HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen laminierten
piezoelektrischen Antrieb nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1, in dem eine Vielzahl von Elektrostriktions
effekt-Elementen miteinander in ihrer longitudinalen
Auslenkungsrichtung verbunden sind.
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Herkömmlich wurde, als ein Antrieb der den
Elektrostriktionseffekt ausnutzt, ein laminierter
piezoelektrischer Antrieb verwendet, der es gestattet, eine
große Auslenkung zu erzielen. Dieser Antrieb wurde
folgendermaßen hergestellt: Nachdem ein Film eines
piezoelektrischen keramischen Materials mit einer Dicke
von ungefähr 100 µm gebildet ist und eine elektrisch
leitende Paste auf seine Oberfläche gedruckt ist, wird er
in eine vorbestimmte Größe zerschnitten, um Schichten zu
bilden, die mit 10 bis 100 Schichten laminiert sind. Auf
jeder Oberfläche dieser laminierten Struktur ist eine
Schicht piezoelektrischen keramischen Materials ohne die
elektrisch leitende Paste mit einigen bis 10 Schichten
laminiert. Es wird gesintert und poliert, um eine
konstante Dicke zu erzielen. Danach werden Schneide- und
Isolierungsarbeitsgänge und die Bildung von Leitungen
durchgeführt, um so ein Elektrostriktionseffekt-Element
zu erzielen, in dem die Distanz zwischen den Elektroden
klein ist und die Anzahl der laminierten Schichten groß
ist.
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Die Auslenkung des so erzielten Elektrostriktionseffekt
Elements erreicht ungefähr 10 µm bis 20 µm (wenn 150 V
angelegt ist). Falls eine noch größere Auslenkung erzielt
werden soll, so ist es möglich, die Anzahl der
laminierten Schichten der vorstehenden Schicht zu
erhöhen, aber falls die Anzahl der Lagen erhöht wird, kann
bei der Sinterung ein Bruch oder eine Ablösung auftreten.
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Daher wurden herkömmlich, um eine noch größere Auslenkung
zu erzielen, die oben beschriebenen
Elektrostriktionseffekt-Elemente mit einem Klebewirkstoff
aneinandergeklebt, um eine Schichtung zu bilden, und sie
wurden mit einer Umhüllung versiegelt, die aus einem
metallischen Gehäuse und metallischen Teilen besteht, um
den Antrieb herzustellen.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt, der die Bauweise eines
solchen herkömmlichen laminierten piezoelektrischen
Antriebs zeigt.
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Bezugnehmend auf Fig. 1 sind eine Vielzahl von
Elektrostriktionseffekt-Elementen 1 mit einem Klebewirkstoff 11
aneinandergeklebt, um eine Schichtung zu bilden, und die
Elektroden dieser Elemente sind mit Leitungsterminals 2a,
2b über die Leitungen 4a, 4b verbunden. Zwei
scheibenförmige metallische Teilstücke 3, 6 sind mit
öffnungsabschnitten 5a, Sb eines zylindrischen
metallischen Gehäuses 5 verbunden. Die oberen und unteren
Endabschnitte 1a und 1b der Schichtung des
Elektrostriktionseffekt-Elements 1 sind jede mit dem
Klebewirkstoff 11 an die Aussparungsabschnitte geklebt,
die an der inneren Oberfläche der metallischen Teilstücke
3 und 6 gebildet sind.
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Tatsächlich tritt, obwohl im allgemeinen die Auslenkung
der Elektrostriktionseffekt-Elemente eine longitudinale
Deformation der piezoelektrischen Keramik erzeugt, die
von der angelegten Spannung verursacht wird, zur gleichen
Zeit auch eine transversale Deformation auf, deren
Magnitude proportional zur Stärke des elektrischen Feldes
ist. Als Resultat beläuft sich, wenn eine Spannung
angelegt ist, die Stärke des elektrischen Feldes der
piezoelektrischen Keramik an dem geklebten Abschnitt auf
eine Größenordnung vom 1/10 des einen 1/1000 der Stärke
des elektrischen Feldes der piezoelektrischen Keramik an
dem anderen Abschnitt, und die transversale Deformierung
nimmt auch eine ähnliche Differenz an. Um diese Differenz
der transversalen Deformierungen über die Gestalt des
Elektrostriktionseffekt-Elements zu absorbieren, wird die
piezoelektrische Keramik an den geklebten Abschnitten in
eine konvexe Form deformiert. Als Konsequenz tendiert,
wenn eine Vielzahl von Elementen geklebt sind, die
geklebte Oberfläche dazu, jedes Mal, wenn eine Spannung
an den piezoelektrischen Antrieb angelegt wird, in eine
konvexe Form zu deformieren, wobei eine große Spannung in
der Nachbarschaft des geklebten Abschnitts verursacht
wird. Wenn daher die Spannung wiederholt an- und
abgeschaltet wird, kann eine Abschälung an der geklebten
Schicht oder ein Bruch der piezoelektrischen Keramik in
der Nachbarschaft der geklebten Schicht auftreten.
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Zusätzlich kann in Abhängigkeit des Materials oder der
Dicke des klebenden Wirkstoffes die Auslenkung in der
Größenordnung von einigen 10% an jeder geklebten Schicht
absorbiert und reduziert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
laminierten piezoelektrischen Antrieb der eingangs
genannten Art bereitzustellen bei dem, selbst wenn die
Spannung wiederholt an- und abgeschaltet wird, weder eine
Abschälung an der geklebten Schicht noch ein Bruch der
piezoelektrischen Keramik in der Nachbarschaft der
geklebten Schicht auftritt, während eine Reduktion seiner
Auslenkung, die von der Verbindung der
Elektrostriktionseffekt-Elemente verursacht wird, klein ist.
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Der erfindungsgemäße piezoelektrische Antrieb hat ein
Merkmal, daß eine Vielzahl von piezoelektrischen Effekt-
Elementen in ein röhrenförmiges unterstützendes Bauteil
eingesetzt sind, das eine innere Ausbildung hat, die dem
Profil der Elemente entspricht und in der Lage ist, die
Elemente in ihrer Auslenkungsrichtung zu verbinden und zu
positionieren, um so die Elemente ohne einen klebenden
Wirkstoff zu verwenden, zu stützen.
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Wenn die Vielzahl von Elektrostriktionseffekt-Elementen
aufeinander geschichtet werden, werden sie gedrückt und
fixiert von einer Springfeder des metallischen Gehäuses 5
in das unterstützende Bauteil eingebracht, so daß, wenn
Spannung an den laminierten piezoelektrischen Antrieb
angelegt wird, die Deformation der Kontaktabschnitte der
Elemente, die von der Differenz zwischen der Stärke des
elektrischen Feldes der piezoelektrischen Keramik in der
Nachbarschaft der Kontaktabschnitte und der Stärke des
elektrischen Feldes der piezoelektrischen Keramik
zwischen den internen elektrisch leitenden Schichten,
verhindert werden kann, und selbst wenn die Spannung
wiederholt an- und abgeschaltet wird, kein Bruch der
Keramik oder ein Ablösen der Kontaktabschnitte auftreten
kann.
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Zusätzlich kann, da kein klebender Wirkstoff für die
Verbindung der Elektrostriktionseffekt-Elemente verwendet
wird, die Anzahl der Mannstunden, die für die Verbindung
benötigt wird, drastisch reduziert werden, und ein
Schaden der geklebten Zwischenfläche, der von thermischer
Spannung verursacht werden kann, wenn der Klebstoff
ausgehärtet wird, kann ebenso effektiv vermieden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines konventionellen
piezoelektrischen Antriebs in einem metallischen Gehäuse;
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Fig. 2 ist ein Längsschnitt eines laminierten
piezoelektrischen Antriebs nach einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Darstellung
des Antriebs von Fig. 2; und
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Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung eines Blockes
für die Bildung eines unterstützenden Bauteils, das in
einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORTEILHAFTEN AUSFÜHRUNGEN
DER ERFINDUNG
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Verweisend auf Fig. 2 und 3, ist eine Vielzahl von
Elektrostriktionseffekt-Elementen 1 in vertikaler
Richtung verbunden gestapelt. Jedes Element 1 ist
gebildet, indem eine Vielzahl von
Elektrostriktionsmaterial-Schichten und eine Vielzahl von internen
Elektrodenschichten alternierend laminiert sind. Das
bedeutet, daß die Auslenkungsrichtung jedes Elements 1
vertikal ist. Das Element 1 bildet, wie in Fig. 3
gezeigt, die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds mit
quadratischem Querschnitt.
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Ein Stapel der Elemente 1 wird mittels einem
unterstützenden Bauteil 7 erzielt. Dieses unterstützende
Bauteil 7 hat, wie in Fig. 3 gezeigt, im wesentlichen die
gleiche Länge wie die gesamte Länge der verbundenen
Elemente, und nimmt die Form eines rechtwinkligen
Parallelepipeds mit einem Hohlraum an, wobei der
Querschnitt seines Hohlraumes einige mm größer als der des
Elements ist, und das unterstützende Bauteil 7 aus
isolierendem Material hergestellt ist. Zusätzlich sind
unter seinen vier lateralen Oberflächen zwei einander
gegenüberliegende laterale Oberflächen beide mit einer
sich vertikal erstreckenden Einkerbung versehen, so daß
Leitungen 4a, 4b des Elements 1 hindurchführen können.
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Die oberen und unteren Endabschnitte 1a und 1b des
Stapels der Elemente 1 werden von dem unterstützenden
Bauteil 7 jedes auf den metallischen Teilstücken 3 und 6
gehalten. Eines der metallischen Bauteile 3 ist im
wesentlichen scheibenförmig, und auf seiner unteren
Oberfläche ist eine Ausnehmung gebildet, so daß die oberen
Endabschnitte la, 7a des unterstützenden Bauteils 7 und
der Stapel der Elemente darin aufgenommen werden können.
Zusätzlich sind zwei Leitungsterminals 2a, 2b an dem
metallischen Teilstück 3 angeordnet, und an diese
Terminals sind die Endabschnitte der Leitungen 4a, 4b,
die von jedem Element 1 fortführen, über die Lötstellen
101a und 101b verbunden. Das andere metallische Teilstück
6 ist auch im wesentlichen scheibenförmig. An der oberen
Oberfläche des metallischen Teilstückes 6 ist eine
Ausnehmung derart gebildet, daß die unteren Endabschnitte
1b,
7b des unterstützenden Bauteiles 7 und der Stapel der
Elemente darin aufgenommen werden können. Die
metallischen Teilstücke 3 und 6 sind aus rostfreiem Stahl
hergestellt.
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Die äußeren Oberflächen der oben beschriebenen beiden
metallischen Teilstücke 3 und 6 sind beide an obere und
untere Öffnungsabschnitte 5a und Sb des röhrenförmigen
metallischen Gehäuses 5 befestigt. Das metallische
Gehäuse 5 ist aus rostfreiem Stahl hergestellt und kann in
seiner longitudinalen Ausbildung gedehnt und kontrahiert
werden, was bedeutet, daß es in seiner vertikalen
Richtung beispielsweise wie gezeigt die Form eines
Blasebalgs annimmt. Die Befestigung der metallischen
Teilstücke 3 und 6 an das metallische Gehäuse wird mit
Schweißen durchgeführt, um so den Stapel der Elemente
hermetisch zu versiegeln.
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Tatsächlich wird der Stapel der Elemente vorher in
vertikaler Richtung um eine vorbestimmte Länge ausgedehnt,
und eine Verkleinerungskraft wird von dem metallischen
Gehäuse 5 erzeugt und wirkt in vertikaler Richtung und
wird auf den oben beschriebenen Stapel der Elemente 1
ausgeübt.
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Als nächstes wird ein Verfahren der Herstellung des
erfindungsgemäßen Antriebs beschrieben.
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Ein organischer Binder wird mit einer festen
multikomponenten Keramikpulverlösung vermischt, die eine
Perowskitkristallstruktur hat, um eine grüne Schicht
(green sheet) mit der Dicke von ungefähr 100 µm zu
bilden, auf der ein interner Elektrodensilberleiter in
der Form einer Paste aufgebracht wird, und nach der
Trocknung wird die Struktur mit mehreren 100 Schichten
(z.B. 120 Schichten) laminiert und gesintert, um eine
laminierte Struktur zu bilden. Der außenliegende
Abschnitt des internen Silberelektrodenleiters wird auf die
laterale Oberfläche der laminierten Struktur geführt.
Nachdem der außenliegende Abschnitt selektiv mit einem
isolierendem Glasfilm bedeckt wird, werden zwei externe
Elektroden in der Form eines Kamms gebildet, in dem
abwechselnd die internen Silberelektroden mit jeder
Schicht verbunden werden. Dann werden die Leitungen 4a,
4b jede an diese beiden externen Elektroden gelötet, und
die laterale Oberfläche wird mit Kunstharz bedeckt. Eine
Vielzahl der so hergestellten Elemente 1 wird vor der
Versiegelung einer Wärmebehandlung bei Temperaturen
(beispielsweise 150 bis 170ºC) von oberhalb der
Curietemperatur ausgesetzt, die für das keramische Material
charakteristisch ist; die Wärmebehandlung wird über einen
Zeitraum vorgenommen (beispielsweise 0,5 bis 2 h) indem
die Polarisation eliminiert wird, und dann wird der eine
Endabschnitt 7a des unterstützenden Gehäuses 7, das einen
Hohlraum hat, der einige mm größer ist als das Profil des
Elements 1, an die innere Aussparung der Oberfläche des
oberen metallischen Teilstückes 3 befestigt, so daß das
unterstützende Bauteil 7 errichtet werden kann. Die
Elemente 1 werden in das unterstützende Bauteil von
seinem anderen Endabschnitt 7b eingesetzt, wobei die
Anzahl bis zu der Länge des unterstützenden Bauteiles 7
addiert wird (siehe Fig. 3). Als nächstes werden die
Leitungen 4a, 4b jedes Elementes 1 und die internen
Endabschnitte der Leitungsterminals 2a, 2b durch Löten
verbunden. Als nächstes werden ein Endabschnitt 5b des
metallischen Gehäuses 5 und das metallische Teilstück 6
vorher durch Schweißen oder ähnliches versiegelt. Als
nächstes wird von dem Öffnungsabschnitt 5a des
metallischen Gehäuses 5 der andere Endabschnitt 7b des
unterstützenden Bauteils 7, auf dem das metallische
Teilstück 3 befestigt ist, eingeführt, um mittels eines
Anschlusses befestigt zu werden, so daß der Endabschnitt
1b des Stapels der Elemente 1 nahe an der mit einer
Aussparung versehenen Oberfläche des metallischen
Teilstückes 6 befestigt ist. Dann wird das metallische
Teilstück 3 und der Öffnungsabschnitt 5a des metallischen
Gehäuses 5 durch Schweißen oder ähnliches versiegelt, um
das Versiegeln zu vervollständigen. Als nächstes wird
eine Gleichstromspannung (von beispielsweise 150 V),
unter der die Elemente 1 polarisieren können, zwischen
die externen Endabschnitte der Leitungsterminals 2a und
2b, die an dem metallischen Teilstück 3 angebracht sind,
10 bis 20 s lang angelegt, um das Element 1 um einen
Rest-Polarisationsbetrag auszudehnen. Falls die
Federkonstante des metallischen Gehäuses 5 derart
eingestellt ist, daß die Verkleinerungskraft des
metallischen Gehäuses relativ zur Ausdehnung der
Restpolarisierten Komponenten eine Größenordnung von 20 bis
100% (beispielsweise 196.1 bis 490.3 N (20 bis 50 kg f)
des Maximalbetrages der von Element 1 erzeugten Kraft
hat, kann ein in ein metallisches Gehäuse eingebauter
piezoelektrischer Antrieb hergestellt werden, der mit dem
vorher mit einer Kraft von 20 bis 100 % des
Maximalbetrages der erzeugenden Kraft komprimierten
Stapel von Element 1 montiert wurde.
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Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung eines Blockes
für die Bildung eines unterstützenden Bauteils, der in
einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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Obwohl in der ersten Ausführung der Erfindung das
unterstützende
Bauteil 7 ein Bauteil ist und seine Länge mit
der gesamten Länge der gestapelten Elemente
korrespondiert, ist in dieser zweiten Ausführung das
unterstützende Bauteil aus einer Vielzahl von Blöcken 17
zusammengesetzt und die Länge jedes Blocks ist im
wesentlichen gleichgroß gebildet wie die Länge eines einzelnen
Elements, und ein Vorsprung 17a ist an den vier Ecken
einer Endoberfläche des Blocks 17 vorgesehen, während
korrespondierend mit diesem Vorsprung 17a ein Loch 17b an
den vier Ecken der anderen Endoberfläche vorgesehene ist.
Die vier Vorsprünge 17a können alle von vier Löchern 17b
eines anderen Blocks 17 aufgenommen werden, so daß die
Blöcke 17 aufeinanderfolgend in einer gewünschten Anzahl
miteinander verbunden werden können, um ein
unterstützendes Bauteil mit einer beabsichtigten Länge zu
bilden.
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Diese Anordnung kann mit einer beliebigen Anzahl von
verbundenen Blöcken 17 mit gleicher Länge erzielt werden,
die der Anzahl der verwendeten Elemente entspricht.