DE4025618A1

DE4025618A1 - Piezoelektrisches roehrchen und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE4025618A1
Application number: DE4025618A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Phys Moeckl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: MOECKL, THOMAS, 96450 COBURG, DE
Priority date: 1990-08-13
Filing date: 1990-08-13
Publication date: 1992-02-20

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Röhrchen, dessen axiale Länge sich beim Anlegen einer Spannung verändert. Sie bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Röhrchens.

Piezoelektrische Röhrchen der eingangs genannten Art werden im Stande der Technik als elektromechanische Stellelemente verwen det. Sie finden beispielsweise bei der Feinfokussierung von op tischen Instrumenten Anwendung. Darüber hinaus haben sie eine weit verbreitete Anwendung als Tintendrucker-Röhrchen gefunden. Vielfach werden piezoelektrische Röhrchen auch als Stellelemen te für die Mikropositionierung bei Raster-Tunnel-Mikroskopen eingesetzt (vergleiche "Jahresbericht der Kernforschungsanlage Jülich GmbH", 1987/88, Seiten 23 bis 31).

Man ist allgemein bestrebt, ein solches piezoelektrisches Röhr chen so zu bauen, daß es mit einer vergleichsweise niedrigen Betriebsspannung auskommt, beispielsweise mit 170 V. Bei den üblicherweise verwendeten Arten von Piezokeramiken bedeutet dies, daß die wirksame Keramikdicke kleiner/gleich 0,5 mm, vorzugsweise etwa 0,100 mm, sein sollte. Die bekannten Röhr chen arbeiten mit wesentlich höheren Betriebsspannungen (zum Beispiel 1000 V) und größeren Wandstärken (zum Beispiel 0,5 bis 1,0 mm).

Piezokeramische Röhrchen werden bisher als gebohrte und ge schliffene Teile oder als Strangpreßteile hergestellt. Die Wandstärken, die mit den Techniken des Bohrens und Schleifens sowie des Strangpressens von Piezokeramik möglich sind, liegen im wesentlichen über 0,5 mm. Sie hängen stark von dem Durchmes ser des Röhrchens ab. Das heißt, Röhrchen mit einem großen Durchmesser, zum Beispiel von 10 mm, lassen sich in Strangpreß technik wesentlich schwieriger mit dünnen Wänden fertigen als zum Beispiel Röhrchen mit kleinerem Durchmesser.

Übliche Tintendrucker-Röhrchen haben daher einen Außendurchmes ser von ca. 2,2 mm und eine Wandstärke von ca. 0,5 mm.

Insbesondere während des Sintervorgangs verformen sich dünnwan dige Piezokeramik-Röhrchen mit großem Durchmesser in unzulässi ger Weise.

Der Einsatz von piezoelektrischen Röhrchen mit Wandstärken, die größer als 0,5 mm sind, ist durch die erforderliche hohe Span nung zur Erzielung der für eine nennenswerte Elongation erfor derlichen Feldstärke von bis zu 2000 V/mm beschränkt.

Aus der Publikation "Ferroelectrics", 1986, Vol. 68, pp. 145-156, insbesondere Fig. 3, sind Multilayer-Piezokeramiken mit einer Dicke der einzelnen Keramik-Schichten von 30 µ bis 150 µ und entsprechend niedrigen Betriebsspannungen bekannt. Diese Piezo keramiken wurden in Planartechnik bereits hergestellt, und zwar für Biegewandler und Stapelelongatoren. Diese Multilayer-Piezo keramik-Technik war bisher für piezoelektrische Röhrchen, also für gekrümmte Oberflächen, nicht verfügbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Röhrchen der eingangs genannten Art anzugeben, das mit einer vergleichs weise niedrigen Betriebsspannung zwecks Erzielung einer nen nenswerten axialen Elongation, das heißt mit einer geringen wirksamen Wandstärke, auskommt. Bei Verwendung einer piezoelek trischen Keramik soll diese Wandstärke höchstens 0,5 mm betra gen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen piezoelektrischen Röhrchens anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Röhr chen erfindungsgemäß gelöst durch einen rohrförmigen Polygon körper mit polygonförmig angeordneten Piezoplatten.

Bevorzugt sind die Piezoplatten auf dem rohrförmigen Polygon körper innen und außen aufgebracht, insbesondere aufgeklebt. Der rohrförmige Polygonkörper ist bevorzugt aus einer Faser ge wickelt, die zu einem Faserverbund verklebt ist. Die Faser ist dabei mit Vorteil eine Kohlefaser, so daß der gesamte Faserver bund elektrisch leitfähig ist.

Für das Aufkleben der Piezoplatten und für des Verkleben der Faser wird zweckmäßigerweise jeweils derselbe Klebstoff ver wendet. Dies ist mit Vorteil ein Kunststoff, insbesondere ein Epoxidharz-Kleber.

Die zweitgenannte Aufgabe betreffend Angabe eines Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Röhrchens wird erfin dungsgemäß dadurch gelöst, daß auf einen polygonen Kern eine Faser, vorzugsweise eine Kohlefaser, gewickelt wird, daß die einzelnen Windungen miteinander verklebt werden, so daß ein polygonaler Faserverbund entsteht, daß der Kern aus dem Faser verbund entfernt wird, und daß auf die Innen- und/oder Außen seiten des polygonalen Faserverbundes Piezoplatten aufgeklebt werden.

Die Erfindung sieht also vor, ein Stellelement in Rohrform da durch herzustellen, daß auf einen rohrförmigen Polygonkörper dünne Piezoplatten, bevorzugt mit einer Schichtdicke von weni ger als oder höchstens gleich 0,5 mm, geklebt werden. Diese Piezoplatten können mehrlagig oder in Multilayer-Ausführung vorliegen. Der rohrförmige Polygonkörper kann dabei zum Bei spiel ein Sechskantträger aus einem cirkumfilar-gewickelten Fa serverbundstoff sein. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei aus einem elektrisch leitfähigen Kohlefaserverbund.

Ein unifilar-gewickelter rohrförmiger Polygonkörper, insbeson dere aus Kohlefaser, besitzt eine extreme Anisotropie des Ela stizitätsmoduls in axialer und radialer Richtung. Ein so auf gebauter Polygonkörper ist in radialer Richtung relativ steif, selbst bei geringer Wandstärke. In axialer Richtung dagegen ist er leicht dehnungsfähig. Sind Piezoplatten innen und/oder außen aufgeklebt, so wird eine Verzerrung der aufgeklebten Piezoplat ten in dieser axialen Richtung nur nach Maßgabe des relativ kleinen Elastizitätsmoduls der Verbundmatrix in dieser Richtung gehemmt.

Als Vorteil wird es angesehen, daß nunmehr piezoelektrische Röhrchen relativ dünnwandig hergestellt werden können; das heißt, der Durchmesser kann groß sein gegen ihre Wandstärke. Bei der Herstellung fallen gegenüber der Bearbeitung durch Boh ren, Schleifen oder Strangpressen nur vergleichsweise geringe Kosten an. Von besonderem Vorteil ist es aber, daß ein solches dünnwandiges Röhrchen mit einer relativ niedrigen Ansteuer- oder Betriebsspannung auskommt, und zwar mit einer Spannung unterhalb von 300 V. Bei Optimierung lassen sich Ansteuerspan nungen von 60 V oder sogar weniger erreichen. Dabei kann es sich um eine Gleich- oder Wechselspannung handeln.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von sechs Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Herstellung eines unifilar gewickelten rohrförmigen Polygonkörpers mit Hilfe eines Sechskant-Dorns in einer Stirnansicht;

Fig. 2 die Herstellung des Polygonkörpers nach Fig. 1 in einer Seitenansicht;

Fig. 3 die Herstellung eines zweilagigen Polygonkörpers in einer Seitenansicht;

Fig. 4 ein piezoelektrisches Röhrchen mit rohrförmigem Polygon körper und innen und außen aufgeklebten Piezoplatten ge mäß einer ersten Ausführungsform in einer perspektivi schen Ansicht;

Fig. 5 eine Polygon-Anordnung von Piezoplatten mit zwischenge lagerten Isolier-Streifen als Vorstufe einer zweiten Aus führungsform eines piezoelektrischen Röhrchens; und

Fig. 6 die durch innere und äußere Kohlefaser-Wicklungen ver vollständigte zweite Ausführungsform nach Fig. 5.

Nach Fig. 1 und 2 wird auf einen polygonen Dorn oder Kern 2, der zum Beispiel aus einem Kunststoff wie Teflon oder aus einem teflonbeschichteten Metallkörper bestehen kann, einlagig und eng benachbart eine Faser oder ein Faden 4 aus Kohle gewickelt. Koh lefaser hat neben dem Vorteil der elektrischen Leitfähigkeit den Vorzug eines hohen Elastizitätsmoduls in seiner Längsrichtung. Der Faden 4 ist relativ leicht biegbar. Er hat zum Beispiel ei nen Durchmesser von weniger als 50 µm, typisch von 1 bis 10 µm. Die nebeneinanderliegenden Windungen des Fadens 4 werden auf dem polygonen Kern 2, der insbesondere als Sechskant ausgebil det ist, mit einem Kleber miteinander verklebt. Hierbei kann ins besondere ein Kunststoff wie insbesondere Epoxidharz-Kleber An wendung finden. Nach dem Aushärten des Klebers ergibt sich ein polygoner, unifilar verklebter Faserverbund, der generell mit 6 bezeichnet ist. Der Dorn 2 wird aus diesem Faserverbund 6 nach dem Aushärten herausgezogen. Der verbleibende rohrförmige Poly gonkörper oder Sechskant-Faserverbund 6 besitzt in axialer Rich tung einen relativ kleinen Elastizitätsmodul E₁ und quer dazu einen relativ großen Elastizitätsmodul E_{2, 3}. Dieser rohrförmi ge Polygonkörper 6 wird, wie später anhand der Fig. 4 deutlich wird, als Trägerrohr (speziell als Sechskantträger) verwendet.

Aus Fig. 3 geht hervor, daß der rohrförmige Polygonkörper 6 auch mehrlagig, insbesondere zweilagig (bifilar), aufgebaut sein kann. Nach Fig. 3 wird auf den polygonen Kern 2 zunächst eine erste Lage Kohlefaser 4 und dann - mit möglichst kleinem Kreuzungswinkel - eine zweite Lage Kohlefaser 4 darüber ge wickelt. Diese Kohlefaser 4, die im übrigen in der Luftfahrt industrie weite Verbreitung gefunden hat, wird sodann auch hier in einem Epoxidharz-Kleber getränkt. Sobald der Kleber aushär tet, wird der Dorn 2 aus dem nun steifen Trägerrohr 6 herausge zogen. Auch hier gilt, daß nach vollständigem Aushärten der E- Modul E₁ klein und daß der E-Modul E_{2, 3} groß ist. Der Polygon träger oder -körper 6 ist dann in radialer Richtung relativ steif.

Aus Fig. 4 ergibt sich anhand einer ersten Ausführungsform, daß auf einen rohrförmigen Polygonkörper 6 nach Fig. 2 oder 3, insbesondere in Kohlefaser-Wickeltechnik, außen langgestreckte Piezoplatten 8 und innen parallel dazu langestreckte Piezoplat ten 10 aufgebracht, speziell aufgeklebt sind. Diese Piezoplat ten 8, 10 besitzen somit jeweils eine polygonförmige Anordnung. Sowohl die inneren als auch die äußeren Piezoplatten 8, 10 ha ben eine Dicke von weniger als 0,5 mm, beispielsweise von 250 µ. Sie können aus einer einstückigen oder nicht-strukturierten Piezokeramik bestehen. Sie können insbesondere auch in Multi layer-Technik ausgeführt sein, vorzugsweise mit einer Dicke der einzelnen Schichten oder Keramiklagen im Bereich von 30 bis 150 µ. Diese bisher an sich nur für planare Gebilde verfügbare Technik ist somit auch für rohrförmige Stellelemente einsetz bar. Beide Sorten von Piezoplatten 8, 10 sind vor dem Aufkleben bevorzugt beidseitig metallisiert, das heißt mit Flächenelektro den versehen.

Das Aufkleben der Piezoplatten 8, 10 auf den Außenflächen bzw. den Innenflächen des rohrförmigen Polygonkörpers 6 wird jeweils durch Andrücken vorgenommen, bevor der für die Herstellung des Polygonkörpers 6 verwendete Kleber voll ausgehärtet ist. Für das Verkleben der Faser 4 und für das Aufkleben der Piezoplat ten 8, 10 wird somit derselbe Klebstoff verwendet. Das Aushär ten des Klebers im Faserverbund kann in einem Ofen vorgenommen werden. Auf diese Weise läßt sich eine besonders wirtschaftli che Herstellung des piezoelektrischen Röhrchens erreichen.

An jeweils einem Beispiel ist in Fig. 4 gezeigt, wie die Außen- und Innenelektroden mit elektrischen Anschlüssen versehen sind. Die Außenelektrode jeder äußeren Piezoplatte 8 ist mit einem Lötstützpunkt oder Lötanschluß 12 für einen Zuleitungsdraht 14 versehen. Entsprechend ist die im Zentrum des Röhrchens zuge wandte Elektrode der inneren Piezoplatte 10 mit einem Lötstütz punkt 16 versehen, zu dem ein Zuleitungsdraht 18 führt. Die ein ander zugewandten Elektroden der äußeren und der inneren Piezo platten 8 bzw. 10 liegen auf den ebenen Flächen des Polygonkör pers 6 an. Da dieser leitfähig ist, genügt es, diesen Polygon körper 6 selbst mit einem Lötstützpunkt 20 zu versehen, zu dem ein Zuleitungsdraht 22 führt. Der Polygonkörper 6 wird somit als eine Elektrode benutzt. Durch Anlegen einer Spannung U an die Zuleitungsdrähte 14, 18 einerseits und an den Zuleitungs draht 22 andererseits wird das gezeigte piezoelektrische Röhr chen veranlaßt, seine axiale Länge zu verändern.

Anstelle des gezeigten Sechskant-Röhrchens mit Sechskant-Rohr träger 6 in Kohlefasertechnik und mit plattenförmigen Piezoke ramiken 8, 10 kann auch eine andere Polygon-Konfiguration ge wählt werden. Beispielsweise läßt sich eine achteckige Konfi guration wählen.

Das bei der Herstellung des Röhrchens nach Fig. 4 benutzte Herstellungsverfahren läßt sich somit kurz dadurch charakteri sieren, daß auf einen polygonen Kern 2 eine Faser 4, vorzugs weise eine Kohlefaser, gewickelt wird, daß die einzelnen Win dungen miteinander verklebt werden, so daß ein polygonaler Fa serverbund 6 entsteht, daß der Kern 2 aus dem Faserverbund 6 entfernt wird und daß auf die Innen- und/oder Außenseiten des po lygonalen Faserverbundes 6 Piezoplatten 8, 10 aufgeklebt werden.

Die in Fig. 4 gezeigte erste Ausführungsform eines piezoelek trischen Röhrchens nach der Erfindung läßt sich mit Vorteil als Vorsteuerventil, zum Beispiel für automatische Bremssysteme bei Autos (ABS-Systeme) zur Steuerung des Luftdrucks, einsetzen. Es kann aber auch Anwendung in der Mikroskopie, zum Beispiel zur Verstellung des Tubus über einen kleinen Bereich, finden. Der große Vorteil ist in der geringen Wandstärke und damit in der niedrigen Betriebsspannung U, die zwecks Erzielung einer nen nenswerten Elongation erforderlich ist, zu sehen. Diese Span nung U liegt insbesondere unter 300 V, zum Beispiel bei unter 60 V bei Anwendung der Multilayer-Technik.

Die in den Fig. 5 und 6 gezeigte zweite Ausführungsform baut ebenfalls auf polygonförmig angeordneten Piezoplatten 50 auf. Auch diese Piezoplatten 50 bestehen bevorzugt aus einer Piezo keramik, bevorzugt in Multilayer-Technik. Zwischen den Kanten der auch hier sechseckig angeordneten Piezoplatten 50 sind je weils Streifen oder Paßstücke 52 aus einem elektrisch isolie renden Material mit einem besonders geringen Elastizitätsmodul angeordnet. Bei diesen Einlegestreifen 52 kann es sich insbeson dere um solche aus Gummi handeln. Sie dienen der Isolierung der einzelnen Piezoplatten 50 voneinander. Sie verhindern, wie aus Fig. 6 hervorgeht, einen Kurzschluß zwischen den Elektroden beim Verkleben mit einer inneren Kohlefaser-Wicklung 54 und mit einer äußeren Kohlefaser-Wicklung 56. Denn die Piezoplatten 50 sind auch hier wieder beidseitig metallisiert, das heißt mit Flachelek troden versehen. Die Wicklungen 54, 56 können Kohlefaser-Kunst stoff-Wicklungen 6 entsprechend Fig. 2 und/oder Fig. 3 sein.

Die innere Kohlefaser-Wicklung 54 kann beispielsweise auf einen Dorn (nicht gezeigt) in Polygonform gewickelt worden sein, be vor sie mit Kleber verklebt und in das ringförmige Gebilde 50, 52 eingebracht wurde. Die äußere Kohlefaser-Wicklung 56 wird da gegen nach dem Aufbringen der Piezoplatten 50 und der isolie renden Streifen 52 auf die Wicklung 54 auf den gesamten Aufbau 50, 52, 54 gewickelt. Die Kohlefaser-Wicklungen 54 und 56 stel len hierbei jeweils insgesamt eine Innenelektrode bzw. eine Außenelektrode dar. Diese sind mit Lötstützpunkten 58, 60 ver sehen. Zwischen die beiden Elektroden wird die Steuerspannung U gelegt, wie in Fig. 6 angedeutet ist.

Im Gegensatz zu Fig. 5 ist in Fig. 6 dargestellt, daß ins gesamt acht Piezoplatten 50 vorhanden sind, die unterschiedli che Breite aufweisen. Dadurch ergibt sich für den Querschnitt eine nicht-axialsymmetrische Konfiguration. Aus Fig. 6 wird also deutlich, daß die Piezoplatten 50 praktisch in jeder ge wünschten polygonen Konfiguration angeordnet werden können.

Claims

1. Piezoelektrisches Röhrchen, dessen axiale Länge sich beim Anlegen einer Spannung (U) verändert, gekennzeich net durch einen rohrförmigen Polygonkörper (6) mit polygon förmig angeordneten Piezoplatten (8, 10; 50) .

2. Röhrchen nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Piezoplatten (8, 10) auf dem rohr förmigen Polygonkörper (6) innen und/oder außen aufgebracht sind.

3. Röhrchen nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Piezoplatten (8, 10) aufgeklebt sind.

4. Röhrchen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Polygon körper (6) aus einer Faser (4) gewickelt ist, die zu einem Faserverbund verklebt ist.

5. Röhrchen nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Faser (4) eine Kohlefaser ist.

6. Röhrchen nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekenn zeichnet, daß für das Aufkleben der Piezoplatten (8, 10) und für das Verkleben der Faser (4) derselbe Klebstoff vor gesehen ist.

7. Röhrchen nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufkle ben und/oder Verkleben Kunststoff, insbesondere ein Epoxid- Harz-Kleber, verwendet ist.

8. Röhrchen nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Polygonkörper (6) unifilar oder bifilar gewickelt ist.

9. Röhrchen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Polygonkörper (6) ein Sechskantkörper, insbesondere ein Sechskantträger, ist.

10. Röhrchen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezo platten (8, 10; 50) eine Dicke von weniger als 0,5 mm, vorzugs weise von 0,20 bis 0,25 mm, besitzen.

11. Röhrchen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezo platten (8, 10; 50) aus einer Piezokeramik, insbesondere aus einer Blei-Zirkonat-Titan-Keramik, bestehen.

12. Röhrchen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezo platten (8, 10; 50) aus einer Multilayer-Piezokeramik bestehen, vorzugsweise mit einer Dicke der einzelnen Schichten im Bereich von 30 bis 150 µ.

13. Röhrchen nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die dem Polygonkörper (6) abgewandten Seiten der Piezoplatten (8, 10) metallisiert sind.

14. Röhrchen nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der rohr förmige Polygonkörper (6) als Elektrode (20) zum Anlegen der Spannung (U) vorgesehen ist.

15. Röhrchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezo platten (50) innerhalb eines polygonförmigen Verbunds angeord net sind (Fig. 6).

16. Röhrchen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere und eine innere Wicklung (54, 56), vorzugsweise eine Kohlefa ser-Kunststoffwicklung, vorgesehen ist (Fig. 6).

17. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Röhrchens, dessen axiale Länge sich beim Anlegen einer Spannung (U) verändert, dadurch gekennzeichnet,
daß auf einen polygonen Kern (2) eine Faser (4), vorzugsweise eine Kohlefaser, gewickelt wird,
daß die einzelnen Windungen miteinander verklebt werden, so daß ein polygonaler Faserverbund (6) entsteht,
daß der Kern (2) aus dem Faserverbund (6) entfernt wird, und
daß auf die Innen- und/oder Außenseiten des polygonalen Faser verbundes (6) Piezoplatten (8, 10) aufgeklebt werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die einzelnen Wicklungen der Faser (4) mit einem aushärtbaren Kleber verklebt werden, und daß noch vor dem Aushärten des Klebers die Piezoplatten (8, 10) zwecks Auf klebens auf die Innen- und/oder Außenseiten aufgebracht werden.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezo platten (8, 10) vor dem Aufkleben auf die Innen- und/oder Außenseiten des polygonalen Faserverbundes (6) mit Elektroden (12, 16) zum Anlegen der Spannung (U) versehen werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufkleben der Piezoplatten (8, 10) ein Kleber vorgesehen ist, und daß zum Aushärten des Klebers der Faserverbund (6) in einen Ofen gegeben wird.