DE3832658C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein geschichtetes Verstellglied gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Verstellglieder werden beispielsweise in Stellantrieben von Industrierobotern und Ultraschallmotoren eingesetzt.
Ein Verstellglied der eingangs bezeichneten Art ist durch die US-PS 31 54 700 bekannt. Bei diesem Aufbau ergeben sich Schwierigkeiten daraus, daß bei Anlegen der Steuerspannung die gewünschte Auslenkung nur in dem Bereich erfolgt, in dem die inneren Elektroden vorhanden sind, während in den äußeren Bereichen, in denen die inneren Elektroden mit den seitlich aufgebrachten äußeren Elektroden verbunden sind, keine Auslenkung erfolgt. Der nicht-auslenkende Teil des Laminats behindert daher die Auslenkung des inneren Teils und verringert den Wirkungsgrad der gesamten Anordnung. Außerdem besteht die Gefahr, daß die aus dem elektromechanischen Wandlermaterial bestehenden dünnen Platten am Übergang zwischen dem auslenkenden und dem nichtauslenkenden Teil im Lauf der Zeit brechen.
Durch die JP-OS 62-2 00 778 ist ein Aufbau bekannt, bei der der nicht-auslenkende äußere Teil wesentlich schmäler als der auslenkende Teil ist. Dadurch wird zwar die Auslenkung weniger behindert, so daß bei gleicher Steuerspannung eine größere Verstellung erreicht wird; im Übergangsbereich zwischen dem auslenkenden und dem nicht-auslenkenden Teil bleiben jedoch die genannten Schwierigkeiten bestehen.
Durch die JP-OS 58-1 96 068 und die JP-OS 62-2 11 974 sind ferner Verstellglieder bekannt, bei denen sich die inneren Elektroden über den gesamten Bereich der dünnen Platten erstrecken und die äußeren Elektroden durch genaue Ausrichtung und Isoliermaßnahmen mit den Seitenkanten nur der jeweils zugehörigen inneren Elektroden verbunden sind. Bei diesen Konstruktionen stellt jedoch die genaue Ausrichtung der Isolier- und Leiterteile den Außenflächen des Laminats hohe Anforderungen an die Herstellung und ist in der Praxis mit der Gefahr unerwünschter Fehlverbindungen oder Kurzschlüsse verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verstellglied der eingang bezeichneten Art derart auszugestalten, daß es einen hohen Wirkungsgrad und lange Lebensdauer aufweist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegeben. Der danach zwischen dem auslenkenden und dem nicht-auslenkenden Teil vorhandene Pufferabschnitt ergibt einen allmählichen Übergang im Ausmaß der Verstellung von 0 auf 100%, so daß eine volle Auslenkung des inneren Teils ohne Bruchgefahr für die dünnen Platten im Übergangsbereich erreicht wird, ohne daß eine problematische Ausrichtung zwischen äußeren und inneren Elektroden erforderlich wäre.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines geschichteten Verstellgliedes gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 bis 4 jeweils einen vergrößerten Querschnitt durch den Pufferabschnitt eines geschichteten Verstellgliedes gemäß drei verschiedenen Ausführungsbeispielen,
Fig. 5 bis 7 jeweils einen vergrößerten Querschnitt durch den Pufferabschnitt gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,
Fig. 8 einen vergrößerten Querschnitt zur Veranschaulichung einer mit einer inneren Elektrode überzogenen dünnen Platte und einer Isolierschicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Fig. 9 ein Diagramm, in dem das Maß der Verstellung über der angelegten Spannung aufgetragen ist,
Fig. 10 ein Diagramm, in dem das Maß der Verstellung über der Anzahl von Betriebszyklen aufgetragen ist.
Das in Fig. 1 gezeigte geschichtete Verstellglied umfaßt eine Vielzahl von dünnen Platten 1, die mit inneren Elektroden 2 a , 2b abwechselnd übereinander geschichtet sind. Die positiven und negativen inneren Elektroden 2 a bzw. 2 b sind dabei abwechselnd angeordnet. Das so gebildete Laminat ist an jeder Seite mit jeweils einem Vorsprung 1 a versehen. Jeder Vorsprung 1 a weist einen Pufferabschnitt C auf, der sich zwischen einem nicht-auslenkenden Teil B an der einen äußeren Elektrode 3 a bzw. 3 b benachbarten Seite und einem vom Hauptteil der dünnen Platten 1 gebildeten auslenkenden Teil A erstreckt.
Gemäß Fig. 2 bis 4 kann der Pufferabschnitt C unterschiedlichen Aufbau haben. Bei dem in Fig. 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Pufferabschnitt C von einer Teilelektrode 21 gebildet, die aus mehreren getrennten länglichen und parallel zur Seite des Laminats verlaufenden Elektrodenteilen 21 b besteht. In Fig. 2 sind die innere Elektrode 2 a (bzw. 2 b) und die Teilelektrode 21 schraffiert, um ihre Formen klarer darzustellen. Bei der Teilelektrode 21 haben die länglichen Elektrodenteile 2 b eine vom äußeren Ende des Vorsprungs 1 a bis zu dessen an die innere Elektrode 2 a(2 b) angrenzenden Wurzelende zunehmende Breite und sind miteinander und mit der inneren Elektrode 2 a(2 b) über ein senkrecht zu ihnen verlaufendes Leiterteil 21 a verbunden.
Aufgrund dieses Aufbaus wird der Pufferabschnitt proportional zur Breite der einzelnen länglichen Elektrodenteile 21 b verstellt. Da die Breite der länglichen Elektrodenteile 21 b in Richtung der inneren Elektrode 2 a(2 b) allmählich zunimmt, nimmt das Maß der Verstellung von dem besagten Wurzelende zum äußeren Ende hin allmählich ab. Daher bewirkt der Pufferabschnitt eine Spannungsentlastung zwischen dem auslenkenden Teil A und dem nicht-auslenkenden Teil B.
Der in Fig. 3 gezeigte Pufferabschnitt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt mehrere von der inneren Elektrode 2 a(2 b) ausgehende längliche dreieckige Elektrodenteile 21 c. Da die Breite der einzelnen dreieckigen Elektrodenteile 21 c von dem der inneren Elektrode 2 a(2 b) benachbarten Wurzelteil zur Spitze hin allmählich abnimmt, nimmt auch das Maß der Verstellung des diese dreieckigen Elektrodenteile 21 c enthaltenden Pufferabschnitts 21 in gleicher Weise allmählich ab.
Der in Fig. 4 gezeigte Pufferabschnitt entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt mehrere kreisrunde Elektrodenteile 21 d, deren Durchmesser vom Wurzelteil des Pufferabschnitts zum äußeren Ende hin allmählich abnimmt. Die Elektrodenteile 21 d sind miteinander und mit der inneren Elektrode 2 a(2 b) über Leiterteile 21 a verbunden. Auch bei diesem Aufbau weist der Pufferabschnitt ein Maß der Verstellung auf, das vom Wurzelabschnitt zum äußeren Ende hin allmählich abnimmt.
Wie oben beschrieben, dient der Pufferabschnitt C dazu, die Entstehung hoher Spannungen zwischen dem auslenkenden Teil A und dem nicht-auslenkenden Teil B zu vermeiden und daher die Gefahr zu verringern, daß die dünnen Platten 1 oder gar das gesamte Bauelement infolge von Spannungskonzentrationen brechen. Dies wird durch die Tatsache erreicht, daß die Verstellung oder Auslenkung an der dem nicht-auslenkenden Teil B benachbarten Stelle (am äußeren Ende) 0 ist und in Richtung auf den auslenkenden Teil A (den Hauptteil der dünnen Platten) kontinuierlich oder stufenweise ansteigt.
Der in Fig. 5 gezeigte Pufferabschnitt C gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist bei einem geschichteten Verstellglied nach Fig. 11 anwendbar, das im Gegensatz zu Fig. 1 keine zwei Vorsprünge aufweist. In diesem Fall ist die innere Elektrode 2 a(2 b) an jedem Seitenabschnitt mit einer Vielzahl von Löchern 7 versehen, die derart angeordnet sind, daß ihre Dichte zur Seite der inneren Elektrode 2 a(2 b) hin abnimmt. Dieser Seitenabschnitt bildet den Pufferabschnitt C, in dem das Maß der Verstellung von der an den auslenkenden Teil A angrenzenden Innenbereich zu dem an den nicht-auslenkenden Teil B angrenzenden Außenbereich, der keine innere Elektrode 2 a(2 b) aufweist, allmählich abnimmt.
In Fig. 5 haben sämtliche Löcher 7 gleichen Durchmesser; sie können jedoch auch unterschiedliche Durchmesser haben. Dieser Fall ist in Fig. 6 gezeigt. Bei dem in Fig. 6 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung haben also die Löcher 7 Durchmesser, die in dem Pufferabschnitt C von innen nach außen allmählich zunehmen. Aufgrund der gleichen Theorie wie in Fig. 5 weist daher der Pufferabschnitt C nach Fig. 6 ein Ausmaß der Verstellung auf, das von dem an den auslenkenden Teil A angrenzenden Innenbereich zu dem an den nicht- auslenkenden Teil B angrenzenden Außenbereich allmählich abnimmt. Im übrigen können die Merkmale der Fig. 5 und 6 auch kombiniert werden, um die Änderung in dem Verstellungsmaß zu erhöhen.
Die Löcher 7 können dadurch hergestellt werden, daß in den dünnen Platten die den Löchern 7 jeweils entsprechenden Bereiche maskiert, sodann eine Elektrodenpaste, etwa eine Silber- Palladium-Paste, im Siebdruckverfahren auf die dünnen Platten aufgetragen und schließlich die Masken entfernt werden.
Der in Fig. 7 gezeigte Pufferabschnitt C gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich wiederum von einem auslenkenden Teil A zu einem nicht-auslenkenden Teil B und umfaßt eine Vielzahl von schmalen in Querrichtung länglichen Platten 11, 12, 13, 14. Die Platten 12, 13, 14 haben piezoelektrische Dehnungskonstanten, d₁₂, d₁₃ bzw. d₁₄, die zu der piezoelektrischen Dehnungskonstante d₁ der dünnen Platte 1 und der Dehnungskonstante d₁₁ der Platte 11 in folgender Beziehung stehen:
d₁₁<d₁₂<d₁₃<d₁₄<d₁,
wobei d₁₁ nahezu 0 ist.
Verallgemeinert gilt, daß dann, wenn der Pufferabschnitt C aus n Platten 12 bis (11+n) aufgebaut ist, jede Platte eine piezoelektrische Dehnungskonstante aufweisen soll, die folgende Gleichung erfüllt:
d₁₁<d₁₂<. . .<d 11+n <d₁.
Je größer also die Zahl n, desto kleiner ist der Unterschied zwischen den piezoelektrischen Dehnungskonstanten benachbarter Platten. Bei diesem Aufbau weist der Pufferabschnitt C ein Maß der Verstellung auf, das von innen nach außen stufenweise oder nahezu kontinuierlich abnimmt.
Der Unterschied in den piezoelektrischen Dehnungskonstanten der Platten kann auch durch Ändern der Plattendicken erreicht werden. Wird beispielsweise ein piezoelektrischer Keramikblock in unterschiedlichen Dicken gespalten und werden die Platten so angeordnet, daß ihre Dicken von innen nach außen abnehmen, so läßt sich auf diese Weise der Pufferabschnitt C erzeugen.
Bei dem in Fig. 8 gezeigten Pufferabschnitt C gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine dünne Platte 1 aus elektromechanischem Wandlermaterial mit einer inneren Elektrode 2 a(2 b) und einer Isolierschicht 8 überzogen, wobei in dem Pufferabschnitt C die innere Elektrode 2 a(2 b) und die Isolierschicht 8 einander derart überlappen, daß die innere Elektrode 2 a(2 b) von innen nach außen dünner und die Isolierschicht 8 dicker wird. Nimmt man an, daß die Isolierschicht 8 im Pufferabschnitt C eine Dicke t₁ und die innere Elektrode 2 a(2 b) im Pufferabschnitt C eine Dicke t₂ und im auslenkenden Teil A eine Dicke t hat, so gilt die folgende Gleichung:
t₁+t₂=t.
Bei diesem Aufbau ändert sich die Dicke t₂ der inneren Elektrode 2 a(2 b) von 0 an einer dem nicht-auslenkenden Teil B benachbarten Stelle auf t an einer dem auslenkenden Teil A benachbarten Stelle, während sich die Dicke t₁ der Isolierschicht 8 in entgegengesetzter Richtung von 0 auf t ändert. Daher nimmt das Maß der Verstellung in dem Pufferabschnitt C von innen nach außen kontinuierlich ab. Im übrigen kann sich die Dicke t₂ der inneren Elektrode 2 a(2 b) auch stufenweise ändern.
Anhand der Fig. 2 bis 8 sind oben verschiedene Ausführungsformen für den Pufferabschnitt C erläutert worden; es sei jedoch vermerkt, daß weitere Varianten möglich sind, solange die Forderung erfüllt ist, daß sich das Maß der Verstellung innerhalb des Pufferabschnitts C von einer dem auslenkenden Teil A benachbarten Stelle zu dem nicht-auslenkenden Teil B kontinuierlich oder stufenweise verringert.
Da sich in dem Pufferabschnitt C das Maß der Verstellung allmählich, d. h. kontinuierlich oder stufenweise, von 0 an einer dem nicht-auslenkenden Teil B benachbarten Stelle auf 100% an einer dem auslenkenden Abschnitt A benachbarten Stelle ändert, wird eine Pufferwirkung erzielt, die Spannungen infolge des Verstellungsunterschiedes zwischen dem auslenkenden Teil A und dem nicht-auslenkenden Teil B reduziert. Infolgedessen läßt sich in dem Element insgesamt eine höhere Verstellung erreichen, ohne daß Probleme durch Bruch oder Fehler in einem den auslenkenden Teil A mit dem nicht-auslenkenden Teil B verbindenden Abschnitt auftreten.
Die inneren Elektroden 2 a, 2 b, die äußeren Elektroden 3 a, 3 b und die oben erwähnte Teilelektrode lassen sich außer im Siebdruckverfahren auch nach anderen Methoden, etwa durch Metallisieren, durch Aufdampfen, durch Überziehen usw. herstellen.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbaren elektromechanischen Wandlermaterialien umfassen außer piezo-elektrischen Keramikmaterialien auch elektrostriktive Materialien, deren Curie-Temperatur über der Zimmertemperatur liegt, was eine Polarisierung unnötig macht, und die ein hohes Maß an Verstellung und geringe Hysterese aufweisen. Spezielle Beispiele für derartige Elektrostriktions-Materialien sind folgende:
(Pb0,916La0,084) (Zr0,65Ti0,35)O₃,
(Pb0,85Sr0,15) (Zr0,51Ti0,34Zn0,0125Ni0,0375Nb0,10)O₃,
(Pb0,85Sr0,15) (Zr0,50Ti0,30Zn0,05Ni0,05Nb0,10)O₃,
Beispiel
Ein Pb(Zr,Ti)O₃-Pulver wurde mit Polyvinylbutyral als organischem Binder, Butylphthalylbbutylglycolat als Weichmacher und Trichloräthylen als organischem Lösungsmittel gemischt, und das sich ergebende Gemisch wurde unter Verwendung einer Ziehklinge in Form einer Folie mit einer Dicke von 200 µm gegossen. Die resultierende piezoelektrische Folie wurde sodann mit einer Silber-Palladium-Paste im Siebdruckverfahren beschichtet, um auf der gesamten Oberfläche eine innere Elektrode auszubilden. Im vorliegenden Fall wurden außerdem die in Fig. 2 gezeigten Elektrodenteile an den an beiden Seiten herausragenden Vorsprüngen der piezoelektrischen Folie zur Bildung zweier Pufferabschnitte erzeugt. Dabei waren fünf Elektrodenteile vorhanden, deren Breiten in gleichen Stufen von 100 µm auf 10 µm abnahm. 50 Folien dieses Aufbaus wurden aufeinander geschichtet und zu einer vorgegebenen Größe gepreßt und bearbeitet. Nach Entfernen des Binders wurde das erhaltene Laminat bei 1050 bis 1200°C zwei Stunden lang gebrannt, so daß sich ein geschichtetes piezoelektrisches Element mit Abmessungen von 10 mm×10 mm×10 mm ergab. Sodann wurden auf die Vorsprünge äußere Elektroden 3 a, 3 b aus Silberpaste aufgetragen. Das geschichtete piezoelektrische Element wurde dann 10 Minuten langes Anlegen einer Spannung von 400 V polarisiert und anschließend bezüglich des Ausmaßes der Verstellung gemessen. Die Ergebnisse sind in den Fig. 9 und 10 gezeigt.
Vergleichsbeispiel
Das in dem obigen Beispiel erläuterte Verfahren wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß die Elektrodenteile weggelassen wurden. Dabei wurden die gleichen Messungen durchgeführt, und die Ergebnisse wurden in Fig. 9 und 10 eingetragen.
Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Maß der Verstellung und der Spannung, wobei mit A das geschichtete piezoelektrische Element gemäß der Erfindung und mit B das herkömmliche geschichtete piezoelektrische Element bezeichnet ist. Aus Fig. 9 wird deutlich, daß das Element nach der Erfindung eine Verstellung aufweist, die um 20 bis 30% größer ist als die des herkömmlichen piezoelektrischen Elements.
Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen dem Maß der Verstellung und der Anzahl an Betriebszyklen. Wie ersichtlich, ist bei dem herkömmlichen geschichteten piezoelektrischen Element ein Durchschlag der Isolierung an der Stelle B 1 aufgetragen, was bedeutet, daß das piezoelektrische Element der vorliegenden Erfindung eine wesentlich höhere Lebensdauer aufweist als das herkömmliche.
Wie oben beschrieben, ist das geschichtete Verstellglied frei von Brücken aufgrund von Spannungskonzentration, Dehnungsanstieg und dergleichen, da zwischen dem auslenkenden Teil (Hauptteil der piezoelektrischen dünnen Platten) und dem nicht-auslenkenden Teil (äußeren Ende oder Seitenabschnitt) ein Pufferabschnitt vorhanden ist. Das erfindungsgemäße Bauteil weist daher eine höhere Lebensdauer und höhere Zuverlässigkeit auf.

Claims (6)

1. Geschichtetes Verstellglied mit einer Vielzahl von dünnen Platten (1) aus elektromechanischem Wandlermaterial, z. B. piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material, die abwechselnd mit den wesentlichen Teil der dünnen Platten (1) bedeckenden inneren Elektroden (2 a, 2 b) aufeinander geschichtet sind, und einem Paar von an beiden Seiten des Laminats mit den inneren Elektroden (2 a, 2 b) verbundenen äußeren Elektroden (3 a, 3 b), wobei im Bereich der inneren Elektroden (2 a, 2 b) ein auslenkender Teil (A) und an die äußeren Elektroden (3 a, 3 b) angrenzend ein nicht-auslenkender Teil (B) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem auslenkenden Teil (A) und dem nicht-auslenkenden Teil (B) ein Pufferabschnitt (C) vorhanden ist, der ein Maß der Auslenkung aufweist, das sich von 0 an einer dem nicht-auslenkenden Teil (B) benachbarten Stelle auf 100% an einer dem auslenkenden Teil (A) benachbarten Stelle allmählich erhöht.
2. Verstellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferabschnitt (C) jede zweite innere Elektrode (2 a, 2 b) zu einem Anteil enthält, der von 0 an einer dem nicht-auslenkenden Teil (B) benachbarten Stelle auf 100% an einer dem auslenkenden Teil (A) benachbarten Stelle allmählich zunimmt.
3. Verstellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferabschnitt (C) aus einem Material mit einer piezoelektrischen Dehnungskonstante d und die dünne Platte (1) aus einem Material mit einer piezoelektrischen Dehnungskonstante d₀ bestehen, wobei das Verhältnis d/d₀ von 0 an einer dem nicht-auslenkenden Teil (B) benachbarten Stelle auf 1 an einer dem auslenkenden Teil (A) benachbarten Stelle allmählich ansteigt.
4. Verstellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Platte (1) im Pufferabschnitt (C) mit einer Isolierschicht (8) einer Dicke t₁ und der Elektrodenschicht einer Dicke t₂ in dieser Reihenfolge beschichtet ist, wobei die Dicken t₁, t₂ und die Dicke t der inneren Elektrode (2 a, 2 b) die Gleichung t₁+t₂=t erfüllen und die Dicke t₁ der Isolierschicht (8) von t an einer dem nicht-auslenkenden Teil (B) benachbarten Stelle auf 0 an einer dem auslenkenden Teil (A) benachbarten Stelle allmählich abnimmt.
5. Verstellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (2 a, 2 b) auf der dünnen Platte (1) im Siebdruckverfahren hergestellt ist.
6. Verstellglied nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (8) und/oder die Elektrodenschicht im Siebdruckverfahren hergestellt sind bzw. ist.
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