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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Antrieb, der
an der Endspitze eines Balkens eine große Verschiebung und
eine große Kraft erzeugen kann.
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Die Fig. 3 und 6 zeigen herkömmliche piezoelektrische-
Antriebe.
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Die Ausführungsbeispiele geinäß den Fig. 3 bis 6 sind aus
Ceramic Material for Electronics, S. 202 - 205 (herausgegeben
von R. C. Buchanan) bekannt. Die Ausführungsbeispiele geinäß
den Fig. 1 bis 3 sind aus Proc. at the 33rd Annual National
Relay Conference, Oklahoma (1985), S. 7 - 1, bekannt. Die
Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 5 und 6 sind aus
Proceedings of the sixth international meeting on
ferroelectricity, Kobe 1985, JJAP 24 (1985), Supplement 24-2, S. 457
- 459, bekannt. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist aus
JJAP 24 (1985), Supplement 24-2, g 485 - 487 und US-P-
4,593,160 bekannt.
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Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines laminierten
piezoelektrischen Antriebs mit Längseffekt, wobei die
Bezugszahl 1 die Gesamtstruktur des laminierten
piezeoelektrischen Elements mit Längseffekt (nachfolgend einfach als
piezoelektrisches Element 1 bezeichnet) kennzeichnet, die
Zahl 2 eine piezoelektrische Keramikfolie bezeichnet, die
Zahl 3 eine Elektrode bezeichnet und die Zahl 4 eine
Spannungsquelle bezeichnet, durch die mittels der Elektrode 3
ein elektrisches Feld E an jede piezoelektrische
Keramikfolie 2 angelegt wird. Das Symbol P bezeichnet die
Polarisationsrichtung
jeder piezoeiektrischen Keramikfolie. Ein
Pfeil A kennzeichnet die Kontraktionsrichtung einer
piezoelektrischen Keramikfolie 2 beim Anlegen des elektrischen
Felds E und ein Pfeil B kennzeichnet die Expansionsrichtung
der piezoelektrischen Keramikfolie 2.
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So besteht das piezoelektrische Element 1 aus mehreren
hundert piezoelektrischen Keramikfolien 2 mit jeweils einer
Dicke von 50 bis 100 um, die in Richtung ihrer Dicke
aufeinanderlaminiert sind und so konzipiert sind, daß der
Längseffekt verwendet wird, wobei sich das gesamte Element in
Längsrichtung ausdehnt, wenn das elektrische Feld E in
derselben Richtung wie der Polarisationsrichtungp angelegt
wird.
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Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines
piezoelektrischen Antriebs mit Transversaleffekt, der als solcher vom
Unimorphtyp bezeichnet wird. In dieser Figur kennzeichnen
dieselben Bezugssymbole wie in Fig. 3 dieselben Elemente und
die Bezugszahl 5 kennzeichnet ein piezoelektrisches Element
mit Transversaleffekt (nachfolgend einfach als
piezoelektrisches Element 5 bezeichnet), die Zahl 6 bezeichnet eine
piezoelektrische Keramikfolie und die Zahl 11 ist eine
Biegemetallplatte, die mit einer Seite der piezoelektrischen
Keramikfolie 6 verbunden ist, wobei die oben genannte
Eiektrode 3 dazwischen liegt.
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So besteht das piezoelektrische Element 5 aus einer
piezoelektrischen Keramikfolie 6 mit einer Dicke von 100 bis 500
um und einer Metallplatte 11, die mit einer Seite derselben
verbunden ist, und es ist von einem Typ, der sich durch den
Transversaleffekt in der Richtung eines Pfeils C verbiebt,
wobei es in Dickenrichtung expandiert, wenn ein elektrisches
Feld E in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung P
der piezoelektrischen Keramikfolie 6 angelegt wird.
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Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines
piezoelektrischen Antriebs mit Transversaleffekt, wie als Bimorph
bezeichnet. In dieser Figur kennzeichnen dieselben
Bezugssymbole wie in Fig. 4 dieselben Elemente und die Bezugszahlen
6A und 6B kennzeichnen piezoelektrische Keramikfolien, die
Zahl 8 kennzeichnet ein piezoelektrisches Element mit
Transversaleffekt (nachfolgend einfach als piezoelektrisches
Element 8 bezeichnet) und die Zahl 9 ist eine
Befestigungseinrichtung zum Befestigen des piezoelektrischen Elements 8.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das piezoelektrische
Element 8 aus den piezoelektrischen Keramikfolien 6A und 6B
mit jeweils einer Dicke von 100 bis 500 um, die direkt oder
mit einer dazwischenliegenden mittleren
Elektrode-Metallfolie zum Erleichtern des Herausführens einer Elektrode
miteinander verbunden sind, und es ist von einem Typ, der sich
in Richtung eines Pfeils C verbiegt, wenn ein elektrisches
Feld E in der Richtung entgegengesetzter
Polarisationsrichtung P an die piezoelektrische Keramikfolie 6A angelegt wird
und in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung P an
die andere piezoelektrische Keramikfolie 6B.
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Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines laminierten
piezoelektrischen Antriebs mit Transversaleffekt, wie als
Multimorphtyp bezeichnet. In dieser Figur kennzeichnen
dieselben Bezugssymbole wie in Fig. 5 dieselben Elemente und
die Bezugszahl 10 kennzeichnet ein laminiertes
piezoelektrisches Element mit Transversaleffekt vom Multimorphtyp
(nachfolgend einfach als Piezoelektrisches Element 10
bezeichnet).
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So weist das Piezoelektrische Element 10 eine Struktur auf,
bei der mehrere, jeweils zwei im dargestellten Fall,
piezoelektrische Keramikfolien 6A und 6B, wie sie im in Fig. 5
dargestellten piezoelektrischen Element mit
Transversaleffekt
verwendet werden, aufeinanderlaminiert sind, und es ist
von einem Typ, der sich in Richtung eines Pfeils P verbiegt,
wenn an ein piezoelektrisches Element 6A' im oberen Teil
über dem Zentrum des piezoelektrischen Elements 10 in der
Richtung entgegengesetzter Polarisationsrichtung P ein
elektrisches Feld E angelegt wird, und an ein piezoelektrisches
Element 6B' im unteren Teil in derselben Richtung wie der
Polarisationsrichtung P angelegt wird.
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Der herkömmliche laminierte piezoelektrische Antrieb mit
Längseffekt, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, weist die
Schwierigkeit auf, daß die Verschiebung δ an der Endspitze
eines Balkens sehr klein ist, in der Größenordnung von
einigen 10 um oder weniger, obwohl die erzeugte Kraft E bis zu
einigen GPa (einige 100 kg/mm²) betragen kann.
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Andererseits wird der in Fig. 4 dargestellte
piezoelektrische Antrieb vom Unimorphtyp im allgemeinen als Oszillator
einen piezoelektrischen Summer verwendet und die Technik zum
Konzipieren eines solchen Oszillators ist derzeit beinahe
vollständig erstellt. Jedoch wurde für Anwendungen, bei
denen keine Schwingung verwendet wird, wie im Fall eines
Antriebs oder dann, wenn ein Antrieb mit niedriger Frequenz
erfolgt, keine Konstruktion dahingehend offenbart, daß die
Dicken des piezoelektrischen Elements und des
Biegestützteils dahingehend optimiert werden, daß an der Endspitze
eines Balkens gleichzeitig eine große Verschiebung und eine
große Kraft erzeugt werden.
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Der piezoelektrische Antrieb vom Bimorphtyp mit
Doppelschichtstruktur (ohne Zwischenfolie) wie in Fig. 5
dargestellt, wird im allgemeinen dadurch hergestellt, daß ein
Paar piezoelektrische Keramikfolien aus demselben Material
und mit derselben Größe (und Dicke) miteinander verbunden
werden. Auch in diesem Fall ist kein Erzeugnis offenbart,
das dazu in der Lage ist, gleichzeitig eine große
Verschiebung und eine große Kraft an der Endspitze eines Balkens zu
erzeugen.
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D.h., daß die piezoelektrischen Antriebe mit
Transversaleffekt, wie sie in den Fig. 4 bis 6 dargestellt sind, im
Biegemodus hinsichtlich der Verschiebung an der Endspitze eines
Balkens im Vergleich zum Fall bei piezoelektrischem Antrieb
mit Längseffekt überlegen sind, wobei die Verschiebung δ an
der Endspitze eines Balkens bis zu einigen 100 um beträgt,
jedoch ist die Zwangskraft umgekehrt sehr klein, mit einer
Größenordnung von 10&supmin;² 10&supmin;¹ N (einige wenige gf bis einige
zehn gf). Im Fall piezoelektrischen Antriebs vom
Transversaleffekt kann die Zwangskraft entweder durch Erhöhen der
Dicke der piezoelektrischen Keramikfolie 6 oder durch
Verringern der Länge des piezoelektrischen Elements erhöht
werden. Jedoch besteht eine Schwierigkeit dahingehend, daß
die Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens umgekehrt
proportional zur Dicke ist und proportional zum Quadrat der
Länge eines piezoelektrischen Elements abnimmt.
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Genauer gesagt, sind die Beziehungen für die Verschiebung δ
an der Endspitze eines Balkens und für die erzeugte
Zwangskraft F für einen Bimorph durch die folgenden Gleichungen
repräsentiert:
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δ = (31² d&sub3;&sub1; E)/4t (1)
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F = (3bt² Y d&sub3;&sub1; E)/21 (2),
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mit: l: wirksame Länge der piezoelektrischen Keramikfolie,
d&sub3;&sub1;: piezoelektrischer Spannungskoeffizient, e: elektrische
Feldstärke, t: Dicke pro Schicht, b: Breite der
piezoelektrischen Keramikfolie 6 und Y: Young'scher Modul. Für die
angelegte Spannung gilt V = Et.
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Was den in Fig. 6 dargestellten Multimorphtyp betrifft, sind
die entsprechenden Beziehungen durch die folgenden
Gleichungen
wiedergegeben:
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δ = (31² d&sub3;&sub1; E)/(4 N t) (3)
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F = (3b N² t² d&sub3;&sub1; E)/21 (4),
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mit: N: Anzahl laminierter Paare, wobei die anderen Symbole
dieselben wie in den Gleichungen (1) und (2) sind.
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So ist es möglich, die Verschiebung δ an der Endspitze eines
Balkens und die erzeugte Zwangskraft F gleichzeitig dadurch
zu erhöhen, daß ein Material mit großem piezoelektrischem
Spannungskoeffizienten (d&sub3;&sub1;, d&sub3;&sub3;) verwendet wird oder das
angelegte elektrische Feld erhöht wird.
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Jedoch ist es sehr schwierig, ein neues Material mit hohem
piezoelektrischem Spannungskoeffizient (d&sub3;&sub1;, d&sub3;&sub3;)
aufzufinden, da dieser Gesichtspunkt bisher bereits intensiv
untersucht wurde.
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Der Bimorphtyp wurde erdacht, da unter den piezoelektrischen
Antrieben mit Transversaleffekt durch den Unimorphtyp, wie
er in Fig. 4 dargestellt ist, keine angemessene Verschiebung
δ an der Endspitze eines Balkens und keine angemessene
Zwangskraft F erhalten wurden.
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Jedoch ist es im Fall eines Bimorphs erforderlich, daß
elektrische Feld E in der Richtung entgegengesetzt zur
Polarisationsrichtung P anzulegen und die Stärke des elektrischen
Felds E ist auf ein Niveau beschränkt, bei dem keine
Depolarisation auftritt. D.h., daß bei einem Bimorph das
anwendbare elektrische Feld E höchstens die Größenordnung von nur
0,5 MV/m (500 V/mm) aufweist, während das zulässige
elektrische Feld, das in derselben Richtung wie die
Polarisationsrichtung P angelegt werden darf, auf dem Niveau von 1 bis 2
MV/m (kV/mm) liegt (d.h. dem Niveau des elektrischen Felds
E, bei dem kein dielektrischer Durchbruch stattfindet). Aus
diesem Grund ist es selbst bei einem Bimorph schwierig,
gleichzeitig eine ausreichend große Verschiebung δ an der
Endspitze eines Balkens und eine ausreichende erzeugte
Zwangskraft F zu erzielen, obwohl die Verschiebung an der
Endspitze eines Balkens und die erzeugte Zwangskraft, wie
sie dabei erzielbar sind, größer sind als diejenigen, die
beim Unimorphtyp erzielbar sind.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die vorstehend genannten
Schwierigkeiten zu überwinden und einen piezoelektrischen
Antrieb zu schaffen, der dazu in der Lage ist, gleichzeitig
eine große Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und
eine große Kraft dadurch zu erzeugen, daß es möglich ist, an
ein piezoelektrisches Keramikelement ein elektrisches Feld
hoher Stärke anzulegen, wobei es möglich ist, die für einen
solchen Zweck erforderliche Stärke des elektrischen Felds zu
verringern oder zu minimieren.
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Die Erfindung schafft einen piezoelektrischen Antrieb mit
einem laminierten piezoelektrischen Element mit Längseffekt,
das aus in Richtung ihrer Dicke aufeinanderlaminierten
piezoelektrischen Keramikfolien und einem Halteteil besteht,
das an einer Seite in Längsrichtung des Elements befestigt
ist und sich biegen kann und die Expansion des Elements
begrenzen kann.
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Es ist ein piezoelektrischer Antrieb bevorzugt, bei dem das
Malteteil mit einer dazwischenliegenden Schicht am
piezoelektrischen Element mit Längseffekt befestigt ist, wenn
mindestens eine Oberfläche des Halteelements elektrisch
leitend ist.
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Nun wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die
beigefügten Ausführungsbeispiele beschrieben.
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In den beigefügten Zeichnungen ist folgendes dargestellt:
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines
Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen
Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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Fig. 3 bis 6 zeigen herkömmliche piezoelektrische Antriebe,
d.h., Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines
laminierten piezoelektrischen Antriebs mit Längseffekt und die
Fig. 4, 5 und 6 sind perspektivische Ansichten
piezoelektrischer Antrieb mit Transversaleffekt vom Unimorphtyp, vom
Bimorphtyp bzw. vom Multimorphtyp;
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Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Stärke eines
angelegten elektrischen Felds und dem Young'schen Modul von
Halteteilen bei Beispielen der Erfindung;
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Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Stärke eines
angelegten Felds und der Verschiebung an der Endspitze eines
Balkens, wie für den Antrieb vom Unimorphtyp beim Beispiel 6
gemessen;
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Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Verschiebung an der
Endspitze eines Balkens und der erzeugten Kraft, wie für den
Antrieb vom Unimorphtyp gemäß dem Beispiel 6 gemessen; und
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Fig. 10 veranschaulicht einen Aufbau, bei dem zwei Elemente
vom Unimorphtyp kombiniert sind, um den Vorderendbereich
horizontal zu gestalten.
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Beim erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antrieb aus einer
nichtpiezoelektrischen Biegeplatte, die die Expansion oder
Kontraktion eines laminierten piezoelektrischen Elements vom
Längseffekt begrenzen kann, oder ein Halteteil aus einem
piezoelektrischen Element vom Transversaleffekt, das sich in
der Richtung entgegengesetzt zur Expansionsrichtung des
laminierten piezoelektrischen Elements mit Längseffekt
zusammenziehen kann, an einer Seite in Längsrichtung des
laminierten piezoelektrischen Elements mit Längseffekt
befestigt, das aus in Richtung ihrer Dicke
aufeinanderlaminierten piezoelektrischen Keramikfolien besteht. Im Fall eines
Antriebs vom Unimorphtyp ist es bevorzugt, daß der
Young'sche Modul des Halteteils mindestens das 2,5-fache des
Young'schen Moduls des piezoelektrischen Elements ist, die
Dicke t&sub2; des piezoelektrischen Elements innerhalb eines
Bereichs von 100 um ≤ t&sub2; ≤ 5.000 um liegt und das Verhältnis
t&sub2;/t&sub1; mindestens 1,6 beträgt, wobei t&sub2; die Dicke des
piezoelektrischen Elements ist und t&sub1; die Dicke des Halteteils
ist.
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Bevorzugter genügen die Dicke t&sub2; des piezoelektrischen
Elements und die Dicke t&sub1; des Halteteils den folgenden
Gleichungen I bzw. II:
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100 um ≤ t&sub2; ≤ 5.000 um (I)
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Y/2 t&sub2; um ≤ t&sub1; ≤ 2 Y t&sub2; um (II),
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mit Y = Y&sub2;/Y&sub1;, wobei Y&sub2; der Young'sche Modul des
piezoelektrischen Elements ist und Y&sub1; der Yöung'sche Modul des
Halteteils ist.
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Nun wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
detaillierter beschrieben.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines
piezoelektrischen Antriebs vom Unimorphtyp gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei dieselben Bezugssymbole wie in
Fig. 3 dieselben Elemente kennzeichnen und die Bezugszahl
100 den piezoelektrischen Antrieb vom Unimorphtyp
kennzeichnet, der eine Kombination aus einem laminierten
piezoelektrischen
Element 1 mit Längseffekt (nachfolgend einfach als
piezoelektrisches Element 1 bezeichnet) und einer
Metallplatte 11 ist. D.h., daß die Metallplatte 11 mit einem
isolierenden Kleber wie einem Epoxidharz zum Herstellen einer
Isolierschicht 12 mit einer Seite in Längsrichtung des
piezoelektrischen Elements 1 verklebt ist (das aus einer
Anzahl piezoelektrischer Keramikfolien besteht, die in
Richtung ihrer Dicke auf dieselbe Weise wie in Fig. 3
veranschaulicht aufeinanderlaminiert sind und in Laminatrichtung
verlegt sind). Obwohl es in der Figur nicht dargestellt ist,
sind die Richtung zum Anlegen des elektrischen Felds E, die
Polarisationsrichtung P, die Kontraktionsrichtung A und die
Expansionsrichtung B dieselben wie im Fall des
piezoelektrischen Elements 1 in Fig. 3.
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Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines
piezoelektrischen Antriebs vom Bimorphtyp als anderem
Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei dieselben Bezugssymbole wie in
Fig. 1 dieselben Elemente kennzeichnen und die Bezugszahl
200 der piezoelektrische Antrieb vom Bimorphtyp ist, der
eine Kombination aus einem piezoelektrischen Element 1 mit
Längseffekt und einem laminierten piezoelektrischen Element
6B' mit Transversaleffekt (nachfolgend einfach als
piezoelektrisches Element 6B' bezeichnet) ist.
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Obwohl es in der Figur nicht dargestellt ist, sind die
Anlegerichtung des elektrischen Felds E, die
Polarisationsrichtung P, die Kontraktionsrichtung A und die
Expansionsrichtung B dieselben wie in Fig. 3 für das piezoelektrische
Element 1 und sie sind dieselben wie im Fall des in Fig. 6
dargestellten piezoelektrischen Elements 6B' vom Multimorphtyp.
Eine Metallplatte 11, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist,
kann zwischen die Isolierschicht 12 und das piezoelektrische
Element 6B' eingefügt sein.
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Zum Herstellen der piezoelektrischen Antriebe 100 und 200
wird ein Pulver aus Bleititanatzirkonat (PZT) als
piezoelektrisches Material und einem organischen Bindemittel mit
einem Weichmacher, einem Lösungsmittel usw. verknetet, um eine
Aufschlämmung zu erhalten, die dann z.B. durch ein Rakel in
eine Folie geformt wird und dann getrocknet wird. Dann wird
die erforderliche Elektrode 3 durch Siebdruck ausgebildet.
Mehrere so hergestellte piezoelektrische Keramikfolien
werden aufeinanderlaminiert und unter Wärme und Druck
miteinander verbunden, um ein monolithisches Formerzeugnis zu
erhalten. Die Dicke jeder piezoelektrischen Keramikfolie 2 und
die Anzahl aufeinanderlaminierter Folien entsprechen der
Länge des piezoelektrischen Elements 1 und sie sind so
festgelegt, daß die erforderliche Länge des Elements erhalten
wird, wobei die gewünschte anzulegende Spannung die
Verschiebung an der Endspitze eines Balkens, die erzeugte Kraft
usw. berücksichtigt werden. Das Formerzeugnis wird dann in
der Richtung rechtwinklig zur Richtung der Elektroden 3 so
zerschnitten, daß die Dicke des piezoelektrischen Elements 1
von einigen 100 um bis zu einigen 1.000 um beträgt, und dann
wird es gesintert und einer erforderlichen
Schleifendbearbeitung unterzogen, um ein fertiggestelltes Element zu
erhalten, das aus piezoelektrischen Keramikfolien 2 besteht,
die in Längsrichtung des Elements aufeinanderlaminiert sind.
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Andernfalls kann das Formerzeugnis unverändert, d.h. ohne
Zerschneiden desselben, gesintert werden und dann wird es
zerschnitten und einer Schleifendbearbeitung unterzogen, um
auf ähnliche Weise ein piezoelektrisches Element 1 zu
erhalten. Dazu werden äußere Anschlußelektroden mit inneren
Elektroden verbunden und ein Zuleitungsdraht wird an diese
angeschlossen, gefolgt von einer Polarisationsbehandlung.
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Dann wird, im Fall des piezoelektrischen Antriebs 100 vom
Unimorphtyp, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Epoxidharz, das
sowohl als Isoliermittel als auch als Kleber dient, auf eine
Metallplatte 11 aus z.B. einer Fe-Ni-Legierung aufgetragen,
um eine Isolierschicht 12 auszubilden, und dann wird die
Metallplatte 11 mit dem piezoelektrischen Element 1 verklebt.
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Im Fall des piezoelektrischen Antriebs 200 vom Bimorphtyp,
wie in Fig. 2 dargestellt, wird ein laminiertes
piezoelektrisches Element 6B' mit Transversaleffekt gesintert, dann
in vorgegebene Form verarbeitet und einer
Polarisationsbehandlung unterzogen, und danach wird eine Isolierschicht 12
auf dieselbe Weise wie im Fall des Unimorphtyps von Fig. 1
ausgebildet. Dann wird das Element 6B' mit dem
piezoelektrischen Element 1 verbunden. Ferner kann, um das Herausführen
der Elektroden zu erleichtern, eine Biegemetallplatte als
Zwischenelektrodenplatte zwischen das laminierte
piezoelektrische Element 6B' mit Transversaleffekt und die
Isolierschicht 12 eingeführt werden und diese können gleichzeitig
miteinander verbunden werden.
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Beim piezoelektrischen Antrieb 200 kann ein einschichtiges
piezoelektrisches Element 6B mit Transversaleffekt statt des
laminierten piezoelektrischen Elements 6B' mit
Transversaleffekt vorhanden sein, um dieselbe Funktion und dieselben
Wirkungen zu erzielen.
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Obwohl es in der Figur nicht dargestellt ist, sind die
Anlegerichtung des elektrischen Felds E, die
Polarisationsrichtung P, die Kontraktionsrichtung A und die
Expansionsrichtung B dieselben wie im Fall des piezoelektrischen Elements
1 in Fig. 3.
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Das so mit den obigen Schritten hergestellte
piezoelektrische Element 1 mit Längseffekt in Form einer Platte wird
einer Biegemode unterzogen um einen piezoelektrischen Antrieb
100 oder 200 vom Unimorphtyp bzw. Bimorphtyp zu erhalten,
mit einer großen Verschiebung an der Endspitze eines Balkens
und einer großen erzeugten Kraft F.
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So ist dann, wenn das obige piezoelektrische Element 1 für
den piezoelektrischen Antrieb 100 vom Unimorphtyp verwendet
wird, die piezoelektrische Spannung zwei- bis dreimal größer
als beim herkömrnlichen piezoelektrischen Element 5 vom
Unimorphtyp (d.h. d&sub3;&sub3; 2 bis 3 x d&sub3;&sub1;). Demgemäß sind die
Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens und die erzeugte
Kraft F zwei- bis dreimal größer als bei einem herkömmlichen
Unimorph mit Transversaleffekt mit derselben Form.
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Andererseits dehnt sich, wenn es für den piezoelektrischen
Antrieb 200 vom Bimorphtyp verwendet wird, der obere
Abschnitt über der Isolierschicht 12 mittels
despiezoelektrischen Elements 1 mit Längseffekt aus und deruntere
Abschnitt unter der Isolierschicht 12 zieht sichmittels des
piezoelektrischen Elements 6B' mit Transversaleffekt
zusammen. Unter Verwendung dieser Kombination ist esmöglich, das
elektrische Feld E in derselben Richtung wie der
Polarisationsrichtung P an die piezoelektrischen Elementel und 6B'
anzulegen, wodurch keine Depolarisation stattfindet, die
üblicherweise ein Nachteil bei einem herkömmlichen Bimorphtyp
war, und es ist möglich, ein elektrisches Feldmit hoher
Stärke auf einem Niveau anzulegen, bei dem im wesentlichen
kein dielektrischer Durchschlag stattfindet.
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Demgemäß ist es nicht erforderlich, ein kleines elektrisches
Feld an jedes der zwei piezoelektrischen Elemente anzulegen,
um Depolarisation zu verhindern, die üblicherweise der
ernsthafteste Nachteil eines herkömmlichen Bimorphtyps war,
oder mühselige Maßnahmen zum Verhindern von Depolarisation
durch Anlegen eines hohen elektrischen Felds in derselben
Richtung und eines kleinen elektrischen Felds in der
Gegenrichtung zu ergreifen. D.h., daß im Fall eines herkömmlichen
Bimorphtyps das in der Richtung entgegengesetzt zur
Polarisationsrichtung anlegbare elektrische Feld auf dem Niveau
von höchstens nur etwa 0,5 MV/m (500 V/mm) liegt. Dagegen
ist es möglich, wenn der piezoelektrische Antrieb 100 oder
200 gemäß der Erfindung verwendet wird, ein hohes
elektrisches Feld E auf einem Niveau von 1 bis 2 MV/m (kV/mm)
anzulegen.
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Ferner ist, da ein piezoelektrisches Element 1 mit
Längseffekt auf dieselbe Weise wie beim Unimorphtyp verwendet wird,
die piezoelektrische Spannung ungefähr zwei- bis dreimal
größer, selbst wenn dasselbe Material wie das herkömmliche
verwendet wird (d&sub3;&sub3; bis 3 x d&sub3;&sub1;). Demgemäß ist es
möglich, nicht nur ein elektrisches Feld E anzulegen, das
zweibis zehnmal höher als bei einem herkömmlichen Antrieb ist,
sondern es ist auch möglich, eine piezoelektrische Spannung
zu nutzen, die zwei- bis dreimal größer ist, wodurch sowohl
die Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens als auch
die erzeugte Kraft F um vier- bis dreißigmal erhöht werden
können.
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Das Halteteil muß ausreichende Festigkeit aufweisen, um die
Expansion des piezoelektrischen Keramikelements zu
begrenzen, und gleichzeitig muß es biegbar sein. Ferner ist es
erforderlich, wenn das Malteteil aus einem elektrisch
leitenden Material oder aus einem piezoelektrischen
Keramikmaterial vom Transversaleffekt besteht, zwischen ihm und dem
piezoelektrischen Element mit Längseffekt eine
Isolierschicht einzufügen, da Elektroden an der Oberfläche eines
piezoelektrischen Elements mit Längseffekt freiliegen.
Genauer gesagt, kann das Halteteil aus einem
Oxidkeramikmaterial wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, MgAl&sub2;O&sub4;, Mullit,
Berylliumoxid oder Cordierit, einem nichtoxidischen
Keramikmaterial wie SiC, Si&sub3;N&sub4;, AlN, B&sub4;C, TiC oder Wolframcarbid,
einer Metallplatte wie einer solchen aus einer Eisen-Nickel-
Legierung oder einem piezoelektrischen Keramikelement mit
Transversaleffekt bestehen.
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Ferner hat es sich als möglich herausgestellt, die
erforderliche Stärke des elektrischen Felds wesentlich zu
verringern, wenn der Young'sche Modul des Halteteils auf ein
Niveau eingestellt wird, das mindestens das 2,5-fache des
Young'schen Moduls des piezoelektrischen Elements 1 ist, mit
dem es verbunden ist, die Dicke t&sub2; des piezoelektrischen
Elements 1 innerhalb eines Bereichs von 100 um ≤ t&sub2; ≤ 500 um
liegt und das Verhältnis t&sub2;/t&sub1; auf einem Niveau von
mindestens 1,6 liegt, wobei t&sub2; die Dicke des piezoelektrischen
Elements ist und t&sub1; die Dicke des Halteteils ist. D.h., daß
die Young'schen Module der zwei Teile vorzugsweise der
Bedingung Y&sub1; ≥ 2,5 Y&sub2; genügen, wobei Y&sub1; der Young'sche Modul
des Halteteils und Y&sub2; der Young'sche Modul des
piezoelektrischen Elements ist. Wenn der Young'sche Modul des Halteteils
mindestens das 2,5-fache des Young'schen Moduls des
piezoelektrischen Elements ist, ist die Verringerung der
erforderlichen Stärke des anzulegenden elektrischen Felds klein.
Wenn das Verhältnis aus der Dicke des piezoelektrischen
Elements zu der des Halteteils kleiner als 1,6 ist, nimmt nicht
nur die Verringerung der erforderlichen Stärke des
anzulegenden elektrischen Felds ab, sondern es ist auch eine
höhere Stärke des anzulegenden elektrischen Felds erforderlich,
da ein Halteteil mit hohem Young'schem Modul verwendet wird,
was nachteilig ist.
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In Fig. 7 ist die Beziehung zwischen dem Young'schen Modul
Y&sub1; (x 10¹&sup0; Pa (N/m²)) des Halteteils und der elektrischen
Feldstärke (MV/m) (kV/mm) für eine gewünschte Verschiebung
an der Endspitze eines Balkens und für eine gewünschte
erzeugte Kraft dargestellt. Der Young'sche Modul Y&sub2; des
piezoelektrischen Elements war auf Y&sub2; = 5,9 x 10¹&sup0; Pa (N/m²)
eingestellt und die Dicke des Halteteils war 60 um, die Dicke
des piezeoelektrischen Elements war 210 um (d.h. das
Verhältnis der Dicken ist 3,5), die Breite des
piezoelektrischen Elements war 5 mm und die Länge des piezoelektrischen
Elements war 15 mm.
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Die Kurven I, II und III repräsentieren 500 um/0,49 N (500
um/50 gf), 500 um/0,29 N (500 um/30 gf) bzw. 250 um/0,25 N
(250 um/25 gf) eines Unimorphtyps.
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Wie es aus dieser Figur erkennbar ist, können dann, wenn ein
Halteteil 11 aus einem Material mit großem Young'schem Modul
Y&sub1; verwendet wird, vorgegebene Grade der Verschiebung an der
Endspitze eines Balkens und der Kraft mit einem kleinen
Ausmaß erforderlicher Verspannung erhalten werden (d x E mit d:
piezoelektrischer Spannungskoeffizient, und E: elektrisches
Feld).
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So können, wenn ein größeres elektrisches Feld als dieses
angelegt wird, eine größere erzeugte Kraft und eine größere
Verschiebung an der Endspitze eines Balkens erzielt werden.
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Ferner ist die Auswirkung des Young'schen Moduls relativ zur
Verringerung der erforderlichen Verspannung um so größer, je
größer die Arbeitsbelastung (1/2 δF, mit δ: Verschiebung an
der Endspitze des Balkens, und F: erzeugte Kraft) ist. D.h.,
daß es um so vorteilhafter wird, ein Material mit hohem
Young'schem Modul zu verwenden, je größer die
Arbeitsbelastung ist.
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Ferner hat sich herausgestellt, daß die optimale Kombination
der Dicken zum Minimieren der erforderlichen Intensität des
angelegten elektrischen Felds die folgende ist. Es sei Y =
Y&sub2;/Y&sub1; und n = t&sub2;/t&sub1;, wobei Y&sub2; der Young'sche Modul des
piezoelektrischen Elements ist, Y&sub1; der Young'sche Modul des
Malteteils ist, t&sub2; die Dicke des piezoelektrischen Elements
ist und t&sub1; die Dicke des Halteteils ist. Es hat sich
herausgestellt, daß die Intensität des angelegten elektrischen
Felds minimal werden kann, wenn die Bedingung der beiden n =
t&sub2;/t&sub1; = 1/Y ist, d.h. t&sub1; = Yt&sub2;. Hierbei ist die optimale
Dicke t&sub2; durch die folgende Gleichung bestimmt:
-
mit: F: erzeugte Kraft, 6: Verschiebung an der Endspitze
eines Balkens, 1: Länge des piezoelektrischen Elements und b:
Breite des piezoelektrischen Elements. Der Einfluß der
Elektroden oder der Kleberschicht ist vernachlässigbar, da ihre
Dicken im allgemeinen im Vergleich zu den Dicken des
piezoelektrischen Elements und des Halteteils sehr klein sind.
-
So können eine große erzeugte Kraft und eine große
Verschiebung an der Endspitze eines Balkens erhalten werden, wenn es
möglich ist, ein elektrisches Feld höherer Stärke anzulegen.
-
Die vorstehenden Bedingungen für t&sub1; und t&sub2; gelten für das
Optimum. Jedoch reicht es im allgemeinen aus, wenn die Dicke
t&sub2; des piezoelektrischen Elements der folgenden Gleichung I
genügt und die Dicke t&sub1; des Halteteils der Gleichung II
genügt:
-
100 um ≤ t&sub2; ≤ 5.000 um (I)
-
( Y/2) t&sub2; um ≤ t&sub1; ≤ 2 Y t&sub2; um (II)
-
Nun werden spezielle Formen erfindungsgemäßer
piezoelektrischer Antriebe 100 und 200 und Meßwerte für diese
beschrieben.
-
Tabelle 1 zeigt die Form jedes piezoelektrischen Antriebs
100 oder 200 und die Meßbedingungen.
-
Gemäß Tabelle 1 wurde der piezoelektrische Antrieb 100 vom
Unimorphtyp an einem Ende befestigt und die Verschiebung δ
an der Endspitze des Balkens und die erzeugte Kraft F am
anderen Ende wurden gemessen.
-
Die Verschiebung δ an der Endspitze des Balkens wurde mit
einem Wirbelstromsystem-Sensor gemessen und die erzeugte
Kraft F wurde durch die Kraft repräsentiert, bei der die
Verschiebung an der Endspitze des Balkens 0 wird.
-
Der piezoelektrische Antrieb 200 vom Bimorphtyp wurde auf
dieselbe Weise wie oben beschrieben gemessen. Die dabei
erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Die
Vergleichsergebnisse in Tabelle 2 werden wie folgt beschrieben:
VERGLEICHSBEISPIEL 1
-
Die Größe des piezoelektrischen Elements und die Stärke des
angelegten Felds waren dieselben wie beim Beispiel 1. Jedoch
wurde als piezoelektrisches Element anstelle des laminierten
Elements mit Längseffekt ein Element derselben Länge mit
Transversaleffekt verwendet (d&sub3;&sub1; = 260 x 10&supmin;¹² m/V).
VERGLEICHSBEISPIEL 2
-
Die Größe des piezoelektrischen Elements war dieselbe wie
beim Beispiel 2. Jedoch wurde als piezoelektrisches Element
anstelle des laminierten Elements mit Längseffekt ein
Element mit Transversaleffekt derselben Dicke verwendet (d&sub3;&sub1; =
260 x 10&supmin;¹² m/V). Die Stärke des angelegten Feldes war 1
MV/m (kV/mm), in derselben Richtung wie der
polarisationsrichtung, und 0,4 kV/mm in der entgegengesetzten Richtung.
Tabelle 1
Beispiel
Piezoelektrischer Antrieb vom Unimorphtyp
Piezoelektrischer Antrieb vom Bimorphtyp
Elementgröße (Länge x Breite) (mm) Dicke des piezoelektrischen Keramikelements (um)
Dicke der Metallplatte (Fe-Ni-Legierung)
Kleber
Stärke des angelegten Felds ((MV/m) (kV/mm²))
Abschnitt mit dem laminierten) piezoelektrischen Element mit Längseffekt
Abschnitt mit dem laminierten) piezoelektrischen Element
mit Transversaleffekt
Epoxidharz
Hinweis
-
Hinweis 1: (100 um/Schicht x 150 Schichten)
Piezoelektrischer Spannungskoeffizient
d&sub3;&sub3; = 700 x 10&supmin;¹² mV
-
Hinweis 2: Piezoelektrischer Spannungskoeffizient
d&sub3;&sub1; = 260 x 10&supmin;¹² m/V
Tabelle 2
Piezoelektrischer Antrieb vom Unimorphtyp
Piezoelektrischer Antrieb vom Bimorphtyp
Beispiel
Vergleichsbeispiel
Verschiebung am Ende der Spitze eines Balkens (δum)
Erzeugte Kraft
-
Bei jedem der folgenden Beispiele wurde ein laminiertes
piezoelektrisches Keramikelement mit Längseffekt verwendet
und das Halteteil wurde variiert. Die Breite des Elements
betrug 5 mm, die Länge des Elements betrug 15 mm, die Dicke
des Halteteils betrug 60 um und der Young'sche Modul des
piezoelektrischen Elements betrug 5,9 x 10¹&sup0; Pa (N/m²).
-
Als Vergleichsbeispiel wird ein Fall gegeben, bei dem
Phosphorbronze als Halteteil verwendet wurde, um ein
Ausführungsbeispiel mit Y&sub1;/Y&sub2; < 2,5 zu ergeben, und ein Fall, bei
dem das Verhältnis aus den Dicken des piezoelektrischen
Elements und des Halteteils kleiner als 1,6 ist. Die Dicke des
Elements und der piezoelektrischen Elemente, wie sie
verwendet wurden, waren dieselben wie bei den Beispielen.
BEISPIEL 3
-
Halteteil: Zirkoniumoxid (t&sub1; = 60 um)
-
Piezoelektrisches Element: PZT-Keramik (t&sub2; = 210 um)
(d&sub3;&sub3; = 720 x 10&supmin;&sup6; (m/V)
-
(Y&sub1; = 2,1 x 10¹¹ Pa (N/m²), Y&sub1;/Y&sub2; = 3,6
-
Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,35 MV/m (kV/mm)
-
Meßwerte: Verschiebung an der Endspitze eines Balkens:
-
560 um
-
Erzeugte Kraft: 0,46 N (47 gf)
BEISPIEL 4
-
Halteteil: Aluminiumoxid (t&sub1; = 60 um)
-
Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement (t&sub2; = 210 um)
(d&sub3;&sub3; = 720 x 10&supmin;¹² (m/V)
-
(Y&sub1; = 3,3 x 10¹¹ Pa (N/m²), Y&sub1;/Y&sub2; = 5,6
-
Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,20 MV/m (kV/mm)
-
Meßwerte: Verschiebung an der Endspitze eines Balkens:
-
550 um
-
Erzeugte Kraft: 0,47 N (48 gf)
BEISPIEL 5
-
Halteteil: Wolframcarbid (t&sub1; = 60 um)
-
Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement (t&sub2; = 210 um)
(Y&sub1; = 6,9 x 10¹¹ Pa (N/m²), Y&sub1;/Y&sub2; = 11,7
-
Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,10 MV/m (kV/mm)
-
Meßwerte: Verschiebung an der Endspitze eines Balkens:
-
Erzeugte Kraft: 0,48 N (49 gf)
-
Piezoelektrischer Spannungskoeffizient d&sub3;&sub3; = 720 x 10&supmin;¹² m/V
-
Piezoelektrischer Spannungskoeffizient d&sub3;&sub1; = 260 x 10&supmin;¹² m/V
VERGLEICHSBEISPIEL 3
-
Halteteil: Phosphorbronze (t&sub1; = 60 um)
-
Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement (t&sub2; = 210 um)
-
Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,54 MV/m (kV/mm)
-
Dicke des Halteteils und Dicke des piezoelektrischen
Elements: dieselben wie bei den Beispielen
-
Meßwerte: Verschiebung an der Endspitze eines Balkens:
-
510 um
-
Erzeugte Kraft: 0,44 N (45 gf)
-
Aus jedem der Beispiele der Erfindung ist es ersichtlich,
daß im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel eine große
Verschiebung an der Endspitze eines Balkens oder eine große
erzeugte Kraft bei kleiner Stärke des angelegten elektrischen
Felds erzielbar sind.
VERGLEICHSBEISPIEL 4
-
Halteteile: Aluminiumoxid (Y&sub1; = 3,3 x 10¹¹ Pa (N/m²))
-
Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement (Y&sub2; = 5,9 x
10¹&sup0; Pa (N/m²)
-
Dicke des Halteteils: 140 um (Y&sub1;/Y&sub2; = 5,6)
-
Dicke des piezoelektrischen Elements: 140 um (t&sub2;/t&sub1; = 1,0)
-
Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,70 MV/m (kV/mm)
-
Meßwerte: Verschiebung an der Endspitze eines Balkens:
-
520 um
-
Erzeugte Kraft: 0,45 N (46 gf)
-
Es ist ersichtlich, daß bei diesem Vergleichsbeispiel eine
größere elektrische Feldstärke als beim Beispiel 3
erforderlich ist, bei dem Zirkoniumoxid verwendet wird, das einen
niedrigeren Young'schen Modul als Aluminiumoxid aufweist,
und nicht nur das, sondern es wird eine elektrische
Feldstärke benötigt, die höher als beim Vergleichsbeispiel 3
ist, bei dem Phosphorbronze verwendet wird, was nachteilig
ist.
BEISPIEL 6
-
Typ: Unimorph
-
Halteteil: Aluminiumoxid
-
Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement (d&sub3;&sub3; = 720 x
10&supmin;² m/V)
-
Y: 0,1778 [(Y&sub2; = 5,9 x 10¹&sup0; Pa (N/m²)/
(Y&sub1; = 3,3 x 10¹¹ Pa (N/m²)]
-
n: 2,365 [(t&sub2; = 200 um)/(t&sub1; = 85 um)]
-
Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,17 MV/m (kV/mm)
-
Meßwerte: Verschiebung an der Endspitze eines Balkens:
-
550 um
-
Erzeugte Kraft: 0,47 N (48 gf)
-
Ferner zeigt Fig. 8 die Beziehung zwischen der Stärke des
angelegten elektrischen Felds und der Verschiebung an der
Endspitze eines Balkens und Fig. 7 zeigt die Beziehung
zwischen der Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und
der erzeugten Kraft.
BEISPIEL 7
-
Typ: Unimorph
-
Halteteil: Zirkoniumoxid
-
Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement (d&sub3;&sub3; = 720 x
10&supmin;² m/V)
-
Y: 0,2810 [(Y&sub2; = 5,9 x 10¹&sup0; Pa (N/m²)/
(Y&sub1; = 2,1 x 10¹¹ Pa (N/m²)]
-
n: 1,887 [(t&sub2; = 195 um)/(t&sub1; = 104 um)]
-
Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,25 MV/m (kV/mm)
-
Meßwerte: Verschiebung an der Endspitze eines Balkens:
-
560 um
-
Erzeugte Kraft: 0,46 N (47 gf)
-
Piezoelektrischer Koeffizient: d&sub3;&sub3; = 720 x 10&supmin;¹² m/V
BEISPIEL 8
-
Typ: Bimorph
-
Halteteil: piezoelektrisches Element mit Transversaleffekt:
-
PZT-Keramikelement (d&sub3;&sub1; = 260 x 10&supmin;¹² m/V)
-
Y: 0,8806 [(Y&sub2; = 5,9 x 10¹&sup0; Pa (N/m²)/
(Y&sub1; = 6,7 x 10¹¹ Pa (N/m²)]
-
n: 1,066 [(t&sub2; = 180 um)/(t&sub1; = 170 um)]
-
Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,10 MV/m (kV/mm)
-
Meßwerte: Verschiebung an der Endspitze eines Balkens:
-
580 um
-
Erzeugte Kraft: 0,46 N (47 gf)
VERGLEICHSBEISPIEL 5 (Dieselbe Kombination von Materialien
wie beim Beispiel 6, mit der Ausnahme, daß t&sub1; nicht der
Gleichung II genügt)
-
Typ: Unimorph
-
Halteteil: Aluminiumoxid
-
Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement
-
Y: 0,1788 (wie beim Beispiel 6)
-
n: 1,0 [t&sub2; = 140 um)/(t&sub1; = 140 um)]
-
Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,70 MV/m (kV/mm)
-
Gemessene Werte: Verschiebung an der Endspitze eines
Balkens:
520 um
-
Erzeugte Kraft: 0,45 N (46 gf)
-
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß bei jedem Beispiel
der Erfindung im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen eine
große Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und eine
große erzeugte Kraft bei kleinem angelegtem elektrischem
Feld erzielbar sind.
-
Wenn die Verschiebung an der Endspitze eines Balkens
ansteigt, wird der vordere Endabschnitt des Balkens aus der
Horizontalposition abgelenkt. Wenn eine solche Ablenkung
nicht erwünscht ist, ist es möglich, den vorderen
Endabschnitt dadurch horizontal zu halten, daß zwei
piezoelektrische Elemente 7 an einem Halteteil 11 so angeordnet werden,
wie es in Fig. 11 dargestellt ist, daß die
Verschiebungsrichtungen einander entgegengesetzt sind, wodurch die
Positionen nach der Verschiebung so sind, wie sie durch
gestrichelte Linien dargestellt sind.
-
Wie im vorstehenden beschrieben, wird gemäß der Erfindung
ein laminiertes piezoelektrisches Element mit Längseffekt
dadurch hergestellt, daß piezoelektrische Keramikfolien in
Richtung ihrer Dicke aufeinanderlaminiert werden und eine
Einrichtung zum Beschränken der Ausdehnung des Elements an
einer Seite in Längsrichtung des laminierten
piezoelektrischen Elements mit Längseffekt angeordnet wird, wodurch das
laminierte piezoelektrische Element mit Längseffekt in einer
Biegemode verwendet wird, wodurch es möglich ist, einen
piezoelektrischen Spannungskoeffizienten zu erzielen, der
zwei- bis dreimal höher als der bei einem piezoelektrischen
Antrieb mit Transversaleffekt vom Unimorphtyp ist. Ferner
weist der erfindungsgemäße piezoelektrische Antrieb vom
Bimorphtyp Vorteile gegenüber herkömmlichen piezoelektrischen
Elemente vom Bimorphtyp und vom Multimorphtyp mit
Transversaleffekt auf, daß es möglich ist, das elektrische Feld in
derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung der
piezoelektrischen Keramikfolien anzulegen, wodurch ein relativ
hohes elektrisches Feld angelegt werden kann, ohne daß dies
zu dielektrischem Durchbruch führt und ohne daß eine
Maßnahme zum Verhindern von Depolarisation erforderlich ist,
wodurch es möglich ist, eine große Verschiebung an der
Endspitze eines Balkens und eine große erzeugte Kraft zu
erzielen.
-
Ferner kann die erforderliche Intensität des angelegten
elektrischen Feld dadurch wesentlich verringert werden, daß
die Young'schen Module Y&sub2; und Y&sub1; des piezoelektrischen
Elements und des Halteteils auf Y&sub1; ≤ 2,5 Y&sub2; eingestellt werden,
die Dicke t&sub2; des piezoelektrischen Elements auf 100 um ≤ t&sub2;
≤ 5.000 um eingestellt wird und das Verhältnis t&sub1;/t&sub2; auf
mindestens 1,6 eingestellt wird, wobei t&sub2; die Dicke des
piezoelektrischen Elements und t&sub1; die Dicke des Halteteils
ist. Demgemäß können die erzeugte Kraft und die Verschiebung
an der Endspitze eines Balkens über die herkömmlichen
Niveaus erhöht werden.
-
Weiterhin ist es möglich, wenn die Dicke t&sub2; des
piezoelektrischen Keramikelements der folgenden Gleichung I genügt
und die Dicke t&sub1; des Halteteils der folgenden Gleichung II
genügt, die Kombination aus den Dicken festzulegen, die die
erforderliche Intensität für das angelegte elektrische Feld
minimiert, wenn die verwendeten Materialien und die
gewünschte Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und die
erzeugte Kraft einmal festgelegt sind, wodurch es möglich
ist, die erzeugte Kraft und die Verschiebung an der
Endspitze des Balkens zu erhöhen:
-
100
um ≤ t&sub2; ≤ 5.000 um (I)
-
( Y/2) t&sub2; um ≤ t&sub1; ≤ 2 Y t&sub2; um (II)