DE3330538A1

DE3330538A1 - Piezoelektrisches stellglied

Info

Publication number: DE3330538A1
Application number: DE19833330538
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. 8013 Haar Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-08-24
Filing date: 1983-08-24
Publication date: 1985-03-14

Description

Piezoelektrisches Stellglied
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Stellglied, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeb#en ist.
Aus den DE-OS'n 30 40 563.1 und 30 48 631.8 sind Ausführungsformen piezoelektrischer Stellglieder bekannt, die den Aufbau eines Paketes haben, das aus einer Anzahl nebeneinander angeordneten Lamellen aus piezoelektrischer, polarisierter Keramik besteht. Die einzelnen Lamellen liegen mit ihren jeweils großen Seitenflächen dicht aufeinander, wobei sich zwischen einer jeden Lamelle bzw. auf einer jeden der großen Seitenflächen der Lamellen eine Elektrode zur Stromzuführung befindet. Diese Elektroden sind bei vielen Ausführungsformen Oberflächenmetallisierungen der Keramik, denn es kommt darauf an, daß zwischen der Materialoberfläche der Keramik und der Materialoberfläche der Elektrode kein Luftspalt vorhanden ist.
Die Lamellen eines einzelnen Paketes sind mit ihren großen Seitenflächen fest miteinander verbunden, z.B.
durch einen Klebstoff, so daß das ganze Paket des Stellgliedes ein in Längsrichtung lamellierter Stab ist.
Bei einzelnen Ausführungsformen eines solchen Stellgliedes, bestehend aus einem Lamellenpaket, sind Metallblech- bzw. Folienstreifen zwischen die einzelnen Lamellen eingefügt worden, nämlich um eine möglichst gute Stromverteilung über die ganze jeweilige große Seitenfläche der einzelnen Lamelle hinweg zu gewährleisten.
Eine solche Ausführungsform ist jedoch sehr aufwendig und die Metallbleche bzw. -folien sind nicht nur inaktives, sondern auch der gewünschten mechanichen Bewegung entgegenwirkend. Man hat daher für die Stromzuleitung zu den einzelnen Oberflächenmetallisierungen der Lamellen dünne Metallbänder verwendet, die mehr oder weniger auf eine Stelle beschränkt den elektrischen Strom in die jeweilige einzelne Oberflächenmetallisierung hineinleiten. Nachteilig ist dann aber, daß der Strom sich von diesem Ort durch die ganze Oberflächenmetallisierung hindurch bis an die entferntesten Stellen derselben verteilen muß. Dies führt zu örtlich unterschiedlichen Belastungen des Keramikmaterials der einzelnen Lamelle und damit vor allem zu örtlich unterschiedlichen Temperaturverteilungen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen konstruktiven Aufbau anzugeben, der gute Stromverteilung über die Fläche der einzelnen Lamellen hinweg gewährleistet, der aber dennoch ohne großen technologischen Aufwand und für ein Massenprodukt preiswert zu realisieren ist.
Diese Aufgabe wird für ein Stellglied nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung beruht auf der grundsätzlichen Überlegung, daß es eine unentbehrliche Maßnahme für die Lösung der gestellten Aufgabe ist, Oberflächenmetallisierungen der einzelnen großen Seitenflächen der einzelnen Lamellen vorzusehen. Es hat sich weiter gezeigt, daß eine Elektrodenkontaktierung über den ganzen längeren Rand der Lamelle hinweg ein völlig ausreichendes Ergebnis liefert, denn es wurde gefunden, daß alle relevanten Ausführungsformen eines piezoelektrischen Stellgliedes, das aus einem Paket aufeinanderliegender Lamellen besteht, eine vergleichsweise zur Länge der Lamellen und damit zur Länge des Pakets relativ geringe Breite hat.
Eine praktische untere Grenze für das Verhältnis Länge des Pakets zu der Breite desselben bzw. der Breite der einzelnen Lamellen liegt bei etwa dem Wert 5.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor.
Es zeigen: Figur 1 ein Prinzipbild zur Erfindung anhand der Darstellung einer einzigen Lamelle, Figur 2 eine Übersichtsdarstellung eines einzelnen erfindungsgemäßen Stellgliedes und Figur 3 eine Detaildarstellung zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Stellgliedes.
Mit 10 ist eine einzelne Lamelle aus piezoelektrischer Keramik, wie Barriumtitanat oder Bleizirkonat-Titanat bezeichnet. Die in der Figur obere große Seitenfläche dieser Lamelle 10 ist mit 11 bezeichnet. Die seii#ii&ffen Kantenflächen dieser Lamelle sind mit 12 bezeichnet. Mit 14 ist die eine Oberflächenmetallisierung und mit 15 ist die andere Oberflächenmetallisierung dieser Lamelle 10 angegeben, wobei diese Metallisierungen 14 und 15 Elektrode und Gegenelektrode der einzelnen Lamelle 10 sind.
Wie aus der Figur 1 ersichtlich, bedeckt die Metallisierung 14 bis auf einen Randstreifen 16 praktisch die gesamte obere Seitenfläche 14 dieser Lamelle 10. Erfindungswesentlich ist, daß diese Metallisierung 14 sich aber auch über die eine Seitenkante, nämlich über die dem Streifen 16 gegenüberliegende Seitenkante, auch auf die Kantenfläche 12 erstreckt.
Wie dies noch näher ausgeführt wird, erfolgt auf dieser Kantenfläche 12 die äußere Kontaktierung der ganzen Oberflächenmetallisierung 14. Entsprechendes gilt für die Metallisierung 15, die sich auf der Seitenfläche 11 gegenüberliegenden, in der Figur 1 unteren großen Seitenfläche der Lamelle 10 befindet. Auch hier ist wieder ein Streifen 16 freigelassen und es ist -wiederum als erfindungswesentlich- diese Metallisierung 15 über die linke untere Kante auf die in der Figur linke seitliche Kantenfläche 12 herumgezogen.
Die erwähnten Seitenstreifen 16 dienen als elektrische Isolation zwischen den Elektroden 14 und 15, an die im Betrieb unterschiedlich große elektrische Potentiale angechlossen werden, so daß zwischen den Elektroden 14 und 15 das für den Betrieb notwendige elektrische Feld erzeugt werden kann. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß diese Elektroden 14 und 15 auch für die notwendige Polarisation des Materials der Lamelle 10 verwendet werden.
In der Darstellung der Figur 1 ist die jeweilige Metallisierung auf den seitlichen Kantenflächen 12 so weitreichend, daß die jeweilige gesamte Kantenfläche 12 metallisiert ist. Wie aus weiteren Erläuterungen noch hervorgeht, genügt an sich auch eine nur teilweise Metallisierung dieser Kantenflächen 12, jedoch sollte der Metallübergang an der Kante zwischen den Flächen 11 und 12, wie in Figur 1 für die Metallisierung 14 dargegestellt, für die ganze Länge der Kante wenigstens weitgehend lückenlos sein.
Figur 2 zeigt das Lamellenpaket 1, das aus einer Vielzahl der in Figur 1 entsprechender, aufeinanderliegender Lamellen 10 besteht. Die Gesamtheit der Kantenflächen 12 der einzelnen Lamellen 10 bildet zusammen die seitliche Fläche 112. Die große Seitenfläche der einen äußersten Lamelle des Paktes 1 ist in Übereinstimmung mit Figur 1 mit 11 bezeichnet und mit 16 ist auf den Isolationsstreifen hingewiesen. Ein fertiges Stellglied 1 besitzt im allgemeinen einen allseitigen Überzug aus einem Schutzlack oder dgl., der in der Figur 2 nicht dargestellt ist. Mit 21 und 22 sind Stromzuführungsleitungen bezeichnet, von denen die Leitung 21 Kontakt mit den Metallisierungen der einzelnen Seitenflächen 12 der einzelnen Lamellen, d.h. Kontakt mit der Gesamtfläche 112 des Stellglieds 1 hat. Von dieser Fläche 112 aus verteilt sich der zugeführte elektrische Storm in die einzelnen Metallisierungen 14 der einzelnen Oberflächen 11 der einzelnen Lamellen 10 des gesamten Pakets. Die Leitung 22 hat Kontakt mit der der Fläche 112 gegenüberliegenden Fläche des Stellgliedes 1, die in gleicher Weise wie die Fläche 112 ausgebildet ist, und von deren Metallisierung aus entsprechende Stromzuleitung für die Metallisierungen 15 der einzelnen Lamellen gewährleistet ist.
Figur 3 zeigt in einer eine bessere Übersicht gewährenden Darstellung den prinzipiellen Aufbau, und zwar für hier nur drei Lamellen 10. Einzelheiten, die bereits im Zusammenhang mit den vorangehenden Figuren beschrieben worden sind, haben dieselben Bezeichnungen und bedrüfen keiner weiteren Erläuterung.
Aus der Figur 3 ist gut ersichtlich, wie die einzelnen Lc%rellen 10 zueinander angeordnet sind. Diese Lamelle 10 liegen nämlich spiegelbildlich aufeinander, so daß von zwei benachbarten Lamellen 10 jeweils die Metallisierung 14 oder die Metallisierung 15 aufeinanderliegen.
Entsprechend liegen die Isolationsstreifen 16 von benachbarten Lamellen einander gegenüber. Der in der Figur 3 dargestelle Spalt ist beim fertigen Stellglied 1 mit z.B. Klebstoff ausgefüllt, mit dem die Lamellen 10 auf bzw. an ihren großen Seitenflächen miteinander zu einem Paket fest verbunden sind. Dieser Klebstoff ist nicht dargestellt, weil es sich dabei um bereits bekannten Stand der Technik handelt.
Wie ersichtlich sind die Metallisierungen 14 in der Figur 3 nach rechts und die Metallisierungen 15 in der Figur 3 nach links herausgeführt. Die Gesamtheit der seitlichen Kantenflächen 12, die wie in Figur 2 wieder mit 112 bezeichnet ist, besitzt eine Metallisierung, die an den Kanten, wo Metallisierungen 14 aneinanderstoßen, durchgehend ist. Entsprechendes gilt für die gegenüberliegende Seite. Die für die elektrische Kontaktierung notwendigen Isolationsstreifen 16, die einen Kurzschluß zwischen den Metallisierungen 14 und 15 verhindern, werden durch Elektroden 32 bzw. 33 überdeckt. Diese Elektroden 32 und 33 können z.B. wie aus Figur 3 ersichtlich jeweils ein Drahtnetz sein. Ein solches Drahtnetz gibt völlig ausreichende Gesamtkontaktierung über die Fläche 112 hinweg. Andererseits bildet das Drahtnetz 32, 33 für die mechanische Bewegung des Stellgliedes 1 keine Behinderung. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß die Drahtnetze 32, 33 sich noch innerhalb der zur Figur 2 erwähnten (auch in Figur 3 nicht dargestellten) Ummantelung aus z.B. Schutzlack befinden (nur die Anschlußleitungen 21 und 22 für den Anschluß elektrischer Spannung herausragen).
Ein solches Drahtnetz 32, 33 kann an die Metallisierungen 12 angelötet oder auch mittels elektrisch leitfähigen Klebers angeklebt sein.
5 Patentansprüche 3 Figuren - Leerseite -

Claims

Patentansprüche Stellglied, bestehend aus einem Paket mit bezüglich ihrer großen Seitenflächen nebeneinander angeordneten Lamellen aus piezoelektrischer Keramik, wobei die einzelnen Lamellen Oberflächenmetallisierungen als Elektroden auf jeweils beiden großen Seitenflächen haben, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß jede einzelne Oberflächenmetallisierung (14, 15) über jeweils eine Lamellenkante auf die angrenzende seitliche Kantenfläche (12) herumreicht, daß dieser Kante auf der betreffenden großen Seitenflächa-gegenüberliegend ein Isolationsstreifen (16) vorhanden ist, der frei von dieser Metallisierung (14) ist, daß eine dieser Oberflächenmetallisierung (14) entsprechende Oberflächenmetallisierung (15) als Gegenelektrode auf der jeweils gegenüberliegenden großen Seitenfläche der einzelnen Lamelle (10) vorgesehen ist, wobei diese Oberflächenmetallisierung (15) über die diametral gegenüberliegende Längskante der Lamelle (10) auf die gegenüberliegende seitliche Kantenfläche der Lamelle (10) herumreicht, daß die einzelnen mit derartigen Oberflächenmetallisierungen (14, 15) versehenen Lamellen spiegelbildlich derart übereinander angeordnet sind, daß jeweils zwei Oberflächenmetallisierungen (14 bzw. 15) aufeinanderliegen, die zur gleichen seitlichen Kantenfläche (12) als Metallisierung herumreichen, daß sich über die Gesamtseitenfläche (112), die aus den einzelnen seitlichen Kantenflächen (12) der einzelnen Lamellen (10) gebildet ist, jeweils eine Elektrodenverbindung (32, 33) erstreckt, die mit den Anschlußzuleitungen (21 und 22) versehen ist.
2. Stellglied nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, daß die Metallisierungen der einzelnen seitlichen Kantenflächen (12) auf jeweils einer Seitenfläche (112) des Pakets mittels einer Verbindung (32, 33) jeweils elektrisch miteinander verbunden sind.
3. Stellglied nach Anspruch 2, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, daß die jeweilige Verbindung ein Drahtnetz (32, 33) ist.
4. Stellglied nach Anspruch 2 oder 3, g e k e n nz e i c h n e t dadurch, daß die Verbindung (32, 33) angelötet ist.
5. Stellglied nach Anspruch 2 oder 3, g e k e n nz e i c h n e t dadurch, daß die Verbindung (32, 33) mit elektrisch leitfähigem Kleber angeklebt ist.