DE1942769A1

DE1942769A1 - Steuerelement aus piezoelektrischem Material mit einer Sperrschicht

Info

Publication number: DE1942769A1
Application number: DE19691942769
Authority: DE
Inventors: Wulf-Dieter Dipl-Phys Heck
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1969-08-22
Filing date: 1969-08-22
Publication date: 1971-03-04

Description

Steuerelement auf piezoelektrischem Material mit einer Sperrschicht.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuerelement auf piezoelektrischem Material mit einer Sperrschicht, insbesondere aus reduzierter und oberflächlich reoxidierter Keramik.
Es ist bereits ein Steuerelement bekannt (DBP 897 920), bei dem Metalltitanat oder -titanate zu einem flachen rechteckigen keramischen Körper gebrannt und dieser anschliessend in reduzierender Atmosphäre so lange behandelt wird, bis der ganze Keramikkörper halbleitend ist. knschliessend wird die Oberfläche reoxidiert, die beiden Flächenseiten werden mit einer Leiterschicht versehen und dann die Kanten abgeschnitten, so dass allseitig die reduzierte Keramik sichtbar ist. Schliesslich wird die reduzierte, leitende Keramik und die beiden Flächen mit Anschlüssen versehen.
Bei den verwendeten Metalltitanaten handelt es sich um keramische Massen, die in gebranntem Zustand einen elektrostriktiven Effekt zeigen. Das bekannte Steuerelement wird, damit es den erwünschten Effekt zeigt, vorpolarisiert, indem an die mittlere leitende Schicht der eine und an die Flächenelektrode der andere Pol einer geeigneten hohen Polarisationsspannung angelegt wird. Man erhält 80 ein sogenanntes bimorphes Element (vergl. hierzu Electronic Industries, Jan. 1961, Seite 101). Än ein solches Steuerelement dürfen nachher nicht zu hohe Steuerspannungen angelegt werden, da sonst die Vorpolarisation verloren geht.
Mit der vorliegenden Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Steuerelement so aufzubauen, dass es durch zu hohe Steuerspannung nicht zerstört werden kann. Dies bezweckt eine hohe Betriebssicherheit und die Möglichkeit, gegebenenfalls mit höherer Spannung arbeiten zu können.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch rr icht, dass die reoxidierte Schicht nur auf einer Seite metallisiert und mit dem einen Pol der Steuerspasnnung verbunden ist und der zweite Pol iit den reduzierten, leitenden Teil verbunden ist, und dass es nicht vorpolarisiert ist. Hierdurch wird die piesoelektrisoh aktive Sperrschicht, die sich je nach verwendetem Material, relativ gegen den piezoelektrischen inaktiven Grundkörper verschiebt, ausgenutzt. Diese Auslenkung ist unabhängig von der Richtung der angelegten Spannung, es kann daher zweckmässig auch mit Wechselspannung betrieben werden.
Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können mehrere Streifen ziehharmonikaartig zusammengesetzt werden, so dass man grosse Auslenkungen erreicht.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemässes Steuerelement von der Seite im Schnitt, Fig. 2 und 3 ein zusammengesetztes Steuerglied und die Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Steuerelementes und seine Herstellung.
In Fig. 1 ist mit 1 ein reduzierter Träger aus piezoelektrischem keramischem Material, z.3. einem Metalltitannt oder Bleizirkonat oder deren Modifikationen bezeichnet, dessen obere Seite 2 reoxidiert ist. Die beiden Oberflächen sind mit Je einer Metallisierung 3, 4, z.B. einem eingebrannten Silberbelag versehen, die als lnschlusselektrode zum Anschliessen an eine Steuerspannungsquelle USt dienen. Beim Anlegen der Spannung Ust biegt sich der Streifen oder die Platte infolge des oben erwähnten elektrostriktiven Effektes durch. Ein solcher Streifen kann also z.B. als Schaltzunge eines Relais dienen. Zu diesem Zweck wird es beispielsweise einseitig eingepsnnt und das freie Ende ist mit einem Kontakt versehen oder betätigt einen Kontakt.
Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei erfindungsgemässen Steuerelementen 5 und 6, von denen das erstere bei 7 fest eingespannt ist und das zweite mit einem federnden Kontakt 8 zusammenwirken kann. Dadurch wird ein gewünschter Kontaktdrack erreicht, da beim Anlegen der Steuerspannung UST die Steuerglieder sprunghart die gestrichelt gezeichnete Stellung oinndhsen.
Nach Bedarf können auch mehr als zwei erfindungsgemässe Steuerelemente zu einem Steuerglied zusammengefasst werden, wie dies schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Hierdurch wird die Auslenkung des letzten Steuerelement-Endes vervielfacht. Bei einem Zweifachelement betrug z.B. die Auslenkung bei 24 V Steuerspannung und einer aktiven Schichtdicke von 20 - 30 p etwa 0,75 mm.
Bei Verwendung von 0,25 mm der Auslenkung zum Spannen einer Feder erhielt man eine Kontaktdruckkraft von ca. 1 p.
Ein besonders einfaches Herstellungsverfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Steuerelementes zeigten die Figuren 4 bis 6. Dabei zeigt die Fig. 4 einen durch Reduktion leitend gemachten Keramikträger 9. Dieser wird anschliessend allseitig an der Oberfläche reoxidiert, so dass gemäss Fig. 5 ein leitender Kern 9 und eine reoxidierte Schicht 10 vorhanden ist. Anschliessend wird, wie Fig. 6 zeigt, die leitende Schicht 9 an wenigstens einer Stelle freigelegt und kontaktiert und eine Fläche, z.B. die obere, wird mit einer Elektrode 11 versehen. Hierdurch ist beim Anlegen der Steuerspannung USt an den leiteden Träger 9 und die Elektrode 11 nur die zwischen diesen vorhandene Sperrschicht durch die Feldstärke beansprucht und zeigt daher den gewunschten elektrosa;iktiven Effekt, so dass das Steuerelement durchbiegt.
WUrdenhingegen beide Flächen mit einer Elektrode 11 versehen sein, so ergäbe sich nach aussen hin keine Durchbiegung, da die beiden Sperrschichteffekte sich gegenseitig aufheben würden.

Claims

Patentanspruche:

1. Steuerelement aus piezoelektrischem Material mit einer Sperrschicht, insbesondere aus reduzierter und oberflächlich reoxidierter Keramik, dadurch gekennzeichnet dass die reoxidierte Schicht (2) nur auf einer Seite metallisiert und mit dem einen Pol der Steuerspannung (Ust) verbunden ist und der zweite Pol mit dem reduzierten, leitenden Teil (1) verbunden ist, und dass er nicht vorpolarisiert ist.

2. Steuerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass zwei oder mehrere Steuerelemente ziehharmonikaartig gestapelt und an beiden Enden jeweils mit einem anderen Steuerelement elektrisch und/oder mechanisch verbunden sind.

3. Steuerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es als Betätigungselement für einen federnden Kontakt (e) dient.

4. Verfahren zur Herstellung von Steuerelementen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenazeichnet dass eine keramische Masse, die einen piezostriktiven Effekt zeigt, dichtgesintert und anschliessend reduziert wird, bis ein leitender Träger entsteht, dass anschliessend die Oberfläche reoxidiert und die reoxidierte Schicht an wenigstens einer Stelle entfetwird, und dass hierauf der sichtbare leitende Körper und eine Fläche der reoxidierten Schicht mit einer Anschlusselektrode versehen wird.