DE19510250C1 - Magnetostriktiver Aktor - Google Patents

Description

1. Einleitung und Stand der Technik

Die spontane Längen- und Formänderung magnetischer Substanzen in einem die Magnetisierungsrichtung ändernden äußeren Ma­ gnetfeld wird als Magnetostriktion bezeichnet. Diesen Effekt nutzt man insbesondere in sogenannten Aktoren, um elektrische bzw. magnetische Energie in mechanische Energie umzuwandeln (s. beispielsweise /1/). Der magnetostriktive Effekt hängt oft in komplizierter Weise von der Magnetisierungsrichtung,. jedoch nicht von deren Vorzeichen ab. Im Magnetfeld dehnen sich magnetostriktive Materialien nur vergleichsweise wenig. So beobachtet man bei Legierungen mit den Bestandteilen Ei­ sen, Nickel oder Kobald relative Längenänderungen im Bereich von Δl/l ≈ 10^-5 bis 10^-6. Wesentlich stärker ausgeprägt ist der magnetostriktive Effekt bei Seltenerdmetall-Eisenlegie­ rungen, wo man Werte bis zu Δl/l ≈ 3 · 10^-3 mißt.

Besondere Bedeutung für die Herstellung von magnetostriktiven Aktoren hat der Anfang der 60iger Jahre in den Vereinigten Staaten entwickelte und unter der Handelsbezeichnung TERFENOL bekannte Werkstoff Tb_xDy_1-xFe₂ (TERFENOL-D:x = 0,3) erlangt. Auf der Basis dieses durch die in der Tabelle angegebenen

Parameter gekennzeichneten Materials (die entsprechenden Werte der Piezokeramik PXE 52 stehen in Klammern) lassen sich Antriebselemente entwickeln, die bei vergleichbaren me­ chanischen Eigenschaften und Stellwegen ein gegenüber pie­ zokeramischen Aktoren deutliches kleineres Bauvolumen auf­ weisen
Eine auf einem Biegeelement angeordnete magnetostriktive Dünnschicht bildet die aktive Komponente des aus /2/ bekann­ ten elektromechanischen Wandlers. Das die Magnetostriktion hervorrufende äußere Magnetfeld erzeugt eine konventionelle Luftspule oder ein mit den Mitteln der Dickfilmtechnik herge­ stelltes Leiterbahnsystem. Um das Magnetfeld im Bereich des magnetostriktiven Materials zu verstärken, ist die Dünn­ schicht mit einem Weichmagnetischen Material (Fe-Ni-Legie­ rung) ummantelt.

Der einer papierbespannten Walze gegenüberliegende Kopf des aus /3/ bekannten Tintenstrahldruckers weist eine Vielzahl linear angeordneter Düsen auf, welche jeweils mit einer Kam­ mer und einem Vorratsbehälter für das Druckmedium in Verbin­ dung stehen. Düsenplatte, Vorratsbehalter und zwei durch Ab­ standshalter voneinander getrennte Membranen bilden die Kam­ merwände. Die Membranen sind geschichtet aufgebaut, wobei die äußeren Schichten jeweils aus Nickel, die kammerseitigen Schichten jeweils aus einer Fe-Co-Ni-Legierung bestehen. Da diese Materialien sich in einem äußeren Magnetfeld verschie­ den stark dehnen, kann man das Volumen der Kammern durch Be­ stromen entsprechend plazierter Leiterelemente individuell ändern. Als Leiterelemente dienen Metallisierungen aus Kup­ fer, die in einen elektrischen Isolator eingehüllt und auf den äußeren bzw. kammerseitigen Membranflächen angeordnet sind.

Druckschrift /4/ beschreibt einen laminar aufgebauten magne­ tostriktiven Aktor, dessen jeweils nur etwa 80 µm dicke Schichten aus einer amorphen eisenhaltigen Legierung beste­ hen.

Hinsichtlich der Ansprechzeiten sind die mit konventionellen Spulen ausgestatteten magnetostriktiven Antriebs­ elemente den Piezoaktoren deutlich unterlegen. So beträgt die Ansprechzeit von magnetostriktiven Wandlern mindestens 1 ms - 10 ms. Eine Verbesserung des Ansprechverhaltens ist kaum mehr möglich, da das die Magnetostriktion hervorrufende äußere Magnetfeld eine Mindeststärke aufweisen muß, was die kleinst­ mögliche Induktivität der felderzeugenden Zylinderspule und damit auch die nicht unterschreitbare Mindestansprechzeit festlegt.

2. Ziele und Vorteile der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines kompakt aufgebau­ ten magnetostriktiven Aktors, der eine sehr kleine Eigenin­ duktivität besitzt und daher sehr schnell auf elektrische Ansteuersignale anspricht. Der Aktor soll insbesondere auch im Bereich der Mikromechanik als Antrieb für miniaturisierte Ventile, Biegeelemente, Pumpen usw. verwendbar sein. Ein Ak­ tor mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen be­ sitzt diese Eigenschaften. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Aktors.

In bekannten magnetostriktiven Aktoren sind die stellweg- und magnetfelderzeugenden Komponenten sowohl räumlich als auch funktionell voneinander getrennt. Die Erfindung hingegen hebt diese Trennung weitgehend auf, da man die mit elektrischen Anschlüssen versehenen magnetostriktiven Schichten selbst als Spulenelemente verwendet und/oder das Magnetfeld in deren unmittelbarer Nachbarschaft erzeugt. Hierdurch ist es erstmals möglich, das durch den im magnetostriktiven Material fließenden Strom hervorgerufene innere Magnetfeld für ak­ torische Zwecke zu nutzen. Die Ansprechzeit hängt somit nur noch von der Eigeninduktivität der magnetostriktiven bzw. elektrisch leitenden Dünnschichten und nicht mehr von der vergleichsweise großen Induktivität einer das magneto­ striktive Stellglied umschließenden Zylinderspule ab. Erfindungsgemäße Aktoren lassen sich daher überall dort ein­ setzen, wo schnelle Steuervorgänge und Stellbewegungen erfor­ derlich sind.

3. Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu­ tert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen in axialer Richtung stromdurchflossenen magne­ tostriktiven Leiter, das H-Feld innerhalb des Leiters und die Abhängigkeit der Feldstärke vom Abstand r;

Fig. 2 die Gestalt eines runden magnetostriktiven Leiterele­ ments im bestromten und unbestromten Zustand in perspektifi­ scher Ansicht;

Fig. 3 und 4 Biegeelemente, auf deren Zunge jeweils ein ma­ gnetostriktiver Dünnschichtaktor angeordnet ist;

Fig. 5 bis 8 Ausführungsbeispiele magnetostriktiver Dünn­ schichtaktoren;

Fig. 9, 10 Querschnitte von Leiterelementen magnetostrikti­ ver Dünnschichtaktoren;

Fig. 11 ein mit einem magnetostriktiven Dünnschichtaktor ausgestattetes Mikroventil;

Fig. 12 ein mit einem magnetostriktiven Dünnschichtaktor und einem Reflektor ausgestattetes Biegeelement;

Fig. 13, 14 Querschnitte von draht- bzw. rohrförmigen magne­ tostriktiven Leiterelementen;

Fig. 15 durch Falten bzw. Aufrollen eines magnetstriktiven Bandes hergestellte Aktoren.

4. Magnetostriktive Aktoren 4.1 Die Wirkungsweise magnetostriktiver Aktoren

Die Erfindung macht im wesentlichen von der relativ großen elektrischen Leitfähigkeit magnetostriktiver Materialien Ge­ brauch. So läßt sich insbesondere Terfenol als Material für Leiterelemente verwenden, da sein spezifischer elektrischer Widerstand etwa ρ = 60 × 10^-6 Ohm/cm beträgt. Zur Verdeutli­ chung des Wirkprinzips der im folgenden beschriebenen Akto­ ren, zeigt Fig. 1 das magnetische H-Feld im Innern eines in axialer Richtung stromdurchflossenen magnetostriktiven Lei­ ters 11 mit kreisförmigen Querschnitt (Radius: R). Das magne­ tische Feld H steigt zunächst linear mit dem Abstand r gemäß

auf den Maximalwert

an der Leiterbahnoberfläche an, um dann im Außenraum gemäß der Beziehung

abzufallen (I: = Stromstärke, µ₀: = Induktionskonstante). Für die magnetische Induktion B gilt

B(T):= µ₀·µ_r·H (4)

wobei µ_r die relative Permeabilität des Materials im Leiter­ innern bzw. im Außenraum bezeichnet.

Der magnetostriktive Effekt hängt vom verwendeten Material, von dessen Morphologie/Kristallstruktur/Textur und von der Orientierung des magnetischen Feldes ab. Man unterscheidet Materialien mit positiver und negativer Magnetostriktion, wo­ bei der jeweils auftretende Effekt unabhängig ist von der Po­ larität des Magnetfeldes. Von technischer Bedeutung sind vor allem Materialien mit positiver Magnetostriktion, da sie sich in Richtung des anliegenden Magnetfeldes vergleichsweise stark ausdehnen. Falls das in Fig. 2 dargestellte Leiterele­ ment 11 (Durchmesser: d, Länge: l) aus einem solchen Material besteht, wird es bei Bestromung folglich seine lateralen Ab­ messungen (d = d₀ + Δd) und damit seine Querschnittsfläche vergrößern. Nach dem Gesetzen der Elastostatik hat jede Quer­ kontraktion/-Expansion eine entsprechende Änderung der Länge l des Leiterelements zur Folge, wobei die Längenänderung Δl durch

gegeben ist. Typische Werte der in Gleichung (5) mit u be­ zeichneten Querkontraktionszahl liegen im Bereich von 0,2 µ 0,5. In einem beispielsweise aus Terfenol gefertigten Leiterelement 11 treten daher Zugspannungen in Richtung des Stromflusses und senkrecht zur Stromrichtung wirkende Druck­ spannungen auf. Ein entsprechendes Verhalten zeigen Leiter­ elemente, die aus einem einen negativen magnetostriktiven Ef­ fekt zeigenden Material bestehen. Die Zug- und Druckspannung wirken dann allerdings senkrecht zur bzw. in Stromrichtung.

Ordnet man ein magnetostriktives Leiterelement 11 beispiels­ weise auf einer durch anisotropes Atzen einer passivierten Siliziumscheibe 13 hergestellten SiO₂-Biegezunge 14 an (s. Fig. 3, 4), so erfährt die Zunge 14 bei Bestromung des als Aktor wirkenden Leiterelements 11 eine Auslenkung. Die Rich­ tung der Auslenkung hängt hierbei ab von der Richtung des Stromflusses innerhalb des magnetostriktiven Leiterelements 11 bezüglich der Drehachse der Biegezunge 14 und der Anord­ nung des Leiterelements 11 auf der Zungenober- oder -unter­ seite. Magnetostriktive Aktoren zeigen hierbei ein den Bime­ tallelementen bzw. den Bimorphen ähnliches Verhalten.

4.2 Mit magnetostriktiven Dünnschichtaktoren ausgestattete Biegeelemente

Der in Fig. 3 dargestellte Dünnschichtaktor besitzt eine Kontaktierung, die einen senkrecht zur Drehachse der Biege­ zunge 14 orientierten Stromfluß innerhalb des magnetostrikti­ ven Materials erzwingt. Die Zuführung des Stromes I erfolgt über niederohmige, beispielsweise aus Al, Au, Ag, Ti, W oder Cu bestehende und durch die SiO₂-Passivierung vom Silizium­ substrat 13 isolierten Leiterbahnen 15, 16. Im bestromten Zu­ stand entsteht in der magnetostriktiven Dünnschicht 11 die in Pfeilrichtung wirkende Zugspannung σ_Z, so daß sich die mit dem Aktor verbundene SiO₂-Zunge unter der Wirkung des daraus resultierenden Drehmoments nach oben verbiegt. Die gleichzei­ tig auftretende und parallel zur Drehachse der SiO₂-Zunge 14 gewichtete Druckspannung σ_D beeinflußt die Auslenkung hinge­ gen nicht. Sie hat allenfalls eine leichte Verwölbung der SiO₂-Zunge 14 zur Folge. Nach dem Abschalten des Stromes I nimmt der Aktor wieder seine ursprüngliche Gestalt an und die Zunge 14 kehrt unter dem Zwang elastischer Kräfte in ihre Ru­ hestellung zurück.

Der in Fig. 4 dargestellte Dünnschichtaktor lenkt die SiO₂- Zunge 14 nach unten aus, da der Strom I im magnetostriktiven Material auf Grund der Kontaktierung parallel zur Drehachse der SiO₂-Zunge 14 fließt und die entstehende Druckspannung σ_D ein entsprechendes Drehmoment erzeugt. Die gleichzeitig auf­ tretende, parallel zur Drehachse der SiO₂-Zunge 14 orien­ tierte Zugspannung σ_Z trägt hingegen nichts zum gewünschten Effekt bei.

Durch die parallele Anordnung mehrerer gleichartiger magneto­ striktiver Elemente 11 auf der Oberfläche der Biegezunge 14, kann man die wirkende Biegekraft erheblich verstärken. Ent­ sprechende Aktoren sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Aufgrund der mäanderförmigen Struktur des Aktors fließt der Strom I in benachbarten Leiterelementen 11 jeweils in entge­ gengesetzter Richtung. Die Aktoren besitzen daher eine sehr kleine Eigeninduktivität, was sie für schnelle Schaltanwen­ dungen besonders geeignet macht.

Um die vom Dünnschichtaktor gemäß Fig. 5 erzeugten, senk­ recht zur Drehachse 17 der SiO₂-Zunge 14 wirkende Zugspannung gegenüber der gleichzeitig auftretenden, parallel zur Drehachse 17 gerichteten und lediglich eine Verwölbung der Zunge 14 hervorrufenden Druckspannung zu maximieren (vgl. Fig. 3), ist die durch

l_g: = n × l (7)

definierte Länge l_g(n: Anzahl der parallel zu einander orien­ tierten Leiterelemente 11, l: Länge eines in Richtung der Drehachsen normalen gemessenen Leiterelementes 11) sehr viel größer gewählt als die durch

L_g: = n × L « l_g (8)

gegebene Länge L_g (L: Länge des in Richtung der Drehachse 17 gemessenen Leiterelements 11).

Der in Fig. 6 dargestellte Aktor erzeugt ein die SiO₂-Zunge 14 in die Zeichenebene nach unten auslenkendes Drehmoment. Da hier die senkrecht zur Drehachse 17 wirkende Druckspannung möglichst groß, die nicht zum gewünschten Effekt bei tragende Zugspannung hingegen möglichst klein sein soll (vgl. Fig. 4), müssen die oben definierten Längen der Bedingung

L_g = n × L » l_g = n × l (9)

genügen.

Die parallel zur Drehachse 17 der SiO₂-Zunge 14 gerichtete Komponente der mechanischen Spannung läßt sich vollständig unterdrücken, wenn man die diese Komponente erzeugenden Ab­ schnitte 18 des Aktors aus einem nicht magnetostriktiven aber elektrisch leitfähigen Material (z. B. Al . . . ) herstellt (s. Fig. 7, 8). So erzeugt der Aktor gemäß Fig. 7 keine paral­ lel zur Drehachse 17 gerichtete Druckspannung (vgl. Fig. 3, 5), der Aktor gemäß Fig. 8 hingegen keine parallel zur Dreh­ achse 17 wirkende Zugspannung (vgl. Fig. 4, 6).

Wie die in Fig. 9a und 9b gezeigten Schnitte durch ein Lei­ terelement 11 des Aktors zeigen, besteht dieses im einfach­ sten Fall aus einer auf einem Substrat 3 angeordneten bzw. von diesem durch ein Dielektrikum 4 getrennten magnetostrik­ tiven Dünnschicht 1 (Dicke: d ≈ 2 µm, Breite: b ≈ 100 µm). Um die magnetische Induktion in der magnetostriktiven Schicht 1 zu erhöhen und damit die Leistung bzw. den Wirkungsgrad des Aktors zu verbessern, kann man die folgenden Maßnahmen er­ greifen:

• a) Geschichteter Aufbau der Leiterelemente 11 aus magneto­ striktiven und elektrisch gut leitenden Materialien. Die Parallelschaltung der magnetostriktiven und der elektri­ schen Leiter erhöht die Stromtragfähigkeit des Systems er­ heblich, was stärkere Magnetfelder am Ort des magneto­ striktiven Materials ermöglicht. Der Strom fließt dann mit einer von den elektrischen Widerständen der Materialien abhängigen Stärke in den jeweiligen Schichten. Zum magne­ tostriktiven Effekt trägt sowohl das durch den im magneto­ striktiven Material fließenden Strom erzeugte innere Ma­ gnetfeld, als auch das durch den parallel geführten elek­ trischen Leiter hervorgerufene magnetische Streufeld bei. Die Fig. 9c ff. zeigen entsprechende Leiterelemente im Querschnitt.
• b) Aufbauten gemäß a), wobei eine Isolatorschicht den magne­ tostriktiven und den elektrischen Leiter trennt (s. bei­ spielsweise Fig. 9c). Diese Maßnahme ermöglicht es, die Stromstärken im magnetostriktiven und elektrischen Leiter unabhängig voneinander einzustellen, wobei der magneto­ striktive Leiter im Extremfall auch stromlos bleiben kann. In einer äquivalenten Ausführungsform werden der magneto­ striktive und der elektrische Leiter unmittelbar nebenein­ ander auf dem Substrat angeordnet (nicht dargestellt).
• c) Aufbauten gemäß a) und b) mit einem aus einem ferromagne­ tischen Material (z. B. Fe) bestehenden elektrischen Lei­ ter (s. beispielsweise Fig. 9d).
• d) Aufbauten gemäß a) bis c) mit einer zusätzlichen, aus ei­ nem ferromagnetischen Material bestehenden Schicht, die in unmittelbarer Nachbarschaft der magnetostriktiven und der elektrisch leitenden Schicht angeordnet ist (s. beispiels­ weise Fig. 9e bis l).
• e) Aufbauten gemäß a) bis d), wobei ein Isolator die elek­ trisch leitfähige ferromagnetische Schicht von den anderen Schichten trennt (s. beispielsweise Fig. 9h).
• f) Aufbauten gemäß a) bis e) mit einem elektrisch leitfähigen Kern, der von den anderen Materialien umhüllt ist (s. Fig. 10).

Als magnetostriktive Materialien (Bezugszeichen (1) in den Fig. 9, 10, 13 und 14) kommen insbesondere Terfenol, TbFe₂, DyFe₂ bzw. SmFe₂; als metallische Leiter (2) Al, Au, Ag, Ti, W, und Cu; als Substrat (3) Si, SiO₂; als Dielektrikum (4) SiO₂, Si₃N₄₁ Al₂O₃ oder Polyimid und als hochpermeables Mate­ rial (5) beispielsweise Co, Ni oder Fe in Betracht. Als Iso­ latorschicht (4) eignen sich selbstverständlich auch aufla­ minierte Folien, Epoxidharze oder Oxide des magnetostriktiven Materials.

Zur Herstellung der magnetostriktiven Dünnschichten, der elektrischen Leiter und der der Erhöhung der magnetischen In­ duktion dienenden hochpermeablen ferromagnetischen Schichten eignen sich physikalische oder chemische Abscheideprozesse. Zu nennen sind hier beispielsweise das Sputtern, das Aufdamp­ fen, CVD-Verfahren oder die galvanische Schichtabscheidung. Aufgrund der vergleichsweise großen elektrischen und thermi­ schen Leitfähigkeit der meisten magnetostriktiven Materialien kommt insbesondere das verfahrenstechnisch einfache und be­ züglich der Abscheiderate effiziente DC-Magnetronsputtern mit einem Legierungs- oder Mosaiktarget in einer reinen Argonat­ mosphäre zur Anwendung. Die magnetostriktive Dünnschicht kann auch durch das sogenannte Co-Sputtern von mehreren Targets hergestellt werden, wobei der Argon-Sputtergaspartialdruck im Bereich von 0,01 Pa bis etwa 100 Pa, die Target-Sputterflä­ chenleistungsdichte im Bereich von 0,1 bis 100 W/cm² liegen sollte. Die Strukturierung der Dünnschichten erfolgt mittels Lift-off-Technik oder durch Naß- bzw. Trockenätzverfahren.

4.3 Anwendungen magnetostriktiver Dünnschichtaktoren

Das in Fig. 11 im Schnitt gezeigte, durch anisotropes Ätzen einer Si-Scheibe hergestellte Mikroventil besteht im wesent­ lichen aus einer biegsamen SiO₂-Zunge 19, einem auf der Zunge angeordneten Dünnschichtaktor 20 gemäß Fig. 4, 6 oder 8 und einer im Substrat 21 vorhandenen Ventilöffnung 22. Durch Be­ stromen des Aktors 20 kann man die Zunge 19 gesteuert soweit nach unten auslenken, bis diese die Ventilöffnung 22 ver­ schließt. Um das Ventil zu öffnen, wird der Stromfluß unter­ brochen und damit das die Magnetostriktion hervorrufende Ma­ gnetfeld innerhalb einer von der Eigeninduktivität des Aktors 20 abhängigen Zeit abgebaut. Mit dem Verschwinden der Magne­ tostriktion nimmt der Aktor 20 wieder seine ursprüngliche Ge­ stalt an und die Zunge 19 hebt von der Ventilöffnung 22 ab.

Die SiO₂-Zunge 23 des in Fig. 12 dargestellten Biegeelements trägt sowohl einen magnetostriktiven Dünnschichtaktor 24 ge­ mäß Fig. 4, 6 oder 8 als auch einen mit 25 bezeichneten Re­ flektor. Mit Hilfe des Aktors 24 kann die Zunge 23 nach unten gebogen und damit die Winkelstellung des Reflektors 25 bezüg­ lich einer nicht gezeigten Lichtquelle geändert werden. Ein Array solcher Biegeelemente ließe sich beispielsweise in op­ tischen Kommunikationssystemen einsetzen, um Laserlichtim­ pulse gezielt in bestimmte, durch das jeweilige Ansteuersi­ gnal des Aktors 20 vorgegebene Richtungen abzulenken. Eine Verwendung als steuerbares Spiegelelement für flache Bild­ schirme kommt ebenfalls in Betracht.

4.4 Leiterelemente mit kreis- oder ringförmigen Querschnitt

Bisher wurde davon ausgegangen, daß die Leiterelemente 11 des Aktors in Form von gegebenenfalls mäanderförmig strukturier­ ten Dünnschichten vorliegen. Es ist selbstverständlich auch möglich, das Leiterelement 11 als Band, Draht oder Rohr aus­ zubilden, wobei für die Abfolge und Anordnung der magneto­ striktiven, der elektrisch gut leitenden und der ferromagne­ tischen Schichten wieder die in Abschnitt 4.2 unter a) bis f) genannten Regeln zur Anwendung kommen. Querschnitte durch entsprechend aufgebaute draht- und rohrförmige Leiterelemente sind in den Fig. 13 und 14 dargestellt. Aktoren gemäß Fig. 14 können insbesondere als druckerzeugende Elemente Ver­ wendung finden. Befestigt man einen solchen Aktor beispiels­ weise auf einem flüssigkeitsgefüllten Rohr und steuert ihn impulsförmig an, so ändert sich der Rohrdurchmesser schlag­ artig. Als Folge davon entstehen in der Flüssigkeit zwei Druckwellen, die in entgegengesetzte Richtungen laufen.

4.5 Kompakt aufgebaute Aktoren

Ausgehend von einem ein- oder beidseitig mit einem Isolator 26 versehenen magnetostriktiven Band 27 lassen sich durch einfaches Aufrollen oder Falten und nachfolgendem Verkleben ebenfalls sehr kompakte Aktoren herstellen (s. Fig. 15). Ein ringförmiger Aktor entsteht, wenn man das beschichtete Band auf einen zylindrischen Körper aufrollt. Die nach Art einer Spule aufgebauten Aktoren besitzen einen sehr hohen Wir­ kungsgrad, da sie besonders starke Magnetfelder erzeugen.

4.6 Ausgestaltungen und Weiterbildungen magnetostriktiver Ak­ toren

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele. So kann die Aktorform den jeweiligen Gegebenheiten angepaßt und die Homogenität des Magnetfeldes und der magnetischen Induktion im magnetostrik­ tiven Material durch die spezifische, im allgemeinen paral­ lele Ausrichtung der elektrisch leitenden, der magnetostrik­ tiven und der ferromagnetischen Schichten, durch Geometrie und Material (Permeabilität µ) der Schichten, durch geeignete Stromdichte und Stromdichteverteilungen in diesen Schichten (Querschnittsfläche, spezifischer elektrischer Widerstand) durch die Abfolge der Schichten sowie der Art der elektrischen Ansteuerung (gepulste Stromzuführung) optimiert werden. Weiterhin ist es möglich, magnetostriktive Leiterele­ mente kreis- oder spiralförmig auf einer Oberfläche, insbe­ sondere auf einer Membran anzuordnen. Derartige Systeme kann man als Schallerzeuger, als Pumpe oder als Einrichtung zum Verschließen einer Ventilöffnung verwenden.

Mehrere, einzeln ansteuerbare und konzentrisch auf einer Oberfläche angeordnete magnetostriktive Leiterelemente können ein sogenanntes Phased-Array bilden, das Ultraschall in einer durch die Phasenlage der Ansteuersignale vorgegebenen Richtung abstrahlt. Derartige Systeme sind in der Medizin­ technik (Nieren-/Blasensteinzertrümmerung) und im Bereich der bildgebenden Ultraschalldiagnostik von großer Bedeutung.

5. Literatur

/1/ H. Janocha (Herausgeber); Aktoren: Grundlagen und Anwendungen; Springer Verlag 1992; Seiten 278 bis 293
/2/ DE 42 20 226 A1
/3/ US 4 032 929
/4/ US 4 757 219

Claims (13)

1. Aktor mit einem elektrische Anschlüsse und mindestens ein Leiterelement (11) aufweisenden elektromechanischen Wandler, wobei

• a) das Leiterelement (11) aus einem magnetostriktiven Materi­ al (1) besteht oder
• b) das Leiterelement (11) geschichtet aufgebaut ist und min­ destens eine erste Schicht (1) aus einem magnetostriktiven Material besteht.

2. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leiterelemente (11) parallel zueinander angeord­ net und in Reihe geschaltet sind.

3. Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine aus einem elektrisch leitenden, nicht magne­ tostriktiven Material (2) bestehendes Element (18) benach­ barte Leiterelemente (11) miteinander verbindet.

4. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler in Form eines Mäanders ausgebildet und auf einem elektrisch nichtleitenden Körper (3, 13) angeordnet ist.

5. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler und ein stromführendes Element (2) derart auf einem elektrisch nichtleitenden Körper (3, 13) angeordnet sind, daß ein vom stromführenden Element (2) erzeugtes Magnetfeld das magnetostriktive Material (1) durchsetzt.

6. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine zweite Schicht des Leiterelements (11) aus einem elektrisch leitenden Material (2) und/oder minde­ stens eine dritte Schicht aus einem hochpermeablen Material (5) besteht.

7. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, 10 daß die einzelnen schichten durch Dielektrika (4) voneinander getrennt sind.

8. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterelement (11) eine durch magnetostriktives Material (1) - hochpermeabeles Material (5) - Dielektrikum (4) - elektrisch leitendes Material (2) gegebene erste Schichtenfolge oder eine durch Permutation der ersten Schichtenfolge entstehende zweite Schichtenfolge auf­ weist.

9. Aktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abfolge der Schichten mehrfach wiederholt.

10. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive erste Schicht (1), die hochpermeable dritte Schicht (5) oder eine dielektrische vierte Schicht (4) die elektrisch leitende zweite Schicht (2) vollständig um­ hüllt.

11. Aktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterelement (11) einen quadratischen, rechteck-, kreis- oder ringförmigen Querschnitt besitzt.

12. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterelement als Draht, Band, rohrförmiger Körper oder Hohlkörper ausgeführt ist.

13. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterelement (27) auf einem flexiblen Isolator (26) angeordnet und zu einem zylinderförmigen Körper, einen Hohlzylinder oder einem kompakten Körper gefaltet ist.