DE19520796A1

DE19520796A1 - Piezoelektrischer Biegewandler

Info

Publication number: DE19520796A1
Application number: DE19520796A
Authority: DE
Inventors: Christian Stein; Thomas Dipl Phys Moeckl; Michael Dipl Ing Riedel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1996-12-12
Also published as: WO1996041384A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Biege wandler mit einem polarisierbaren, flächigen Piezoplättchen, welches auf eine Trägerschicht aufgebracht ist.

Piezoelektrische Biegewandler werden beispielsweise zur Garn führung in Webstühlen, in Blindenschrift-Lesegeräten und in Videogeräten eingesetzt. Der Aufbau eines piezoelektrischen Biegewandlers ist beispielsweise in der WO 92/02961 offen bart. So umfaßt der Biegewandler eine Graphitfaserschicht, die zwischen zwei beidseitig mit Elektroden versehenen Piezo keramikschichten mit einem Epoxidharz verklebt ist. Die Gra phitfaserschicht besitzt dabei eine größere Länge als die beiden Piezokeramikschichten. Auf dem freien Teil dieser Schicht ist eine Kupferfolie verklebt, und auf dieser Kupfer folie ist eine Fläche zum Anbringen eines Lötkontakts vorge sehen. Auf diese Weise ist das Kontaktieren der innen liegen den Elektroden vergleichsweise einfach. Anstelle der Graphit faserschicht ist es bekannt, als Zwischenschicht, auch Trä gerschicht genannt, metallische Materialien zu verwenden.

Grundsätzlich besteht bei einem solchen piezoelektrischen Biegewandler das Problem, daß der Biegewandler unter Tempera tureinwirkung eine Eigenverbiegung zeigt, die sich störend auf die Funktion des Biegewandlers auswirkt, weil es bei ei ner Vielzahl von Anwendungen nicht zu einem Driften der Null punktlage in Abhängigkeit von der Temperatur des Biegewand lers kommen darf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen pie zoelektrischen Biegewandler anzugeben, der nur eine äußerst geringe oder gar keine Eigenverbiegung unter Temperaturein wirkung aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Biegewandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Material der Trägerschicht einen thermischen Ausdeh nungskoeffizienten von 2 bis 8 × 10^-6 pro Kelvin, vorzugs weise 3,5 bis 5,5 × 10^-6 pro Kelvin, hat.

Auf diese Weise ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Trägerschicht besonders gut an den linearen thermischen Aus dehnungskoeffizienten der gepolten Piezokeramik angepaßt. Auf diese Weise sind auch Dickentoleranzen der Trägerschicht oder des Piezoplättchens bezüglich der thermischen Eigenverbiegung des Biegewandlers von untergeordnetem Stellenwert. Der vor stehend genannte Biegewandler eignet sich besonders als ein lagiger Biegewandler, als sogenannter Unimorph-Bieger.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das Material der Trägerschicht Silizium, Glas oder eine Oxid keramik, vorzugsweise Zirkonoxid oder Aluminiumoxid, sein. Die genannten Materialien sind preiswert und fertigungstech nisch einfach zu handhaben.

Die Kontaktierung von Trägerschicht und/oder der der Träger schicht zugewandten Seite des Piezoplättchens wird in beson ders einfacher Weise durch eine Metallisierungsschicht er zielt. Solche Metallisierungsschichten können in besonders vorteilhafter Weise durch Sputtertechnik aufgebracht werden.

Weiter kann es vorgesehen sein, daß auf beiden Seiten der Trägerschicht ein Piezoplättchen angeordnet ist, wie dies beispielsweise bei Braille-Lesegeräten der Fall ist.

Insbesondere dann, wenn die Trägerschicht eine elektrisch nicht-leitende Schicht ist, wie z. B. eine aus Glas oder Oxidkeramik bestehende Trägerschicht, ist eine Kontaktierung der Piezoplättchen miteinander in besonders vorteilhafter Weise mittels eines um einen Rand der Trägerschicht gelegten Kontakts und/oder mittels einer Bohrung in der Trägerschicht vorgesehen. Auf diese Weise weisen beide der Trägerschicht zugewandten Metallisierungsschichten der Piezoplättchen das selbe elektrische Potential auf.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer, schematischer Darstellung den Aufbau eines piezoelektrischen Biegewandlers;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform zur Kontaktierung der Pie zoplättchen miteinander; und

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform zur Kontaktierung der Piezoplättchen miteinander.

In den Fig. 1 bis 3 gleiche Teile haben gleiche Bezugszei chen. In dem in Fig. 1 schematisch und perspektivisch im Ausschnitt dargestellten piezoelektrischen Biegewandler 2 er kennt man eine Trägerschicht 4 und zwei mit der Trägerschicht 4 verklebte Piezoplättchen 6, 8. Die Piezoplättchen 6, 8 weisen auf der der Trägerschicht 4 zugewandten Seite eine dünne Metallisierungsschicht 10 auf. Die Trägerschicht 4 besteht im Ausführungsbeispiel aus einer etwa 200 µm dicken Siliziumschicht. Das Material der Trägerschicht hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 4 bis 5 × 10^-6 pro Kelvin. Dieser thermische Ausdehnungskoeffizient stimmt damit weitgehend mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Piezoplättchen 6, 8 überein. Die Piezoplät tchen 6, 8 bestehen im Ausführungsbeispiel aus einer Blei- Zirkonat-Titan-Keramik (BZT-Schicht). Diese Schichten haben einen Temperaturgang der üblicherweise zwischen 3 und 7 × 10^-6 pro Kelvin liegt. Die Piezoplättchen 6, 8 weisen im Ausführungsbeispiel eine Dicke von etwa 100 µm auf und besit zen auf der der Trägerschicht 4 zugewandten Seite eine in Sputtertechnik aufgebrachte Metallisierungsschicht 10.

Weil die Ausdehnungskoeffizienten von Trägerschicht 4 und Piezoplättchen 6, 8 weitgehend aufeinander abgestimmt sind, zeigt der piezoelektrische Biegewandler 2 unter Temperatur einwirkung nur eine vernachlässigbare thermische Eigenverbie gung. Der piezoelektrische Biegewandler 2 eignet sich deshalb ganz besonders für Anwendungen, bei denen es auf eine exakte Nullpunktjustierung über einen weiten Temperaturbereich, bei spielsweise von -20°C bis +80°C, ankommt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen in seitlicher Ansicht Ausschnitte von Biegewandlern 12, 14, die prinzipiell wie der piezoelek trische Biegewandler 2 aufgebaut sind. Der piezoelektrischen Biegewandler 12 unterscheidet sich vom Biegewandler 2 da durch, daß eine Trägerschicht 16 aus Glas vorgesehen ist. Um die Piezoplättchen 6, 8 auf dasselbe elektrische Potential zu ziehen, weist die Trägerschicht 16 in ähnlicher Weise wie die Piezoplättchen 6, 8 eine Metallisierungsschicht 10 auf. Diese Metallisierungsschicht 10 ist als um den Rand der Träger schicht 16 gelegter Kontakt ausgestaltet.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 weist der piezoelektri sche Biegewandler 14 eine Trägerschicht 18 auf, die aus einer Oxidkeramik, hier Zirkonoxid, besteht. Ebensogut könnte die Trägerschicht 18 auch aus Aluminiumoxid bestehen. Weil auch Zirkonoxid, ebenso wie Glas, und auch Aluminiumoxid Isolato ren sind, ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 in der Trägerschicht 18 eine Bohrung 20 vorgesehen, die ebenfalls an den Innenwänden die Metallisierungsschicht 10 aufweist. Auf diese Weise ist auch bei dem piezoelektrischen Biegewandler 14 dafür gesorgt, daß die Piezoplättchen 6, 8 auf ihren der Trägerschicht 18 zugewandten Seite dasselbe elektrische Po tential besitzen.

Ebenso wie die Trägerschicht 4 ist mit den Trägerschichten 6, 18 eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Trägerschicht und Piezoplättchen erzielt. Auf diese Weise ist auch die bei den piezoelektrischen Biegewandlern 12, 14 vorkommende thermische Eigenverbiegung in einem weiten Tempe raturbereich vernachlässigbar.

Claims

1. Piezoelektrischer Biegewandler (2, 12, 14) mit einem pola risierbaren, flächigen Piezoplättchen (6, 8), welches auf ei ne Trägerschicht (4, 16, 18) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mate rial der Trägerschicht (4, 16, 18) einen thermischen Ausdeh nungskoeffizienten von 2 bis 8 × 10^-6 K^-1, vorzugsweise 3,5 bis 5,5 × 10^-6 K^-1, hat.

2. Piezoelektrischer Biegewandler (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mate rial der Trägerschicht (4) Silizium ist.

3. Piezoelektrischer Biegewandler (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mate rial der Trägerschicht (16) Glas ist.

4. Piezoelektrischer Biegewandler (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mate rial der Trägerschicht (18) eine Oxidkeramik ist.

5. Piezoelektrischer Biegewandler (14) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mate rial der Trägerschicht (18) Zirkonoxid oder Aluminiumoxid ist.

6. Piezoelektrischer Biegewandler (2, 12, 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trä gerschicht (4, 16, 18) und/oder die der Trägerschicht (4, 16, 18) zugewandte Seite des Piezoplättchens (6, 8) eine Metalli sierungsschicht (10) aufweisen.

7. Piezoelektrischer Biegewandler (4, 12, 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der Trägerschicht (4, 16, 18) ein Piezoplättchen (6, 8) angeordnet ist.

8. Piezoelektrischer Biegewandler (4, 12, 14) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kon taktierung der Piezoplättchen (6, 8) miteinander mittels ei nes um einen Rand der Trägerschicht (16) gelegten Kontakts (10) und/oder mittels einer Bohrung (20) in der Trägerschicht (18) vorgesehen ist.