DE3850641T2

DE3850641T2 - Struktur zur Versiegelung eines elektrostriktiven Elements.

Info

Publication number: DE3850641T2
Application number: DE3850641T
Authority: DE
Inventors: Takeshi C O Nec Corp Nishizawa
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-12-02
Filing date: 1988-12-02
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2008-12-03
Also published as: EP0319038A3; EP0319038B1; EP0319038A2; DE3850641D1

Description

TECHNISCHES GEBIET:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungskonstruktion für ein Elektrostriktionselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der US-PS A-4,570,095 bekannt ist.
Piezoelektrische Betätigungselemente wurden als vielversprechende mechanische Antriebselemente für Bildplatten- oder Magnetplattenköpfe, verschiedene optische Vorrichtungen und Präzisionspositioniereinrichtungen für Präzisionswerkzeugmaschinen angesehen. Da die durch Elektrostriktionswirkung verursachte mechanische Verschiebung im wesentlichen sehr klein ist, wird normalerweise der rechteckige piezoelektrische Effekt dadurch erhöht, daß eine Vielzahl von keramischen Elektrostriktionsschichten bzw. piezoelektrischen Keramiklagen mit innenliegenden Elektroden aufeinandergestapelt wird, wie sie in der am 21. Juli 1987 erteilten US-PS Nr. 4,681,667 beschrieben werden. Die mechanische Verschiebung kann durch die Verwendung einer mechanischen Verstärkungseinrichtung noch weiter vergrößert werden, wie sie in der am 11. Februar 1986 erteilten US-PS 4,570,095 beschrieben ist.
Bei einem herkömmlichen Elektrostriktionselement, bei dem innenliegende Elektroden auf Silberbasis verwendet werden, tritt an den freiliegenden Enden der innenliegenden Elektroden in feuchter Atmosphäre leicht eine Wanderung auf, was die Ursache für schlechtes Isolierverhalten ist. Bei der Prüfung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeit kommt es an den Seiten oder Ecken des Elektrostriktionselements zur Entladung, was hinsichtlich Verformung und Zuverlässigkeit ernsthafte Probleme aufwirft. Es wurde zwar bereits als Maßnahme vorgeschlagen, das Elektrostriktionselement mit einem Isolierharz zu beschichten, um so ein Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, doch ist der so erzielte Feuchtigkeitswiderstand nicht recht befriedigend. Außerdem leidet die mechanische Verschiebung bei Ausdehnung und Kontraktion des Elektrostriktionselements unter der auf den Seitenflächen des Elektrostriktionselements aufgebrachten Harzschicht.
In der JP-PS-60 128 874 wird eine Elektrostriktionsvorrichtung beschrieben, die ein rohrförmiges Teil, ein in dem rohrförmigen Teil angeordnetes Elektrostriktionselement, ein an einem Ende des Elektrostriktionselements befestigtes erstes Deckelteil, und ein am anderen Ende des Elektrostriktionselements befestigtes zweites Deckelteil aufweist, welches ein Paar besitzt, die mit dem Elektrostriktionselement verbunden sind. Dabei besteht das erste Deckelteil aus einem im Inneren des rohrförmigen Teils verschieblichen Kolben. Die Länge des rohrförmigen Teils ist größer als die Höhe des Elektrostriktionselements, aber kürzer als die Gesamthöhe des Elektrostriktionselements mit daran angesetztem ersten und zweiten Deekelteil.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungskonstruktion für ein Elektrostriktionselement der vorstehend umrissenen Art zu schaffen, die in der Lage ist, ein Eindringen von Feuchtigkeit von außen zu verhindern und die Zuverlässigkeit des Elektrostriktionselements deutlich zu verbessern, ohne daß die mechanische Verschiebung des Elektrostriktionselements dadurch beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Erfindungsgemäß weist die Dichtungskonstruktion des Elektrostriktionselements ein Paar Deckelteile auf, die auf den beiden Enden des Elektrostriktionselements angeordnet sind. Das Elektrostriktionselements ist dabei in ein rohrförmiges Teil in der Weise eingeschoben, daß die Seitenflächen der Deckelteile teilweise von den Endabschnitten des rohrförmigen Teils abgedeckt und so miteinander verbunden sind, daß sie elastische dichtende Verbindungen bilden, beispielsweise ein elastisches Kunstharz oder ein O-Ring, die in den Abständen vorhanden sind, die zwischen dem rohrförmigen Teil 14 und dem ersten und zweiten Deckelteil 11 bzw. 13 vorgesehen sind, um so das Eindringen von Feuchtigkeit von außen in das rohrförmige Teil zu verhindern, während eine geringfügige Verschiebung in Richtung der Rohrachse möglich ist. Eines der Deckelteile weist ein Paar Zuleitungsanschlüsse auf, die mit außenliegenden Elektroden des Elektrostriktionselements über Zuleitungsdrähte verbunden sind. Vorzugsweise bestehen das rohrförmige Teil und die Deckelteile aus Metall, was die Zuverlässigkeit verbessert, während eine elastische Dichtmasse zur Verbindung zwischen dem Metallrohr und den Metalldeckeln verwendet wird, um so die mechanische Verlagerung des Elektrostriktionselements zu erleichtern.
Es ist günstig, wenn das erfindungsgemäße Elektrostriktionsteil in dem rohrförmigen Teil untergebracht ist, wobei in das rohrförmige Teil eine flüssige Isoliermasse eingebracht ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG:

Fig. 1 ist eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht des dritten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß ein gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel angeordneter Elektrostriktonselementaufbau ein Elektrostriktionselement 1 aufweist, das in einem rohrförmigen Teil 14 aufgenommen und mit einem ersten Dekkelteil bzw. Abschlußteil 11 und einem zweiten Deckelteil 13 abgedichtet ist, wobei ein elastisches Dichtharz 15 verwendet wird. Das Abschlußteil 11 weist Zuleitungsanschlußstifte 41 und 42 auf, die mit dem Elektrostriktionselement 1 verbunden sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Elektrostriktionsteil 1 ein Sinterkörper, wie er in der schon erwähnten US-PS 4,681,667 beschrieben ist. Die freiliegenden Enden der innenliegenden Elektroden 5 auf den Seitenflächen des Elektrostriktionsteils 1 sind selektiv mit einem anorganischen Isoliermaterial 6, beispielsweise Glas, beschichtet. Dann wird auf den Seitenflächen ein Paar außenliegender Elektroden 21 und 22 in der Weise ausgebildet, daß unter Bildung von zwei Gruppen kammförmiger Elektrodenteile die innenliegenden Elektroden 5 abwechselnd mit den außenliegenden Elektroden 21 und 22 verbunden werden. Anschließend werden die Zuleitungsdrähte 31 und 32 jeweils über Lötstellen 7 mit den außenliegenden Elektroden 21 und 22 verbunden. Das Elektrostriktionselement 1 ist an dem Abschlußteil 11 und am Deckelteil 13 mit Klebstoff so befestigt, daß es in der in Fig. 1 dargestellten Weise innerhalb des rohrförmigen Teils 14 gehalten wird. Das Abschlußteil 11 ist eine runde Scheibe mit einen Paar Löcher, die mit den Zuleitungsanschlußstiften 41 und 42 versehen sind. Die Zuleitungsanschlußstifte 41 und 42 werden durch eine Glasabdichtung 43 gehalten und sind gegenüber der Atmosphäre abgedichtet. Jeder der Zuleitungsdrähte 31 und 32 ist an den Enden eines der Zuleitungsanschlußstifte 41 und 42 angelötet. Das Abschlußteil 11 und das Deckelteil 13 haben denselben Durchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser des rohrförmigen Teils 14, aber immer noch groß genug, um das Elektrostriktionsteil 1 im Abstand von der Innenwandung des rohrförmigen Teils 14 zu halten. Außerdem ist der Durchmesser der Deckelteile 11 und 13 so gehalten, daß deren Seitenkanten in gleitender Verbindung mit der Innenwandung des rohrförmigen Teils 14 stehen. Das Abschlußteil 11 und das Deckelteil 13 sind unter Verwendung einer elastischen Dichtmasse, beispielsweise Silikonharz und Epoxidharz, flexibel und luftdicht mit dem rohrförmigen Teil 14 verbunden. Wie Fig. 1 zeigt, ist die Höhe des rohrförmigen Teils größer als die Ehe des Elektrostriktionselements 1, jedoch kleiner als die Gesamthöhe des Abschlußteils 11, des Deckelteils und des Elektrostriktionselements 1. Bevorzugte Werkstoffe für das Abschlußteil 11 und das Deckelteil 13 sind Metalle, insbesondere Edelstahl. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als rohrförmiges Teil 14 ein Edelstahlrohr mit 0,5 mm Dicke verwendet.
Der auf diese Weise hergestellte Elektrostriktionselementaufbau wurde 1.000 Stunden lang bei 40 ºC und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 90-95% geprüft, wobei eine Gleichspannung von 150 V angelegt war. Bei der Prüfung ergaben sich keine negativen Ergebnisse.
Beim Anlegen einer Spannung von einer (nicht dargestellten) Stromversorgung über die Zuleitungsanschlußstifte 41 und 42 zwischen den außenliegenden Elektroden 21 und 22 liegt an allen Elektrostriktionslagen 9 zwischen den innenliegenden Elektroden eine Spannung an, die in Achsrichtung des rohrförmigen Teils 14 eine Elektrostriktionsbelastung im Element aufbaut. Beträgt die Dicke jeder Elektrostriktionslage 0,11 mm und sind 770 Lagen aufeinandergestapelt, so läßt sich eine Verschiebung von ca. 0,1 mm erzielen. Bei einer so kleinen Verschiebung kann das elastische Harz die luftdichte Verkapselung aufrechterhalten.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Dieses unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß als elastische Dichteinrichtung ein O-Ring 16 verwendet wird. Das Abschlußteil 11 und das Deckelteil 13 weisen jeweils eine Nut auf, damit der O-Ring 16 elastisch an den Teilen 11 und 13 befestigt werden kann. Die Größe der Nuten ist so festgelegt, daß das Kompressionsverhaltnis des O-Rings 16 einen Wert von 0,85 bis 0,65 annimmt. Der O-Ring 16, auf den Silikonfett aufgetragen ist, wird in jede Nut eingesetzt, worauf ein Edelstahlrohr 14 mit einer Dicke von 0,5 mm von einer Richtung her aufgepreßt wird. Da die Verschiebung des Elektrostriktionselements so klein ist, genügt ein gewöhnlicher O-Ring, um diese Verschiebung aufzufangen, ohne daß es zu einem Verrutschen oder Verschieben zwischen O-Ring und rohrförmigen Teil kommt, da der Wert der Verschiebung des Elektrostriktionselements nicht über den Bereich der elastischen Verschiebung des Gummimaterials hinausgeht, das für einen gewöhnlichen O-Ring verwendet wird. Deshalb kann die hermetische Verkapselung aufrechterhalten werden.
Der auf diese Weise fertiggestellte Aufbau eines Elektristriktionselements wurde unter denselben Bedingungen wie beim ersten Ausführungsbeispiel geprüft und es wurden keinerlei negative Ergebnisse beobachtet.
Fig. 3 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Es unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 nur dadurch, daß eine flüssige Isoliermasse 8 in das rohrförmige Teil 14 eingefüllt ist. Insbesondere ist auf einer Stirnfläche des Elektrostriktionselements 1 ein scheibenförmiges Metallteil 11 aus Edelstahl befestigt, das mit einem Paar Zuleitungsanschlüsse 41 und 42 verseen ist, die über jeweilige Zuleitungsdrähte 31 und 32 mit der außenliegenden Elektrode 21 bzw. 22 verbunden sind. Auf der anderen Stirnseite des Elektrostriktionselements 1 ist ein scheibenförmiges Metallteil 13 mit gleichem Außendurchmesser wie das Metallteil 11 befestigt. Die Verbindungsbereiche zwischen dem rohrförmigen Teil 14 und den Metallteilen 11 und 13 sind mit Epoxidharz 15 abgedichtet. Die Seitenflächen des Elektrostriktionselements befinden sich im Abstand von der Innenwandung des Edelstahlrohrs 14, das eine Dichte von 0,5 mm aufweist, während in das Rohr 14 Silikonöl 8 eingefüllt ist.
Nachfolgend wird nun ein Verfahren zur Herstellung des dargestellten Elektrostriktionselements beschrieben.
In ähnlicher Weise wie in der US-PS Nr. 4,681,667 beschrieben wird ein Mehrkomponenten-Keramikpulver in Form einer festen Lösung, die eine Perowskitstruktur aufweist, mit einem organischen Bindemittel vermischt, um ungebrannte Schichten mit einer Dichte von rund 100 um herzustellen, die mit leitenden Silberschichten in Pastenform für innenliegende Silberelektroden beschichtet werden. Nach dem Trocknen werden die so beschichteten Lagen zum Laminieren in mehreren Zehnerpaketen (beispielsweise in Paketen zu jeweils 72 Lagen) aufeinandergestapelt und gesintert, wodurch man einen Sinterkörper erhält. Da auf den Seitenflächen des Sinterkörpers Enden der innenliegenden leitenden Silberelektrodenschichten freiliegen, werden die Stirnflächen selektiv mit einer Glasisolierung beschichtet. Auf diese Weise werden auf den Seitenflächen außenliegende Elektroden gebildet, die unter Bildung von zwei Gruppen einer kammförmigen innenliegenden Elektrodenkonstruktion abwechselnd in jeweils zwei Lagen mit den innenliegenden Silberelektroden verbunden werden. Die Zuleitungsdrähte werden an die außenliegenden Elektroden für den Außenanschluß angelötet. Das auf diese Weise hergestellte Elektrostriktionselement 1 wird im Inneren des Rohres 14 mit dem Silikonöl 8 abgedichtet, nachdem es an den Metallteilen 11 und 13 befestigt wurde.
Das so hergestellte Elektrostriktionselement wurde unter denselben Bedingungen wie beim ersten Ausführungsbeispiel geprüft, und negative Ergebnisse wurden dabei nicht beobachtet.
Fig. 4 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Es unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel nur dadurch, daß in den Innenraum des rohrförmigen Teils 14 Silikonöl eingefüllt ist. Da alle anderen Merkmale und Konstruktionen genauso wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel sind, kann eine ausführliche Beschreibung hier entfallen.
Auch wenn im vorstehenden Fall Silikonöl verwendet wurde, kann es sich bei dem in das Rohr einzufüllenden flüssigen Isoliermaterial genauso gut um Öle auf der Basis von perfluorierten Kohlenwasserstoffen oder um Mineralöle handeln.
Wie vorstehend erläutert kann mit dieser Erfindung das Eindringen von Feuchtigkeit von außen in ein Elektrostriktionselement verhindert werden, ohne daß die vom Elektrostriktionselement verursachte mechanische Verschiebung in dem Rohrelement unterbunden wird. Ist das rohrförmige Teil mit einer flüssigen Isoliermasse gefüllt, so verbessert sich die elektrische Betriebszuverlässigkeit des Elektrostriktionselements noch weiter.

Claims

1. Dichtungskonstruktion für ein Elektrostriktionselement (9) aus einer Vielzahl übereinandergestapelter Elektrostriktionslagen, welche folgendes aufweist:

(a) ein rohrförmiges Teil (14), in welchem das Elektrostriktionselement (9) in der Weise untergebracht ist, daß die Innenwandung des rohrförmigen Teils sich im Abstand von dem Elektrostriktionselement (9) befindet,

(b) ein an einem Ende des Elektrostriktionselements (9) befestigtes erstes Deekelteil (13),

(c) ein am entgegengesetzten Ende des Elektostriktionselements (9) befestigtes zweites Deckelteil (11), welches Elektrodenanschlüsse (41, 42) aufweist, die mit dem Elektrostriktionselement (9) verbunden sind,

(d) wobei das erste und das zweite Deckelteil (13, 11) unter Verwendung einer Dichtungseinrichtung aus elastischem Kunstharz flexibel und luftdicht mit dem rohrförmigen Teil (14) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

(e) das Elektrostriktionselement (9) in der Weise in das rohrförmige Teil (14) eingesetzt ist, daß die Seitenflächen des ersten und zweiten Deckelteils (13, 11) jeweils teilweise durch einen der Endbereiche des rohrförmigen Teils (14) überdeckt sind, wobei

(f) das erste und zweite Deckelteil (13, 11) jeweils aus einer runden Scheibe bestehen, deren Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des rohrförmigen Teils (14), so daß Seitenkanten des ersten und zweiten Deckelteils (13, 11) in gleitender Berührung mit der Innenwandung des rohrförmigen Teils (14) stehen, und wobei

(g) die Dichtungseinrichtung (15, 16) jeweils Spalte zwischen der Innenandung der Endbereiche des rohrförmigen Teils (14) und der jeweiligen Seitenkante des ersten und zweiten Deckelteils (13, 11) abdichtet,

(h) und wobei die Dicke und die Anzahl der übereinandergestapelten Lagen so gewählt sind, daß der Wert der Verschiebung des Elektrostriktionselements (9) in Richtung der Röhrenachse nicht über den Bereich der elastischen Verschiebung des elastischen Kunstharzes der Dichtungseinrichtung (15, 16) hinausgeht, welche diese Verlagerung aufnimmt, ohne ein Verrutschen oder Verschieben zwischen der Dichtungseinrichtung (15, 16) und dem rohrförmigen Teil (14) herbeizuführen.

2. Dichtungskonstruktion nach Anspruch 1, bei welcher die Dichtungseinrichtung ein elastisches Kunstharz (15) oder ein O- Ring (16) ist.

3. Dichtungskonstruktion nach Anspruch 3, bei welcher im ersten und zweiten Deckelteil (13, 11) jeweils eine Nut um deren seitliche Kantenereiche vorgesehen ist, deren Tiefe kleiner ist als der Durchmesser des Querschnitts des O-Rings (16).

4. Dichtungskonstruktion nach Anspruch 1, bei welcher die Verschiebung des Elektrostriktionselements (9) etwa 0,1 mm beträgt.

5. Dichtungskonstruktion nach Anspruch 1, bei welcher das erste und das zweite Deckelteil (13, 11) sowie das rohrförmige Teil (14) aus Metall bestehen.

6. Dichtungskonstruktion nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine in den Innenraum des rohrförmigen Teils (14) eingefüllte Isolierflüssigkeit (8) aufweist.