of different electrode geometry. The design of the deformation elements (to be discussed later) determines the bend / curvature and its direction in the region of the support on which it is applied.
Eine nicht entlang nur einer Achse ausgerichtete Anordnung von Verformungselementen oder Gruppen dieser ist ebenfalls möglich.An arrangement of deformation elements or groups that is not aligned along only one axis is likewise possible.
Erfindungsgemäß werden mindestens zwei Verformungselemente auf einem gemeinsamen Träger kombiniert, die somit ein Biegeelement bilden. Im Folgenden werden beispielhaft Kombinationen von zwei Verformungselementen und deren Gestaltung beschrieben, es können jedoch, wie beschrieben auch weitere Verformungselemente eingesetzt werden.According to the invention, at least two deformation elements are combined on a common carrier, which thus form a bending element. In the following, by way of example, combinations of two deformation elements and their design are described, however, as described, other deformation elements can also be used.
Auf einem Träger können sich zwei Verformungselemente befinden, von denen das eine Verformungselement flächige und das andere fingerförmige Elektroden aufweist. Der elektromechanisch aktive Werkstoff kann dabei flächig durchgängig oder durch einen Spalt unterbrochen vorhanden sein. Die beiden unterschiedlichen Verformungselemente können bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Biegung/Krümmung des Trägers in unterschiedliche Richtungen bewirken.On a support there may be two deformation elements, one of which has a deformation element surface and the other finger-shaped electrodes. The electromechanically active material can be present continuously throughout or interrupted by a gap. The two different deformation elements can cause a deflection / curvature of the carrier in different directions when an electrical voltage is applied.
Es ist vorteilhaft einen an die Last oder die Anwendung angepassten Verlauf des in den Träger eingebrachten Momentes zu nutzen. Dies kann durch:
- – Veränderung der Breite der aktiven Fläche von Verformungselementen entlang des Biegeelementes durch geometrische Formung und Dimensionierung der Elektrodenbereiche oder des elektromechanisch aktiven Werkstoffs in der entsprechenden Schicht. Hierbei ist die Dickschichttechnologie besonders vorteilhaft einsetzbar, da sich hochgradig maßhaltige und individuell optimierte Strukturen herstellen lassen.
- – Die Verformungselemente können unterschiedlich lang und breit gestaltet sein.
- – Sie können auf durch einen Spalt/Fuge getrennten elektromechanisch aktiven Werkstoff oder einem gemeinsamen flächigen elektromechanisch aktiven Werkstoffausgebildet werden.
- – Fingerabstand und Fingerbreite fingerförmiger ineinandergreifender Elektroden müssen bei einem Verformungselement nicht konstant sein, sondern können z. B. kontinuierlich im Verlauf des Elementes variiert werden, um einen ebenso kontinuierlich variierten Verlauf des in den Träger eingebrachten Momentes zu erreichen, die zu bestimmten Biegeradien führt.
- - Changing the width of the active surface of deformation elements along the bending element by geometric shaping and dimensioning of the electrode areas or the electromechanically active material in the corresponding layer. In this case, the thick-film technology can be used particularly advantageously, since highly dimensionally stable and individually optimized structures can be produced.
- - The deformation elements can be designed differently long and wide.
- - They can be formed on separated by a gap / joint electromechanically active material or a common planar electromechanically active material.
- - Finger distance and finger width finger-shaped interdigitated electrodes need not be constant in a deformation element, but can, for. B. can be varied continuously in the course of the element in order to achieve a continuously varied course of the introduced into the carrier torque, which leads to certain bending radii.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of examples.
Dabei zeigen:Showing:
Bei den nachfolgend beschriebenen Beispielen wird generell der Begriff „elektromechanisch aktive Schicht” benutzt. Selbstverständlich fallen unter diesen Begriff auch piezoelektrische Schichten.In the examples described below, the term "electromechanically active layer" is generally used. Of course, this term also includes piezoelectric layers.
In
Die in
Der Träger
Als nächstes werden auf der Rückseite des Trägers
Die Nutzung der Rückseite erfolgt, bei diesem Beispiel nur aus Gründen der Platzersparnis. Ein vollständig einseitiger Aufbau bei dem alle drei elektrischen Potentiale auf der Oberseite geführt werden, ist ebenfalls problemlos möglich.The use of the back is done, in this example, only for reasons of space savings. A completely one-sided structure in which all three electrical potentials are guided on the top, is also easily possible.
Im nächsten Schritt wird eine piezoelektrische Dickschichtpaste „PZ5100” (Fraunhofer IKTS, Dresden, Deutschland), die mit ferroelektrischen Partikeln gebildet ist, in Form von vier Rechtecken und mit einer Dicke von ca. 130 μm auf die Elektrodenstrukturen für die vier S-förmig biegbaren Biegeelemente
Zum Schluss werden mittels UV-Laserbearbeitung Schnitte im Träger
Es gibt nun drei unabhängige elektrische Potentiale an jedem S-förmig biegbaren Biegeelement
- 1. Fingerförmige Elektroden (oben
5' und unten4' ) + Deckelektrode5 (flächig): 0 V - 2. Fingerförmige Elektroden
2 (oben5'' und unten4'' ): A × 1000 V - 3. Flächige Grundelektrode
4 (durch Via von Rückseite): A × 200 V
- 1. Finger-shaped electrodes (above
5 ' and below4 ' ) + Cover electrode5 (area): 0 V - 2. Finger-shaped electrodes
2 (above5 '' and below4 '' ): A × 1000V - 3. Flat bottom electrode
4 (through via from the back): A × 200V
Die jeweiligen Elektroden der S-förmig biegbaren Biegeelemente
Die benötigte Vorzugsrichtung der Polarisation in der gebildeten piezoelektrischen Schicht kann erreicht werden, da die piezoelektrischen Partikel auch ferroelektrisch sind. So kann in der piezoelektrischen Schicht durch Anlegen eines elektrischen Feldes, das typischer Weise 2 kV/mm beträgt, in der piezoelektrischen Schicht in den jeweiligen Verformungselementen eine Vorzugsrichtung der remanenten Polarisation erzeugt werden, die sich entlang des elektrischen Feldes in diesem Bereich richtet.The required preferred direction of the polarization in the piezoelectric layer formed can be achieved since the piezoelectric particles are also ferroelectric. Thus, in the piezoelectric layer, by applying an electric field, which is typically 2 kV / mm, in the piezoelectric layer in the respective deformation elements, a preferential direction of the remanent polarization can be generated, which is directed along the electric field in this area.
Der Abstand der einzelnen fingerförmigen Elektroden
Die
Die
In der oberen Darstellung von
Mit
Ein Biegeelement
Bei dem in
Mit einer solchen Ausführung kann der erreichbare Hub für eine Last, die an der linken Stirnseite des in der Draufsicht unten dargestellten Biegeelements
In der
So ist in
In der unmittelbar darunter gezeigten Ausführung sind elektromechanisch aktive Schichten
Bei dem dritten von oben angeordneten Beispiel sind völlig unterschiedlich geometrisch gestaltete Verformungselemente
Bei dem in
Bei dem in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2006/110908 A1 [0005] WO 2006/110908 A1 [0005]
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201310013402 DE102013013402A1 (en) | 2013-08-02 | 2013-08-02 | Bending element arrangement and their use |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201310013402 DE102013013402A1 (en) | 2013-08-02 | 2013-08-02 | Bending element arrangement and their use |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102013013402A1 true DE102013013402A1 (en) | 2015-02-19 |
Family
ID=52429977
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE201310013402 Ceased DE102013013402A1 (en) | 2013-08-02 | 2013-08-02 | Bending element arrangement and their use |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102013013402A1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017182416A1 (en) * | 2016-04-19 | 2017-10-26 | Koninklijke Philips N.V. | Ultrasound transducer positioning |
CN112106213A (en) * | 2018-03-15 | 2020-12-18 | 皇家飞利浦有限公司 | Electroactive material based actuator device |
WO2021239243A1 (en) * | 2020-05-29 | 2021-12-02 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Mems actuation device and method |
WO2022207384A1 (en) * | 2021-04-01 | 2022-10-06 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Mems sound transducer |
CN115867110A (en) * | 2023-02-21 | 2023-03-28 | 宁波大学 | Self-finding type flexible piezoelectric micro-nano operator and preparation method thereof |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0416540A2 (en) * | 1989-09-05 | 1991-03-13 | Seiko Epson Corporation | Ink jet printer recording head |
DE69122604T2 (en) * | 1990-11-20 | 1997-04-24 | Spectra Inc | PIEZOELECTRIC CONVERTERS FOR INK JET SYSTEMS |
US6289564B1 (en) * | 1997-08-15 | 2001-09-18 | Seagate Technology Llc | Method of making a piezoelectric microactuator for precise head positioning |
US20020097305A1 (en) * | 1998-07-01 | 2002-07-25 | Kouji Sumi | Functional thin film, piezoelectric device, ink jet recording head, printer, method of producing piezoelectric device, and method of producing ink jet recording head |
WO2006110908A1 (en) | 2005-04-15 | 2006-10-19 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Microactuator having multiple degrees of freedom |
WO2011012532A1 (en) * | 2009-07-30 | 2011-02-03 | Robert Bosch Gmbh | Drive |
US7922302B2 (en) * | 2007-07-31 | 2011-04-12 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Piezoelectric actuation mechanism |
JP2011193316A (en) * | 2010-03-16 | 2011-09-29 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric resonator element and piezoelectric device |
US20130050351A1 (en) * | 2010-06-29 | 2013-02-28 | Peter Mardilovich | Piezoelectric actuator with coplanar electrodes |
-
2013
- 2013-08-02 DE DE201310013402 patent/DE102013013402A1/en not_active Ceased
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0416540A2 (en) * | 1989-09-05 | 1991-03-13 | Seiko Epson Corporation | Ink jet printer recording head |
DE69122604T2 (en) * | 1990-11-20 | 1997-04-24 | Spectra Inc | PIEZOELECTRIC CONVERTERS FOR INK JET SYSTEMS |
US6289564B1 (en) * | 1997-08-15 | 2001-09-18 | Seagate Technology Llc | Method of making a piezoelectric microactuator for precise head positioning |
US20020097305A1 (en) * | 1998-07-01 | 2002-07-25 | Kouji Sumi | Functional thin film, piezoelectric device, ink jet recording head, printer, method of producing piezoelectric device, and method of producing ink jet recording head |
WO2006110908A1 (en) | 2005-04-15 | 2006-10-19 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Microactuator having multiple degrees of freedom |
US7922302B2 (en) * | 2007-07-31 | 2011-04-12 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Piezoelectric actuation mechanism |
WO2011012532A1 (en) * | 2009-07-30 | 2011-02-03 | Robert Bosch Gmbh | Drive |
JP2011193316A (en) * | 2010-03-16 | 2011-09-29 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric resonator element and piezoelectric device |
US20130050351A1 (en) * | 2010-06-29 | 2013-02-28 | Peter Mardilovich | Piezoelectric actuator with coplanar electrodes |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017182416A1 (en) * | 2016-04-19 | 2017-10-26 | Koninklijke Philips N.V. | Ultrasound transducer positioning |
CN112106213A (en) * | 2018-03-15 | 2020-12-18 | 皇家飞利浦有限公司 | Electroactive material based actuator device |
WO2021239243A1 (en) * | 2020-05-29 | 2021-12-02 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Mems actuation device and method |
WO2022207384A1 (en) * | 2021-04-01 | 2022-10-06 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Mems sound transducer |
CN115867110A (en) * | 2023-02-21 | 2023-03-28 | 宁波大学 | Self-finding type flexible piezoelectric micro-nano operator and preparation method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69025813T2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive drive | |
EP1636859B1 (en) | Piezoelectric component with a predetermined breaking point, method for producing the component and use of the component | |
DE3434726C2 (en) | ||
EP0958620B1 (en) | Piezo electric actuator with a new type of contacting and a method for the production thereof | |
DE69026765T2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive actuator containing a piezoelectric / electrostrictive film | |
EP1090431B1 (en) | Piezoelectric actuator | |
DE4107158A1 (en) | LAMINARY PIEZOELECTRIC / ELECTROSTRICTIVE DRIVER WITH LONGITUDINE EFFECT AND PRESSURE ACTUATOR WITH THIS DRIVER | |
DE10307825A1 (en) | Electrical multilayer component and layer stack | |
EP1476907B1 (en) | Piezo actuator comprising a structured external electrode | |
DE102013013402A1 (en) | Bending element arrangement and their use | |
EP1192672B1 (en) | Piezo element with a multiple-layer structure produced by folding | |
DE102007058873A1 (en) | Piezoelectric device with external contact, which has a vapor deposition, method of manufacturing the component and use of the component | |
WO2014012672A1 (en) | Actuator device | |
EP1129493B1 (en) | Piezoceramic multi-layer structure with regular polygon cross-sectional area | |
DE102006051080A1 (en) | Multilayer actuators with interdigital electrodes | |
DE68927500T2 (en) | Electrical deformation device | |
DE102005002980B3 (en) | Monolithic multilayer actuator and method for its production | |
DE10201943A1 (en) | Multi-layer actuator with staggered contact surfaces of the same polarity for the inner electrodes of your outer electrode | |
DE19704389C2 (en) | Single element actuator | |
DE102010042969A1 (en) | Piezoelectric component with contacting | |
EP2798679B1 (en) | Piezo-stack with passivation, and a method for the passivation of a piezo-stack | |
WO2008046406A1 (en) | Piezoelectric component | |
DE102013100764B4 (en) | A method for the production of electrodes produced by physical vapor deposition and a method for the production of piezo elements with electrodes produced by physical vapor deposition | |
DE102004056754A1 (en) | Piezoelectric bending unit for actuators and sensors, has two material plies that are connected to each other, where contact surface of the plies are evenly curved and geometrically compactly wound | |
DE10257952A1 (en) | Multi-layer piezoelectric actuator for activating a valve in a motor vehicle, has a neutral phase without an inner electrode layer between piezoelectric layers near an inner electrode |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: PFENNING MEINIG & PARTNER GBR, DE Representative=s name: PFENNING, MEINIG & PARTNER MBB PATENTANWAELTE, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |