DE10206977A1

DE10206977A1 - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Bauelements sowie danach hergestelltes Bauelement

Info

Publication number: DE10206977A1
Application number: DE10206977A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Doellgast; Till M Schmauser
Original assignee: Drei-S-Werk Praezisionswerkzeuge & Co Fertigungs-Kg GmbH; DREI S WERK PRAEZ SWERKZEUGE G
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2001-02-24
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2022-02-21
Also published as: DE10206977B4

Abstract

Zur Herstellung eines flachen, mehrschichtigen Bauelements (1) zur Verwendung als Aktor oder Sensor wird ein Verbund aus einer metallischen Trägerschicht (2), einer Klebeschicht (4) sowie einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht (3) auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Klebers erwärmt, wobei der Verbund unter Druckbeaufschlagung bis unterhalb der Erweichungstemperatur des Klebers abgekühlt wird und wobei die metallische Trägerschicht (2) bei unterhalb der Erweichungstemperatur der Klebeschicht liegender Temperatur eine Kontraktion in der Hauptebene ausführt und sich anschließend bei betriebsbedingter Umgebungstemperatur hinsichtlich dessen Ausdehnung zumindest annähernd gleich der elektrisch aktivierbaren Materialschicht (3) verhält. Bei einem entsprechenden Bauelement (1) ist eine den Shape-Memory-Effekt zeigende Trägerschicht (2) vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines flachen, mehr schichtigen Bauelements zur Verwendung als Aktor oder Sensor. Sie bezieht sich weiter auf ein danach hergestelltes Bauelement mit interner Vorspannung.

Aus der US 5,632,841 und aus der US 6,060,811 ist eine Aktor- bzw. Sensor- Anordnung bekannt, bei der infolge unterschiedlicher thermischer Dehnungen ein flacher Verbund aus einem Metall und einer aktiven Keramik, insbesondere einer Piezokeramik auf der Basis von Blei-Zirkonat-Titanat, vorgespannt wird. Dabei wird der Verbund bei hoher Temperatur gefügt, wobei nach dem Erstarren eines zur Verbindung eingesetzten Polymers eine mechanische Spannung in der Kera mik entsteht, so dass diese einer Druckbeaufschlagung unterworfen ist.

In der US 5,471,721 ist ein sogenannter Rainbow-Aktor beschrieben, der durch partielle chemische Reduktion einen inneren Schichtaufbau aufweist, wobei die reduzierte Schicht die Funktion einer Metallschicht erfüllt. Diese Konstruktion zeichnet sich dadurch aus, dass durch die thermische Vorspannung die Effektivi tät und der Bruchwiderstand der Keramik gesteigert wird.

Nachteilig bei diesen bekannten mehrschichtigen Bauelementen ist jedoch, dass durch die Unterschiede der thermischen Dehnung nicht nur bei der bestimmungs gemäßen elektrischen Ansteuerung, sondern auch bei einer Änderung der be triebsbedingten Umgebungstemperatur eine Änderung der Verbund-Form auftritt. Dabei liegt diese Änderung in der Größenordnung einer infolge elektrischer An steuerung auftretenden Formänderung. Dadurch ist der Temperaturbereich, in dem das als Aktor oder Wandler verwendete Bauelement eingesetzt werden kann, in unerwünschter Weise eingeschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Herstellungsverfahren, für ein flaches, laminiertes Bauelement, insbesondere mit interner Vorspannung, anzugeben. Des Weiteren soll ein derartiges, zur Verwendung als Aktor oder Sensor geeignetes Bauelement angegeben werden, bei dem die genannten Nachteile vermieden sind.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich des mehrschichtigen Bauelements zur Verwendung als Aktor oder Sensor wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 2.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch den Einsatz soge nannter Formgedächtnis-Legierungen (shape memory alloy, SMA) einerseits die gewünschte Vorspannung durch Kontraktionen des als Trägerschicht wirksamen Metalls in einfacher Weise erreicht und andererseits die unerwünschte Beeinflus sung der Form durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizien ten der verschiedenen eingesetzten Materialien oder Materialschichten vermieden werden kann.

Derartige Formgedächtnis-Legierungen haben erkanntermaßen die Eigenschaft, bei einer Änderung der Temperatur eine vorherige Form erneut einzunehmen, was durch eine Umwandlung der Kristallstruktur erreicht wird.

Eine besonders geeignete Legierung weist als Eigenschaften auf, dass bei Ab kühlung unter die Erweichungstemperatur eines zur Herstellung des Verbundes eingesetzten Klebstoffs eine Kontraktion in der Hauptebene erfolgt. Im Anschluss an diese Kontraktion weist die entsprechend legierte metallische Schicht im Be reich der Einsatztemperatur eines derartigen Bauelementes einen solchen thermi schen Ausdehnungskoeffizient auf, der möglichst ähnlich dem Ausdehnungs koeffizient der aktiven Keramik, insbesondere einer eingesetzten Piezokeramik, ist. Darüber hinaus erfolgt keine weitere Formänderung, die durch eine Änderung der Temperatur innerhalb festgelegter Betriebsgrenzen liegt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein mit einer den Shape-Memory-Effekt zeigenden metallischen Trägerschicht versehe ner Verbund eines mehrlagigen, elektrisch ansteuerbaren Bauelementes während der ersten Abkühlung im Zuge des Herstellungsverfahrens stark vorgespannt wird und sich anschließend nach einer weiteren, insbesondere vollständigen Abküh lung sehr ähnlich wie die Keramik verhält.

Durch die Kontraktion der metallischen Trägerschicht entstehen in dieser Zug spannungen, die durch entsprechende Druckspannungen in der Keramikschicht ausgeglichen werden und zu einer Biegung führt, bei der die Keramik an der Au ßenseite des Bauelementes liegt. Da sich unterhalb der Umwandlungstemperatur der den Shape-Memory-Effekt zeigenden metallischen Trägerschicht die beiden Materialien des Bauelementes annähernd gleich in Bezug auf deren thermische Dehnung verhalten, bleibt der so erzeugte Spannungszustand zumindest nahezu unverändert und damit auch die äußere Form des Bauelementes. Grund hierfür ist, dass sich auch bei betriebsbedingt praktisch unvermeidbaren Temperaturän derungen, denen eine solcher Aktor beim Betrieb ausgesetzt ist, die Summe der mechanischen Spannungen innerhalb des Bauelementes zu Null ausgleichen. Ein Ungleichgewicht, das zu einer Biegung oder zu einem Verzug des Bauelementes und damit zu einer Änderung dessen äußerer Form führen würde, ist somit ver mieden.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens bei gleichzei tiger Verwendung einer den Shape-Memory-Effekt zeigenden metallischen Trä gerschicht wird unter Ausnutzung der Vorteile einer vorgespannten Konstruktion sicher vermieden, dass sich der Verbund infolge sich ändernder Umgebungstem peratur ebenfalls verändert und der Aktor bzw. Sensor unerwünschte Bewegun gen ausführt, die nicht durch entsprechende Ansteuerung des Aktors bewußt er zwungen sind.

Die erfindungsgemäße Konstruktion ist sowohl für asymmetrische Wandler mit einer Keramikschicht und einer Metallschicht als auch für symmetrische Wandler mit zwei Keramikschichten auf beiden Oberflächen eines zentralen Metalls als Trägerschicht vorteilhaft. Obwohl ein symmetrischer Aktor oder Wandler prinzipiell keine konstruktionsbedingte Änderung der Form infolge von Temperaturänderun gen zeigt, ändern sich dennoch dessen mechanische Eigenschaften, so dass der Schutzeffekt durch die Druckspannung in der Oberfläche im Extremfall aufgeho ben werden kann. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion ist auch diese uner wünschte Möglichkeit ausgeschlossen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Aktor oder Sensor mit interner Vorspannung, und

Fig. 2 schematisch den Schichtaufbau des Aktors bzw. Sensors zwischen zwei Platten.

Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszei chen versehen.

Dargestellt ist ein piezoelektrischer Aktor oder Biegewandler bzw. Sensor als fla ches, mehrschichtiges Bauelement 1 mit in einem Verbund einer den Shape- Memory-Effekt (SMA) zeigenden Trägerschicht 2 und einer elektrisch aktivierba ren Materialschicht 3 aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material. Eine Klebeschicht 4 verbindet die Trägerschicht 2 und die Keramikschicht 3 miteinan der.

Auf der der Trägerschicht 2 abgewandten Oberseite der Materialschicht 4 ist eine zusätzliche Elektrode 5, bestehend aus einer dünnen Metallfolie, z. B. aus Alumi nium, angebracht (Fig. 2).

Bei der metallischen Trägerschicht 2 handelt es sich somit um ein Material aus bzw. mit einer sogenannten Formgedächtnis-Legierung. Diese metallische Trä gerschicht 2 führt bei einer Temperatur, die unterhalb der Erweichungstemperatur des Klebers der Klebeschicht 4 liegt, eine starke Kontraktion in der von der Trä gerschicht 2 und damit vom Bauelement 1 aufgespannten Ebene aus. Bei be triebsbedingter Umgebungstemperatur weist die metallische Trägerschicht 2 je doch vorteilhafterweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der dem Ausdehnungskoeffizienten der Keramikschicht 3 zumindest ähnlich ist.

Wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, wird der Verbund zum Fügen zwischen zwei im Wesentlichen ebene Platten P1 und P2 gelegt und auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der Klebeschicht 4 erwärmt. Mittels der Platten P1, P2 wird beidseitig des Verbundes orthogonal zu dessen Hauptebene eine Druck kraft F aufgebracht. Unter dieser Druckbeaufschlagung wird der Verbund bis un terhalb der Erweichungstemperatur der Klebeschicht 4 abgekühlt, so dass diese erstarrt und damit eine feste Verbindung zwischen den Schichten 2, 3 des Verbun des bewirkt wird. Im Zuge der weitere Abkühlung des Verbundes erfolgt bei einer legierungsspezifischen Temperatur die kristallografische Umwandlung der metalli schen SMA-Trägerschicht 2.

Die Formgedächtnis-Legierung der metallischen Trägerschicht 2 ist derart ge wählt, dass diese nach der beschriebenen Umwandlung keine weiteren Umwand lungen innerhalb des Bereiches der vorgegebenen Betriebstemperatur des Aktors oder Wandlers 1 zeigt. Handelt es sich bei der Keramikschicht 3 um eine Piezoke ramik, so wird diese nach der Umwandlung durch Anlegen einer elektrischen Spannung polarisiert.

Bezugszeichenliste

1

Bauelement/Verbund

2

Trägerschicht

3

Materialschicht

4

Kleberschicht

5

Elektrode
F Druckkraft
P1, P2 Platte

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines flachen, mehrschichtigen Bauelements (1) zur Verwendung als Aktor oder Sensor, bei dem
ein Verbund aus einer metallischen Trägerschicht (2) und einer Klebe schicht (4) sowie einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht (3) zwi schen zwei im Wesentlichen ebenen Platten (P1, P2) angeordnet und auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Klebers erwärmt wird,
der Verbund (1) mit orthogonal zu dessen Hauptebene wirkendem Druck (F) beaufschlagt wird, und
der Verbund (1) unter Druckbeaufschlagung bis unterhalb der Erwei chungstemperatur des Klebers abgekühlt wird, wobei die metallische Trägerschicht (2) bei unterhalb der Erweichungstemperatur der Klebe schicht liegender Temperatur eine Kontraktion in der Hauptebene aus führt und sich anschließend bei betriebsbedingter Umgebungs temperatur hinsichtlich dessen Ausdehnung zumindest annähernd gleich der elektrisch aktivierbaren Materialschicht (3) verhält.

2. Flaches, mehrschichtiges Bauelement (1) zur Verwendung als Aktor oder Sensor, mit in einem Verbund einer den Shape-Memory-Effekt zeigenden Trägerschicht (2) und einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht (3) aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material.