DE19638507C1

DE19638507C1 - Piezoelektrischer Aktor mit veränderbarer Steifigkeit

Info

Publication number: DE19638507C1
Application number: DE19638507A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dr Gesemann; Andreas Dr Schoenecker; Lutz Dr Seffner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2016-09-21

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Elektrotechnik, Elektronik und der Keramik und betrifft einen piezoelektrischen Aktor mit veränderbarer Steifigkeit, wie er z. B. als Stellelement zur Anwendung kommen kann.

Piezoelektrische Aktoren werden für die verschiedensten Einsatzzwecke konstruiert. Die meisten Forderungen zielen auf eine große Dehnung bei kleiner Betriebsspannung und auf eine hohe Steifigkeit hin. Diese soll auch den Aktor befähigen, größere Kräfte aufzubringen. Zu den bekannten Aktortypen gehören Stapelaktoren (montiert und monolithisch) Kontraktoren und Moonie-Aktoren.

Stapelaktoren (Jendritza, J. u. a., Technischer Einsatz neuer Aktoren, Expert-Verlag, Bd 484, 1995, S. 167-174) bestehen aus einer Vielzahl von gestapelten Einzelschichten aus dem Werkstoff PZT, die mechanisch in Reihe und elektrisch parallel geschalten sind. Die Feldstärke wird in Richtung der Polung angelegt (2 kV/mm) und der Betrieb erfolgt in Richtung der Dehnung. Die erreichbare Dehnung liegt bei etwa 1,2 ‰ der Höhenabmessung des Stapels. Es können Stellkräfte bis 30 kN aufgebracht werden.

Bei Kontraktoren (Jendritza, J. u. a., Technischer Einsatz neuer Aktoren, Expert-Verlag, Bd 484, 1995, S. 167-174) wird der Quereffekt genutzt. Kontraktoren sind oft als Stabaktoren ausgelegt, meistens mit mehreren Schichten übereinander. Die erreichbare Kontraktion liegt bei 0,4 ‰ der Stablänge, die Kontraktionskräfte liegen je nach Schichtzahl des Stabes bei bis zu etwa 5 kN. In Ausnahmefällen kann der Kontraktor auch als Scheibe oder Ring ausgebildet sein.

Die Auslenkungen der genannten Aktoren sind relativ klein, was einen Nachteil für viele Einsatzzwecke bedeutet. Dagegen sind die Stellkräfte ausreichend groß.

Große Auslenkungen bringt dagegen das Moonie-Element (US 4 999 819), wobei die Stellkräfte im Gegensatz zu den genannten Aktoren relativ gering sind.

Das Moonie-Element (Jendritza, J. u. a., Technischer Einsatz neuer Aktoren, Expert-Verlag, Bd 484,1995, S. 203) besteht aus einem Kontraktor, auf dem zwei metallische Scheiben oben und unten montiert sind. Wenn sich der Kontraktor zusammenzieht, werden die metallischen Scheiben in entgegengesetzte Richtungen verbogen, d. h. "ausgebeult". Setzt man mehrere Einzelelemente übereinander kann man beträchtlich Auslenkungen erzielen, die bis zu 1% der Abmessungen betragen können. Dies aufgesetzten metallischen Scheiben oder "Kappen" können bei Durchbiegung keine größeren Kräfte aufnehmen. Typische Stellkräfte liegen bei 4 N.

Aus dem Stand der Technik geht hervor, daß es wünschenswert wäre, die große Auslenkung des Moonie-Elementes mit höherer Steifigkeit und mit der Aufnahme von höheren Stellkräften von Kontraktoren zu verbinden. Gelänge dies, dann wäre das Element bei Arbeit gegen große Stellkräfte wirkungsvoll versteift und würde seine großen Auslenkungen behalten.

Weiterhin bekannt ist aus DE 40 33 091 eine elektrostriktive Struktur, bei der die elektrostriktiven Fasern in einer elektrisch leitenden Matrix oder in einer nichtleitenden mit elektrisch leitenden Fasern durchwirkten Matrix eingebettet sind. Diese Struktur soll es ermöglichen, eine gezielte Beeinflussung und Steuerbarkeit des elastischen Verhaltens von Bauteilen zu erreichen.

Aus der DE 36 15 930 ist auch eine Vorrichtung zur Einstellung der Lage eines Spiegels bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind Piezoscheiben in konischen Elementen angeordnet, deren eines mit einem Spiegel in Kontakt liegt. An die Piezoscheiben sind Elektroden angeführt. Ein Anlegen einer Spannung bewirkt eine Kontraktion des Scheibendurchmessers unter Formänderung der konischen Elemente und Bewegen des Spiegels. Die konischen Elemente sorgen für eine mechanische Verstärkung.

Ebenfalls ist ein piezoelektrischer Aktor nach JP 1-245571 A (Abstract) bekannt. Bei diesem Aktor werden unterschiedliche Aktorelemente verwendet, die parallel geschaltet sind. Durch die Kombination von d₃₃-Aktoren (Dickendehnung) mit d₃₁-Aktoren (Kontraktor) wird eine Verstärkung der Auslenkung erreicht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen piezoelektrischen Aktor mit veränderbarer Steifigkeit anzugeben, der eine Dehnung von etwa 1% seiner Dicke bei 200 V aufweist und eine großflächige Auslenkung ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß besteht ein piezoelektrischer Aktor mit veränderbarer Steifigkeit aus einem oder mehreren nebeneinander oder übereinander angeordneten Einzelelementen. Das Einzelelement wiederum besteht aus einem Vielschicht-Kontraktor mit wechselseitig elektrisch parallel geschalteten inneren Elektroden, bei dem auf der Ober- und Unterseite jeweils eine Platte aus Al₂O₃ angebracht ist, die zumindest am äußern Rand mit dem Vielschicht-Kontraktor kraftschlüssig verbunden sind. Diese Al₂O₃-Platten sind weiterhin auf der Seite zu dem Vielschicht-Kontraktor hin ganz oder teilweise mit einer PZT-Dickschicht beschichtet, die mit Elektroden versehen sind.

Vorteilhafterweise weist bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktor der Vielschicht-Kontraktor eine ringförmige, scheibenförmige, stabförmige oder quadratische Form auf.

Weiterhin vorteilhafterweise weisen die Al₂O₃-Platten die gleichen Abmessungen von Länge und Breite auf, wie die Ober- und Unterseite des Vielschicht-Kontraktors.

Die Wirkungsweise eines derartigen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors mit veränderbarer Steifigkeit ist folgende.

Beim Anlegen einer Spannung U₁ an die Elektroden des Vielschicht-Kontraktors wird eine Kontraktion des Elementes in Querrichtung erreicht. Dadurch werden die Al₂O₃-Platten auf der Ober- und Unterseite des Kontraktors in jeweils entgegengesetzte Richtungen verbogen. Diese erfolgt analog der Arbeitsweise eines Moonie-Elementes.

Wird nun eine Spannung U₂ an die Elektroden der PZT-Dickschichten angelegt, so zieht sich die jeweilige PZT-Dickschicht zusammen und es wird eine Verbiegung der Al₂O₃-Platten erreicht, die die Verbiegung der Al₂O₃-Platten durch den Kontraktor verstärkt.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß gegenüber den vergleichbaren Moonie-Elementen nach dem Stand der Technik viel größere Stellkräfte auf den erfindungsgemäßen Aktor aufgebracht werden können.

Beim Einsatz des piezoelektrischen Aktors wird auf diesen eine äußere Kraft als Stellkraft ausgeübt. Sollen große Stellkräfte ausgeübt werden, kommt es, entsprechend dem Moonie-Element nach dem Stand der Technik, zu einer Verringerung der durch den Kontraktor hervorgerufenen "Ausbeulung" der Al₂O₃-Platten.

Diesem Mechanismus kann bei dem erfindungsgemäßen Aktor entgegengewirkt werden.

Bei der Ausübung von großen Stellkräften wird an die Elektroden der PZT-Dickschicht eine Spannung U₂ angelegt und damit ein Zusammenziehen der PZT-Dickschicht erreicht. Dies hat zur Folge, daß die Verbiegung der Al₂O₃-Platten verstärkt wird und damit größere Stellkräfte aufgenommen werden können.

Weiterhin kann die Steifigkeit des Aktors gegenüber beispielsweise wechselnden Stellkräften erhöht und/oder bei stetiger Zunahme der Stellkräfte verändert und entsprechend angepaßt werden.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein piezoelektrischen Aktor mit veränderbarer Steifigkeit angegeben, der eine Dehnung von etwa 1% seiner Dicke bei 200 V aufweist und eine großflächige Auslenkung ermöglicht.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Aktors

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Aktors mit einer Verschaltung.

1. Herstellung eines ringförmigen Vielschicht-Kontraktors 1

Der ringförmige Vielschicht-Kontraktor 3 wird über die bekannten MLC-Technologien aus einem niedrig sinterndem Weich-PZT (Zusammensetzung nach DE 41 27 829) hergestellt. Aus den Ausgangsstoffen wird ein Schlicker hergestellt, aus dem 80 µm dicke Folien gegossen werden. Auf diese Folien werden Elektroden 4 aus Ag/Pd (70/30) gedruckt. Nach dem Laminieren und Ausschneiden werden die Vielschicht-Elemente 3 bei 1050°C 2 h gesintert und anschließend außen kontaktiert.

Der gesinterte und kontaktierte Vielschicht-Kontraktor 3 besitzt 20 Schichten und hat einen Durchmesser von 40 mm und eine Gesamtdicke von 2 mm.

Beim Anlegen einer Spannung von 160 V zeigt er eine Kontraktion von 16 µm in Querrichtung.

2. Herstellung der beschichteten Al₂O₃-Platten 1

Auf zwei Al₂O₃-Platten 1 von 40 mm Durchmesser und 0,4 mm Dicke wird entsprechend DE 44 16 245 eine PZT-Dickschicht 2 von etwa 120 µm Dicke aufgebracht.

Vor dem Aufbringen der PZT-Schicht 2 werden die Al₂O₃-Platten 1 mit Pt-Paste beschichtet und diese Paste bei 1200°C eingebrannt. Anschließend wird die PZT-Dickschicht 2 aufgerakelt und bei 950°C 5 h eingebrannt. Eine Deckelektrode aus Poliersilber wird aufgebracht und bei 850°C gesintert.

Bei der Prüfung diese beschichteten Al₂O₃-Platten 1 bei 200 V sind folgende Werte ermittelt worden:

- DK bei 25°C und 1 kHz: 1400
- tan δ: < 5%
- Durchbiegung mit 200 V: 16 µm
- Belastung ohne Dehnungsrückführung: < 1 kP

3. Herstellung des Aktors

Die beiden beschichteten Al₂O₃-Platten 1 werden auf den ringförmigen Vielschicht-Kontraktor 3 montiert. Dabei erfolgt eine kraftschlüssige Verbindung jeweils nur am äußeren Rand des Vielschicht-Kontraktors 3 mit den Platten 1 durch Kleben. Anschließend erfolgt die Verschaltung des Vielschicht-Kontraktors 3 elektrisch, wobei die Schichten elektrisch parallel geschaltet werden, und an diese Schichten eine Spannung U₁ angelegt werden kann. Danach erfolgt die Verschaltung der PZT-Dickschichten 2, so daß an diese eine Spannung U₂ angelegt werden kann.

Über einem derart hergestellten und verschalteten Einzelelement wird ein weiteres, nach dem beschriebenen Verfahren hergestelltes Einzelelement, angeordnet und diese beiden Elemente werden elektrisch zusammengeschaltet. Die Zusammenschaltung erfolgt so, daß beim Anlegen einer Spannung U₁ jeweils die beiden Vielschicht-Kontraktoren 3 und beim Anlegen einer Spannung U₂ jeweils die PZT-Schichten 2 angesteuert werden.

Ein derartiges Doppelelement hat folgende Werte:

- Durchmesser: 40 mm
- Höhe: 3,2 mm
- Auslenkung bei U₁ = 200 V und U₂ = 0 V: 46 µm und Belastung ohne Rückgang der Verbiegung = < 10 N
- Auslenkung bei U₁ = 0 V und U₂ = 200 V: 15 µm und Belastung ohne Rückgang der Verbiegung = < 30 N
- Auslenkung bei U₁ = 200 V und U₂ = 200 V: 46 µm und Belastung ohne Rückgang der Verbiegung = < 30 N

Claims

1. Piezoelektrischer Aktor mit veränderbarer Steifigkeit bestehend aus einem oder mehreren nebeneinander oder übereinander angeordneten Einzelelementen, wobei das Einzelelement aus einem Vielschicht-Kontraktor (3) mit wechselseitig elektrisch parallel geschalteten inneren Elektroden (4) besteht, bei dem auf der Ober- und Unterseite jeweils eine Platte (1) aus Al₂O₃ angebracht ist, die zumindest am ihren äußeren Rändern mit dem Vielschicht-Kontraktor (3) kraftschlüssig verbunden sind und wobei diese Al₂O₃-Platten (1) auf der Seite zu dem Vielschicht-Kontraktor (3) hin ganz oder teilweise mit einer PZT-Dickschicht (2) beschichtet sind und diese PZT-Dickschichten (2) mit Elektroden versehen sind.

2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, bei dem der Vielschicht-Kontraktor (3) eine ringförmige, scheibenförmige, stabförmige oder quadratische Form aufweist.

3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, bei dem die Al₂O₃-Platten (1) die gleichen Abmessungen von Länge und Breite aufweisen, wie die Ober- und Unterseite des Vielschicht-Kontraktors (3).