DE3150696A1

DE3150696A1 - Kontaktierung eines stapels aus piezoelektrischen plaettchen

Info

Publication number: DE3150696A1
Application number: DE19813150696
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ing.(Grad.) 7016 Gerlingen Heck
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1981-12-21
Filing date: 1981-12-21
Publication date: 1983-06-30

Description

Kontaktierung eines Stapels aus
piezoelektrischen Plättchen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stapel aus mehreren übereinander angeordneten permanent polarisierten piezoelektrischen Plättchen für das Erzeugen von Abstandsänderungen durch Anlegen einer Spannung, wobei einander zugekehrte Elektrodenbeläge zweier benachbarter Plättchen mit dem gleichen Pol der Spannungsquelle verbunden sind,und die Plättchen abwechselnd gegensinnig polarisiert sind,und wobei die Spannungsquelle über flächige Kontakte angeschlossen wird, die die zwei benachbarten Plättchen gemeinsame Fläche voll überdecken.
Eine derartige Anordnung ist in dem Zeitschriftenartikel von A.A. Mills u. A.W. Hurst A piezokeramic fine-movement control" in J. Phys. E:: Sci.Instrum., #ol. 14, 1981, Seiten 295 f., beschrieben. Sie wird verwendet, um für Meßzwecke definierte Abstandsänderungen im Nanometer-Bereich zu erreichen. Zwischengelegte Stahilättchen dienen der Kontaktierung.
Solche Stapel werden auch dazu verwendet, um Ventile zu betätigen, da sie in der Lage sind, in sehr kurzer Zeit große Drücke bei kleinem Hub zu entwickeln. Hier kann jedoch nicht der bei Meßgeräten angemessene Aufwand getrieben werden. Insbesondere sind einfache Kontaktierungsmöglichkeiten erforderlich. In einem Artikel der Firma Philips Eindhoven, dessen deutsche Übersetzung ~PXE-Ventile mit schneller Ansprechzeit" 1977 in der Zeitschrift: ~Feinwerktechnik & Meßtechnik11,Band 85, Heft 7, Seiten 337 bis 339, erschienen ist, wird eine Anordnung gezeigt, bei der zwei Kupferbänder in Zick-Zack-Form gefaltet zwischen die zu kontaktierenden Plättchen eingelegt werden. Im Handel sind Anordnungen erhältlich, bei denen einzelne Drähtchen eingelegt sind. Beide Kontaktierungsmöglichkeiten sind wohl einfach aufgebaut, aber nicht leicht automatisch herzustellen. Außerdem haben sie den wesentlichen Nachteil, daß der hohe aufzubringende Druck nicht auf der vollen Fläche übertragen wird, obwohl die Querschnittsfläche des Stabes ... durch die geforderte Festigkeit und mechanische Stabilität vorgeschrieben" wird (Zitat aus oOgO Übersetzung).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stapel so zu gestalten, daß er#zum einen einschließlich der Kontaktierung leicht herzustellen ist und zum andern die Druckübertragung auf einer möglichst großen Fläche erfolgt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jedes zweite Plättchen so aus dem Stapel hervorragt, daß die Elektrodenbeläge zum Teil freiliegen und damit selbst die flächigen Kontakte bilden, an denen die Zuführungen zur Spannungsquelle leicht angebracht werden können.
An den Enden des Stapels sind üblicherweise Abschlußplatten angebracht. Diese können ebenfalls zum Anschluß der Spannungsquelle herangezogen werden.
Der Anschluß kann dadurch erfolgen, daß zur Verbindung parallel zu schaltender Kontakte Leiterplatten verwendet werden, die Aussparungen für die aus dem Stapel hervorragenden Plättchen und gegebenenfalls für Ansätze der Abschlußplatten aufweisen, wobei die Leiterplatten Leiterbahnen tragen, die an den Rändern der Aussparungen an die Elektrodenbeläge der Plättchen bzw. Ansätze der Abschlußplatten angelötet werden.
Zweckmäßigerweise bildet man die Anordnung so aus, daß die aus dem Stapel hervorragenden Plättchen sowie etwaige Ansätze der Abschlußplatten alle an derselben Seite aus dem Stapel hervorragen und so mit einer einzigen ebenen Leiterplatte verbunden werden können.
Der erreichbare Hub ist zum einen abhängig von der Beschaffenheit und Anzahl der~plättchen, zum andern aber von der maximal anlegbaren Spannung. Ein weiterer Teil der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht deshalb darin, eine Möglichkeit zu finden, bei der möglichst große Kontaktabstände erreichbar sind, so daß eine möglichst große Spannung angelegt werden kann, wenn ein großer Hub erreicht werden soll.
Dieser Teil der Aufgabe wird dadurch gelöst, daß für solche Fälle die zur Kontaktierung verwendeten Plättchen abwechselnd nach zwei gegenüberliegenden Seiten aus dem Stapel hervorragen und daß die jeweils dazwischenliegenden Plättchen nach keiner dieser zwei Seiten hervorragen.
Die Anschlüsse können dann so erfolgen, daß an den beiden gegenüberliegenden Seiten, an denen Plättchen hervorragen, je eine Leiterplatte verwendet wird.
Die Montage wird erschwert, wenn auf die Richtung der vorhandenen permanenten Polarisation der einzelnen Plättchen geachtet werden muß. Dies läßt sich umgehen, wenn der Stapel aus zunächst noch nicht permanent polarisierten Plättchen aufgebaut wird und die Polarisation erst nach der Montage erfolgt Dies hat auch den Vorteil, daß höhere Temperaturen; die während der Montage, etwa beim Verlöten, auftreten, ohne Einfluß auf die spätere permanente Polarisation sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert.
Fig 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Stapel. Die Abschlußplatten sind der Übersichtlichkeit wegen weggelassen.
Fig. 2 zeigt im Schnitt zwei Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Stapel.
Fig. 3 zeigt als Ausführungsbeispiel die Aufsicht auf eine als sogenannte gedruckte Schaltung ausgeführte Leiterplatte für die Stapel nach Fig. 2.
Fig. 4 zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel für einen Stapel zum Anschluß an eine höhere Spannung.
Fig. 5 zeigt als Ausführungsbeispiel die Aufsicht auf die als sogenannte gedruckte Schaltung ausgeführte Leiterplatte für den Stapel nach Fig. 4.
Fig. 1 zeigt als vereinfachtes Beispiel einen aus fünf rechteckigen Plättchen (6, 7) bestehenden Stapel. Es werden Plättchen in zwei verschiedenen Größen im Wechsel verwendet. Die Dicke aller Plättchen ist gleich, ebenso deren Breite. Die Länge jedoch ist unterschiedlich, so daß sich längere (6) und kürzere (7) Plättchen abwechseln.
Dadurch ragt jedes zweite Plättchen an einer Seite aus dem Stapel hervor. Die Plättchen tragen an den einander zugewandten Seiten Elektrodenbeläge (8), die sich berühren und somit Kontakt miteinander herstellen, wobei die Elektrodenbeläge der längeren Plättchen (6) teilweise freiliegen. Eine an den Stapel angesetzte Leiterplatte (9) mit Ausschnitten (12) trägt zwei Leiterbahnen (10), die mit den freiliegenden Teilen der Elektrodenbeläge der längeren Plättchen (6) durch (nicht darqestellte)#Lötbrücken verbunden werden.
Durch diese Anordnung ist die Feldstärke an den kürzeren Plättchen (7) gleich groß, aber entgegengesetzt zu der an den längeren Plättchen (6). Da aber auch die permanente Polarisation der Plättchen abwechselnd gegensinnig ist, kann erreicht werden, daß die Feldstärke überall in Richtung der permanenten Polarisation liegt, so daß sich alle Plättchen gleichzeitig ausdehnen können. Es hat sich gezeigt, daß die Anordnung ausreichend elastisch ist, um die (sehr geringen) Hübe zuzulassen.
Fig. 2a zeigt den Schnitt durch eine ähnliche Anordnung, wobei jetzt die Abschlußplatten (11) mitgezeichnet sind.
Eine dieser Abschlußplatten trägt einen Ansatz, dessen Form hier so gewählt ist, wie der über den Stapel hervorragende Teil der längeren Plättchen (6). Hier ist auch die Richtung der permanenten Polarisation P der einzelnen Plättchen eingezeichnet.
Für die Fertigung kann es unerwünscht sein, verschieden große Plättchen verwenden zu müssen. Man kann aber, wie in Fig. 2b gezeigt, auch gleich große Plättchen verwenden, die im Wechsel gegeneinander versetzt sind. Die an der Gegenseite freiliegenden Elektrodenbeläge werden dabei nicht benötigt.
Fig. 3 zeigt eine sogenannte gedruckte Schaltung mit Aussparungen (12), mit der ein Stapel nach Fig. 2 angeschlossen werden kann. Hier ist auch zu sehen, daß durch die zwischen die Plättchen geführten Leiterbahnen der Abstand zweier Spannung führender Teile geringer wird als die Plättchendicke (Kreis). Dadurch wird die höchstzulässige Spannung herabgesetzt.
In der Anordnung nach Fig. 4 mit den Leiterplatten (9a,b) entsprechend Fig. 5 wird abwechselnd von der einen und von der anderen Seite kontaktiert. Beide Leiterplatten werden parallelgeschaltet.
Dadurch wird der Mindestabstand zweier Spannung führender Teile auf die Plättchendicke erhöht.
Auch hier ist der Einsatz gleich großer Plättchen möglich, wenn die nicht der Kontaktierung dienenden Plättchen quer zu diesen aus dem Stapel hervorragen.
Die abwechselnd gegensinnige permanente Polarisation der Einzelplättchen kann auch nach der Montage des Stapels erreicht werden. Dies geschieht etwa in einem ölbad, in das der fertig montierte Stapel eingelegt wird. Bei einer Temperatur von ungefähr 220°C wird an die äußeren Anschlüsse eine Spannung angelegt, bei der die Feldstärke an den Plättchen in der Gegend von 2 kV/mm liegt. Durch die Art der Verschaltung ist sichergestellt, daß die Richtung der Feldstärke von Plättchen zu Plättchen wechselt. Die angelegte Feldstärke führt zu einer Polarisation, die nach dem Abkühlen auch beim Abschalten der Spannung erhalten bleibt.
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Claims

Patentansprüche 1. Stapel aus mehreren übereinander angeordneten permanent polarisierten piezoelektrischen Plättchen für das Erzeugen von Abstandsänderungen durch Anlegen einer Spannung, wobei die einander zugekehrten Elektrodenbelägezweier benachbarter Plättchen mit dem gleichen Pol der Spannungsquelle verbunden sind, und die Plättchen abwechselnd gegensinnig polarisiert sind, und wobei die Spannungsquelle über flächige Kontakte angeschlossen wird, die die zwei benachbarten Plättchen gemeinsame Fläche voll überdecken, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jedes zweite Plättchen so aus dem Stapel hervorragt, daß die Elektrodenbeläge zum Teil freiliegen und damit selbst die flächigen Kontakte bilden.
2. Stapel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zur Kontaktierung verwendeten Plättchen abwechselnd nach zwei gegenüberliegenden Seiten aus dem Stapel hervorragen und daß die dazwischenliegenden Plättchen nach keiner dieser zwei Seiten hervorragen.
3. Stapel nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an den Enden des Stapels angebrachte Abschlußplatten ebenfalls zum Anschluß der Spannungsquelle herangezogen werden.
4. Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Verbindung parallel zu schaltender Kontakte Leiterplatten verwendet werden, die Aussparungen für die aus dem Stapel hervorragenden Plättchen und gegebenenfalls für Ansätze der Abschlußplatten aufweisen, wobei die Leiterplatten Leiterbahnen tragen, die an den Rändern der Aussparungen an die Elektrodenbeläge der Plättchen bzw. Ansätze der Abschlußplatten angelötet werden.
5. Stapel nach einem der Ansprüche 1 oder 3 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die aus dem Stapel hervorragenden Plättchen sowie etwaige Ansätze der Abschlußplatten alle an derselben Seite aus dem Stapel hervorragen und mit einer einzigen ebenen Leiterplatte verbunden werden.
6. Stapel nach den Ansprüchen 2 und 4., d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an den beiden gegenüberliegenden Seiten, an denen PLättchen zur Kontaktierung hervorragen, je eine Leiterplatte verwendet wird.
7 Verfahren zum Herstellen eines Stapels nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Stapel aus zunächst noch nicht permament polarisierten Plättchen aufgebaut wird und die Polarisation erst nach der Montage erfolgt.