DE19704389C2

DE19704389C2 - Aktor aus Einzelelementen

Info

Publication number: DE19704389C2
Application number: DE19704389A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dr Gesemann; Andreas Dr Schoenecker
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2017-02-07
Also published as: DE19704389A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft einen Aktor aus Einzelelementen aus einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material, wie er z. B. als Biegeelement mit hoher Auslenkung bei großer Blockierkraft eingesetzt werden kann.

Aktoren aus piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materialien werden zahlreich in der Technik angewandt und führen im wesentlichen Stellwege aus. Für die verschiedensten Anwendungsfälle werden konkrete Aktoren hergestellt. Bei alle diesen verschiedenen bekannten Aktortypen aus piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materialien müssen Kompromisse z. B. hinsichtlich Größe des Stellweges, Steifigkeit (Blockierkraft), Preis, Zuverlässigkeit eingegangen werden.

Bekannt sind Aktoren nach US 4,812,698, bei denen eine piezoelektrisches Element auf ein Substrat aufgebracht ist, wobei das piezoelektrische Element aus mehreren hundert Schichten mit dazwischenliegenden Elektroden zusammengesetzt ist. Die Schichtung erfolgt in Dickenrichtung der Schichten und ihre Anordnung ist derart, daß ihre Dehnung in Längsrichtung ausgenutzt wird.

Eine besonders große Auslenkung erreicht der sogenannte Benderaktor der Fa. HCT, Lauf (Prospekt "Benderaktor", 1996). Diese Benderaktor wird aus einem Stapelaktor hergestellt. Dazu wird ein Stapelaktor (beispielsweise mit ca. 570 Schichten), der in Richtung seiner Längsachse eine besonders große Auslenkung hat, längs, d. h. quer zu den Schichten des Stapelaktors, in ca. 1 mm dicke Scheiben geschnitten. Jeweils eine dieser Scheiben wird danach längs auf ein Al₂O₃-Substrat aufgeklebt und bildet damit eine Stapelsäule, die über die Längsseiten elektrisch angeschlossen wird. Beim Anlegen der Spannung dehnt sich diese Säule und führt durch die feste Verklebung mit der Unterlage zu einer Verbiegung des Substrates. Die Deformation ist ca. dreimal so groß, wie bei einem herkömmlichen Kontraktor nach dem Stand der Technik, wodurch damit auch die Verbiegung des Substrates entsprechend groß wird.

Diese große Auslenkung entsteht folgendermaßen. Bei dem Stapelaktor wird eine sehr große Auslenkung in Richtung seiner Längsachse erreicht, weil die Dehnung S₃ der einzelnen Schichten in ihrer Dicke (damit in Richtung der Längsachse des Stapelaktors) wesentlich größer ist, als die Kontraktion in Querrichtung S₁. Die große Deformation der Säule verbiegt den Träger stark.

Ein wesentlicher Mangel dieses Benderaktors und auch der anderen bekannten Aktoren, die eine derart große Auslenkung erreichen, besteht aber in seiner relativ geringen Lebensdauer. Durch die starke Verbiegung wird die quer aufgeklebte lange und dünne Stapelsäule stark deformiert und es kommt relativ schnell zu unkontrollierbaren Rissen im Laminat, die letztendlich nach relativ kurzer Zeit zur Zerstörung dieses Benderaktors führen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Aktoren besteht in ihrer komplizierten Herstellung und dem damit verbundenen hohen Preis. Diese beiden Nachteile zusammengenommen, kurze Lebensdauer und hoher Preis, geben diesem Bauteil wohl nur eine Chance für eine Anwendung bei der statischen Verstellung mit wenigen Zyklen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Aktor aus Einzelelementen aus einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material anzugeben, der eine vergleichsweise große Auslenkung aufweist, und darüber hinaus eine längere Lebensdauer hat und auf einfache Weise preisgünstiger herstellbar ist.

Die Aufgabe wird durch einen Aktor aus Einzelelementen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Vorteile des Benderaktors nach dem Stand der Technik ausgenutzt und seine Nachteile beseitigt. Es wird kein Gesamtlaminat verwendet sondern ein Bauteil aus Einzelelementen mit dazwischenliegenden "Dehnungslücken".

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der gefundenen Erkenntnis, daß Stapelaktoren mit geringer Stapelhöhe hintereinander aufgebracht, sozusagen "in Reihe geschalten", die Unterlage ebenfalls stark verbiegen, wie bei dem Benderaktor. Die geringe Verbiegung, die ein Einzelelement ausübt, wird durch die Hintereinanderaufreihung summiert und führt damit zu vergleichbaren Ergebnissen in Bezug auf die Auslenkung, wie beim Benderaktor.

Die erfindungsgemäße Lösung hat jedoch wesentliche Vorteile gegenüber dem Benderaktor. Bei der Verbiegung des fertigen erfindungsgemäßen Aktors bilden die Abstände zwischen den Einzelelementen und auch die nicht festen Verbindungen der Einzelelemente untereinander kleine Dehnungslücken. Diese Dehnungslücken, die sich bei der Rückführung des erfindungsgemäßen Aktors in die Ausgangslage, wieder zurückbilden, bilden für das gesamte Bauelement eine "Sollbruchstelle". Dadurch wird das Einzelelement bei der Verbiegung in Abhängigkeit von seiner Stapelhöhe in sich nur wenig oder gar nicht verbogen, wodurch kaum ein unkontrollierter Laminatbruch oder eine unkontrollierte Rißbildung auftritt und daß Einzelelement hat somit eine wesentlich höhere Lebensdauer. Diese sich bildenden Dehnungslücken und auch mögliche Abstände zwischen den Einzelelementen haben keinen oder nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Höhe der Verbiegung. Somit wird für den erfindungsgemäßen Aktor eine wesentlich höhere Lebensdauer erreicht, als bei dem Benderaktor nach dem Stand der Technik.

Weiterhin ist der erfindungsgemäße Aktor wesentlich einfacher herstellbar, als der Benderaktor und ist insgesamt auch wesentlich preisgünstiger. Für den erfindungsgemäßen Aktor können Stapelaktoren mit geringer Stapelhöhe verwendet werden, die ohne weiteres nach dem Verfahren zur Herstellung von MLC- Kondensatoren hergestellt werden können. Dieses Verfahren ist in der Technik eingeführt und die Stapelaktoren können damit in großer Stückzahl und zu einem geringen Preis produziert werden.

Derartige Stapelaktoren können danach mittels ebenfalls in der Elektronikindustrie bekannten und eingeführten Apparaten ausgerichtet und in einer Reihe angeordnet werden. Eine Reihe dieser Stapelaktoren mit einem beliebigen oder keinem Abstand zwischen ihnen kann danach beispielsweise mit einer Klebfolie fixiert und auf ein Al₂O₃-Substrat aufgeklebt und über die bereits vorhandenen elektrischen Anschlüsse miteinander verschaltet werden.

Durch die erfindungsgemäßen Aktoren werden die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekte der eingesetzten Materialien ausgenutzt.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1 den Aufbau des erfindungsgemäßen Aktors.

Beispiel

Aus einem bekannten Elektrostriktions-Werkstoff Pb[Fe_1/2Nb_1/2]O₃ - Pb[Fe_2/3W_1/3]O₃ - Pb[Ni_1/3Nb_2/3}O₃ + PbSnO₃ werden auf einer Vielschichtkondensatorlinie Stapelaktoren 2 der Größe 0805 hergestellt. Die Schichtdicke der einzelnen Schichten beträgt 15 µm und die Anzahl der Schichten im Stapelaktor 2 beträgt 45. Die Herstellung des Stapelaktors 2 erfolgt in allen Teilschritten nach dem bekannten Verfahren zur Herstellung von MLC-Kondensatoren. Bei der anschließenden automatischen Prüfung jedes einzelnen Stapelaktors 2 weist jeder beim Anlegen einer Spannung von 100 V eine Dehnung von 1 µm auf.

18 derartiger Stapelaktoren 2 werden quer zu ihrem Schichtaufbau und hintereinander längs zu ihrem Schichtaufbau auf eine Klebefolie gesetzt und damit fixiert und dann auf ein vorgefertigtes Al₂O₃-Stäbchen 1 mit den Abmessungen 20 × 5 × 0,3 mm³ aufgeklebt. Auf dem Al₂O₃-Stäbchen 1 sind zwei Leiterbahnen 4 (Parallelschaltung) aufgebracht, die jeweils mit den kontaktierten Kanten 5 der Stapelaktoren 2 in Berührung gebracht und mit Anschlüssen 3 versehen werden, wodurch eine elektrische Verschaltung aller Stapelaktoren 2 erfolgt ist.

Nach dem Messen der Auslenkung des erfindungsgemäßen elektrostriktiven Aktors mit einem Laserinterferometer sind die in der Tabelle 1 angegebenen Werte ermittelt worden:

Bei einem Vergleich mit dem Benderaktor nach dem Stand der Technik muß eine Normierung der Werte vorgenommen werden, da beide Bauelemente durch unterschiedliche Länge (quadratischer Einfluß) und unterschiedliche Werkstoffe nicht unmittelbar vergleichbar sind.

Tabelle 1

Hinsichtlich der Auslenkung werden gleich große oder insbesondere im unteren Spannungsbereich verbesserte Werfe erreicht. Beim Dauerbetrieb des erfindungsgemäßen Aktors konnten keine Risse oder Beschädigungen festgestellt werden.

Bezugszeichenliste

1

Substrat

2

Einzelelement, Stapelaktor

3

Anschlüsse

4

Leiterbahn

5

Kontaktierung der Einzelelemente

Claims

1. Aktor aus elektrisch angeschlossenen Einzelelementen, aus piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materialien, bei dem die Einzelelemente (2) aus Stapelaktoren aus mindestens zwei Schichten bestehen und mindestens zwei Einzelelemente (2) quer zu ihren. Schichten und hintereinander parallel zu ihren Schichten auf ein Substrat (1) aufgebracht und mit dem Substrat (1) fest verbunden sind, wobei die mindestens zwei Einzelelemente (2) nicht fest miteinander verbunden sind.

2. Aktor nach Anspruch 1, bei dem die Stapelaktoren (2) bis 200 Schichten aufweisen.

3. Aktor nach Anspruch 2, bei dem die Stapelaktoren (2) 40 bis 60 Schichten aufweisen.

4. Aktor nach Anspruch 1, bei dem 10 bis 20 Einzelelemente (2) hintereinander auf ein Substrat (1) aufgebracht sind.

5. Aktor nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente (2) auf ein Al₂O₃-Substrat (1) aufgeklebt sind.

6. Aktor nach Anspruch 1, bei dem zwischen den Einzelelementen (2) ein Abstand besteht.

7. Aktor nach Anspruch 6, bei dem zwischen den Einzelelementen (2) ein Abstand von maximal der Länge eines Einzelelementes (2) besteht.

8. Aktor nach Anspruch 1, bei dem zwischen den Einzelelementen (2) kein Abstand besteht.

9. Aktor nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente (2) über die Längsseiten elektrisch angeschlossen sind.

10. Aktor nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente (2) in Gruppen mit getrennter Ansteuerung eingeteilt sind.