EP1894259A1 - Piezoelectric actuator with an improved stroke capability - Google Patents

Piezoelectric actuator with an improved stroke capability

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EP1894259A1
EP1894259A1 EP06763555A EP06763555A EP1894259A1 EP 1894259 A1 EP1894259 A1 EP 1894259A1 EP 06763555 A EP06763555 A EP 06763555A EP 06763555 A EP06763555 A EP 06763555A EP 1894259 A1 EP1894259 A1 EP 1894259A1
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EP
European Patent Office
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piezoelectric
film
piezoelectric actuator
piezoelectric layer
layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06763555A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Lampenscherf
Andreas Wolff
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP1894259A1 publication Critical patent/EP1894259A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
    • H10N30/093—Forming inorganic materials
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Definitions

  • the present invention relates to piezoelectric actuators, which exhibit a certain elongation behavior as a function of this electrical voltage when an electrical voltage is applied.
  • Piezo actuators are used in various fields of technology. They are produced for example in multilayer construction. These multilayer piezoelectric actuators are used to control injection valves in internal combustion engines, positioning tables or in precision engineering, just to name a few examples.
  • US 6,274,967 discloses a piezoelectric actuator in multilayer construction, which is equipped with a biasing device for introducing force into the piezoelectric layers. With the help of the biasing device, the piezoelectric layers are subjected to a uniaxial compressive stress along the stacking direction of the piezoelectric actuator.
  • WO 2004/015789 A2 discloses a piezoelectric actuator with at least one stacked piezoelectric element.
  • the piezoelectric element enclosed by electrodes is held in a pretensioning device in such a way that a force is introduced into a partial volume of the piezoelectric layer.
  • the mechanical bias introduced into the piezoelectric layer generates, in combination with one in the piezoelectric layer
  • the piezoactuator according to the invention comprises the following features: At least one piezoelectric layer with at least one bulge, which is arranged between two opposite electrode layers for generating an electric field in the piezoelectric layer, and a pretensioning device, by means of which a mechanical stressing via the at least one bulge is adjustable in the piezoelectric layer, so that when generating an electric field in the prestressed piezoelectric layer, the mechanical stress supports a strain behavior of the piezoelectric actuator.
  • a stroke magnification of piezoelectric actuators is achieved by utilizing the deformation properties of specially structured or profiled piezoceramic layers.
  • the piezoelectric layer is provided with at least one bulge. After the piezoelectric layer has been poled, it is mechanically biased by means of a pretensioning device via the at least one bulge. If the polarized and mechanically prestressed piezoelectric layer is now loaded with an electric field, piezoelectric and ferroelectric expansion components are superimposed within the piezoelectric layer, which lead to their deformation and to a stroke increase of the piezoactuator in comparison with known actuators of the prior art.
  • the piezoelectric layer of the piezoelectric actuator comprises a plurality of regularly and / or irregularly arranged bulges. It is further preferred that the piezoelectric layer of the piezoelectric actuator has a plurality of equal and / or unevenly shaped bulges.
  • the lifting capacity of the piezoelectric actuator is increased to different degrees.
  • domes or truncated cone-like bulges are impressed in a regular arrangement in the piezoelectric layer. It is also preferred to impress sinusoidal waveforms extending over the entire width of the piezoelectric layer into the piezoelectric layer in order to improve the lifting capacity of the piezoactuator with this periodic structure.
  • the piezoelectric layer then has a shape similar to a corrugated metal sheet.
  • the present invention also discloses a method of manufacturing a piezoelectric actuator, comprising the steps of: casting and drying a film of piezoelectric material on a carrier film, laying the film of piezoelectric material on a surface having at least one unevenness to form at least one bulge in the Impregnate film, sintering the film on the surface with the at least one unevenness and applying electrodes to the opposite sides of the film and clamping the film in a biasing device.
  • piezoelectric green sheets are produced based on known methods. Subsequently, these films of piezoelectric material are laid out on a surface whose unevennesses impress certain deformations in this film. These irregularities are formed for example by spheres, truncated cones or over the entire width of the surface extending rods or protrusions. According to the desired shape and arrangement of the bulges in the piezoelectric film, the unevenness on the surface is arranged in an irregular and / or a regular pattern. Furthermore, it is preferable to use a plurality of equal and / or unevenly shaped bumps on the surface.
  • FIG. 1 shows the schematic representation of the surface of a sintered substrate with unevenness on which the film of piezoelectric material is laid out
  • Figure 2 shows a preferred embodiment of the piezoelectric actuator under mechanical bias
  • Figure 3 shows a preferred embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention under the action of an electric field.
  • the piezoactuator 1 has at least one piezoelectric layer 10 into which at least one bulge 20 is embossed (compare FIGS. 2 and 3).
  • electrode layers 30 for generating an electric field in the piezoelectric layer 10 are arranged on their opposite sides.
  • the uneven or structured due to the bulges 20 piezoelectric layer 10 is mechanically clamped by means of a biasing device 40.
  • the biasing device 40 applies pressure to the at least one protrusion 20 of the piezoelectric layer 10, whereby the stresses of the piezoelectric layer 10 are achieved.
  • the piezoelectric actuator 1 is manufactured.
  • a film or green sheet of piezoelectric material is prepared by casting and drying on a carrier sheet. This piezoelectric material sheet formed the piezoelectric layer 10 after completion of the manufacturing process.
  • the sheet of piezoelectric material is laid out on a surface 50 with at least one unevenness 60 (see Fig. 1).
  • the surface 50 is preferably formed by the sintered substrate, on which at least one or a plurality of irregularities 60 is specifically arranged.
  • the film of piezoelectric material is pressed by gravity on the surface 50 and the irregularities 60 arranged there, so that the unevenness in each case impress a bulge 20 in the film.
  • the unevennesses 60 are arranged regularly and / or irregularly on the surface 50 according to different embodiments.
  • the bumps 60 have the same or different shapes. These bumps 60 have, for example, the shape of a ball, a hemisphere, a pin, a truncated cone, an angular elevation, a bead-like elevation or an elongated finger-like elevation.
  • the unevennesses 60 emboss complementary or similarly shaped and arranged bulges 20 in the film.
  • this film is on the surface 50 with the at least one
  • electrode layers 30 are applied to the two opposite large-area sides of the piezoceramic layer by means of known methods. These electrode layers 30 serve to polarize the piezoelectric layer 10, which is now taking place. An electrical voltage is connected to the electrode layers 30, thereby generating an electric field in the piezoelectric layer 10.
  • the patterned piezoelectric layer 10 is clamped in the pretensioner 40 to create certain biases in the piezoceramic layer 10.
  • the biasing device 40 consists of a first plate 42, which is disposed above the piezoceramic layer 10, and a second plate 44, which is arranged below the piezoceramic layer 10 (see Figures 2 and 3). By moving the two plates 42 and 44 towards each other, mechanical stresses are introduced via the bulges 20 into the piezoceramic layer 10. The piezoceramic layer 10 is compressed by the biasing device 40.
  • the piezoactuator 10 is produced which exhibits the desired increase in the stroke of piezoactuators 1 by utilizing the deformation properties of specially structured piezoceramic layers.
  • the structuring of the piezoelectric layer 1 consists in the impression of one or more bulges 20 according to FIG. 1, so that they are raised on at least one side over the surface of the piezoceramic layer 10.
  • the mechanical pretensioning of the pretensioning device 40 leads to the partial impressions of the bulges 20, which are comparable with disc springs.
  • the introduced mechanical bias is in equilibrium with the elastic strain distribution in the piezoceramic layer 10. After applying the electrical voltage across the electrode layers 30 to the piezoceramic layer 10, additional piezoelectric and ferroelectric expansion components are formed. According to the external mechanical
  • the advantage thus lies in the targeted combination of piezoelectric, ferroelectric and ferroelastic effects with the deformation properties of layer bulges to produce piezo actuators 1 with a significantly larger stroke than conventional stack actuators.
  • Multilayer technology, microstructuring and micromechanics can be combined with low-cost new mass applications in the field of biotechnology and medical technology (micropumps, microvalves), industrial electronics (pneumatic valves) and microactuators and motors.

Abstract

The invention relates to a piezoelectric actuator (1) with an improved stroke capability, achieved by the utilisation of the deformation characteristics of specially structured piezoceramic layers (10) and the simultaneous influence of a mechanical pre-stress and an electric field. The invention also relates to a method for producing said piezoelectric actuators (1). The piezoelectric actuators are suitable for a low-voltage operation, for example in the fields of biotechnology and medical technology (micro-pumps, micro-valves), industrial electronics (pneumatic valves) and the fields of micro-actuators and micro-motors.

Description

Beschreibungdescription
Piezoaktor mit gesteigertem HubvermögenPiezo actuator with increased lifting capacity
Die vorliegende Erfindung betrifft Piezoaktoren, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung ein bestimmtes Dehnungsverhalten in Abhängigkeit von dieser elektrischen Spannung zeigen.The present invention relates to piezoelectric actuators, which exhibit a certain elongation behavior as a function of this electrical voltage when an electrical voltage is applied.
Piezoaktoren finden in verschiedensten Gebieten der Technik Anwendung. Sie werden beispielsweise in Vielschichtbauweise hergestellt. Diese Vielschicht-Piezoaktoren werden zur Ansteuerung von Einspritzventilen in Brennkraftmaschinen, von Positioniertischen oder in der Feingerätetechnik eingesetzt, um nur einige Beispiele zu nennen.Piezo actuators are used in various fields of technology. They are produced for example in multilayer construction. These multilayer piezoelectric actuators are used to control injection valves in internal combustion engines, positioning tables or in precision engineering, just to name a few examples.
US 6,274,967 offenbart einen Piezoaktor in Vielschichtbauweise, der mit einer Vorspannvorrichtung zur Krafteinleitung in die piezoelektrischen Schichten ausgestattet ist. Mit Hilfe der Vorspannvorrichtung werden die piezoelektrischen Schichten mit einer einachsigen Druckspannung entlang der Stapelrichtung des Piezoaktors beaufschlagt.US 6,274,967 discloses a piezoelectric actuator in multilayer construction, which is equipped with a biasing device for introducing force into the piezoelectric layers. With the help of the biasing device, the piezoelectric layers are subjected to a uniaxial compressive stress along the stacking direction of the piezoelectric actuator.
WO 2004/015789 A2 offenbart einen Piezoaktor mit mindestens einem stapeiförmigen Piezoelement . Das durch Elektroden eingefasste Piezoelement ist in einer Vorspannvorrichtung derart gehalten, dass eine Krafteinleitung in ein Teilvolumen der piezoelektrischen Schicht erfolgt. Die in die piezoelektrische Schicht eingebrachte mechanische Vorspannung erzeugt in Kombination mit einem in der piezoelektrischenWO 2004/015789 A2 discloses a piezoelectric actuator with at least one stacked piezoelectric element. The piezoelectric element enclosed by electrodes is held in a pretensioning device in such a way that a force is introduced into a partial volume of the piezoelectric layer. The mechanical bias introduced into the piezoelectric layer generates, in combination with one in the piezoelectric layer
Schicht wirkenden elektrischen Feld eine gesteigerte Dehnung des Piezoaktors im Vergleich zu herkömmlichen Piezoaktor- Konstruktionen. Trotz dieses Dehnungsverhaltens bzw. dieses Hubvermögens des Piezoaktors fordern verschiedene Bereiche der Technik, wie beispielsweise die Mikromechanik, eine weitere Hubvergrößerung bzw. ein verbessertes Dehnungsverhalten von Piezoaktoren. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Piezoaktor mit gesteigertem Hubverhalten im Vergleich zum Stand der Technik bereitzustellen.Layer acting electric field increased elongation of the piezoelectric actuator in comparison to conventional piezoelectric actuator constructions. Despite this expansion behavior or this lifting capacity of the piezoelectric actuator, various areas of technology, such as, for example, micromechanics, require a further stroke magnification or an improved expansion behavior of piezoactuators. It is therefore the object of the present invention to provide a piezoelectric actuator with increased lifting behavior compared to the prior art.
Die obige Aufgabe wird durch einen Piezoaktor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 gelöst.The above object is achieved by a piezoelectric actuator according to independent claim 1 and a method for its production according to independent claim 6.
Der erfindungsgemäße Piezoaktor umfasst die folgenden Merk- male: Mindestens eine piezoelektrische Schicht mit mindestens einer Aufwölbung, die zwischen zwei gegenüberliegenden Elektrodenschichten zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, und eine Vorspannvorrichtung, mittels derer über die mindestens eine Aufwölbung eine mechanische Verspannung in der piezoelektrischen Schicht einstellbar ist, so dass bei Erzeugen eines elektrischen Feldes in der vorgespannten piezoelektrischen Schicht die mechanische Verspannung ein Dehnungsverhalten des Piezoaktors unterstützt.The piezoactuator according to the invention comprises the following features: At least one piezoelectric layer with at least one bulge, which is arranged between two opposite electrode layers for generating an electric field in the piezoelectric layer, and a pretensioning device, by means of which a mechanical stressing via the at least one bulge is adjustable in the piezoelectric layer, so that when generating an electric field in the prestressed piezoelectric layer, the mechanical stress supports a strain behavior of the piezoelectric actuator.
Basierend auf der vorliegenden Erfindung wird eine Hubvergrößerung von Piezoaktoren durch Ausnutzung der Verformungseigenschaften von speziell strukturierten oder profilierten piezokeramischen Schichten erzielt. Zu diesem Zweck wird die piezoelektrische Schicht im Gegensatz zu ebenen piezoelektrischen Schichten in Vielschicht-Aktoren mit mindestens einer Aufwölbung versehen. Nach dem Polen der piezoelektrischen Schicht wird diese mit Hilfe einer Vorspannvorrichtung über die mindestens eine Aufwölbung mechanisch vorgespannt. Wird die polarisierte und mechanisch vorgespannte piezoelektrische Schicht nun mit einem elektrischen Feld belastet, überlagern sich piezoelektrische und ferroelektrische Dehnungsanteile innerhalb der piezoelektrischen Schicht, die zu ihrer Verformung und zu einer Hubvergrößerung des Piezoaktors im Vergleich zu bekannten Aktoren des Standes der Technik führen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die piezoelektrische Schicht des Piezoaktors eine Mehrzahl von regelmäßig und/oder unregelmäßig angeordneten Aufwölbungen. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die piezoelektrische Schicht des Piezoaktors eine Mehrzahl von gleich und/oder ungleich geformten Aufwölbungen aufweist.Based on the present invention, a stroke magnification of piezoelectric actuators is achieved by utilizing the deformation properties of specially structured or profiled piezoceramic layers. For this purpose, in contrast to planar piezoelectric layers in multilayer actuators, the piezoelectric layer is provided with at least one bulge. After the piezoelectric layer has been poled, it is mechanically biased by means of a pretensioning device via the at least one bulge. If the polarized and mechanically prestressed piezoelectric layer is now loaded with an electric field, piezoelectric and ferroelectric expansion components are superimposed within the piezoelectric layer, which lead to their deformation and to a stroke increase of the piezoactuator in comparison with known actuators of the prior art. According to one embodiment, the piezoelectric layer of the piezoelectric actuator comprises a plurality of regularly and / or irregularly arranged bulges. It is further preferred that the piezoelectric layer of the piezoelectric actuator has a plurality of equal and / or unevenly shaped bulges.
In Abhängigkeit von der Form, Anzahl und Anordnung der Aufwölbungen wird das Hubvermögen des Piezoaktors unterschiedlich stark gesteigert. So werden beispielsweise Kalotten oder kegelstumpfähnliche Aufwölbungen in regelmäßiger Anordnung in die piezoelektrische Schicht eingeprägt. Es ist ebenfalls bevorzugt, sich über die ganze Breite der piezoelektrischen Schicht erstreckende sinus- förmige Wellenformen in die piezoelektrische Schicht einzuprägen, um mit dieser periodischen Struktur das Hubvermögen des Piezoaktors zu verbessern. Die piezoelektrische Schicht weist dann eine einem Wellblech ähnliche Form auf.Depending on the shape, number and arrangement of the bulges, the lifting capacity of the piezoelectric actuator is increased to different degrees. Thus, for example, domes or truncated cone-like bulges are impressed in a regular arrangement in the piezoelectric layer. It is also preferred to impress sinusoidal waveforms extending over the entire width of the piezoelectric layer into the piezoelectric layer in order to improve the lifting capacity of the piezoactuator with this periodic structure. The piezoelectric layer then has a shape similar to a corrugated metal sheet.
Die vorliegende Erfindung offenbart ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors, das die folgenden Schritte aufweist: Gießen und Trocknen einer Folie aus piezoelektrischem Material auf einer Trägerfolie, Auslegen der Folie aus piezoelektrischem Material auf einer Oberfläche mit mindestens einer Unebenheit, um mindestens eine Aufwölbung in die Folie einzuprägen, Sintern der Folie auf der Oberfläche mit der mindestens einen Unebenheit und Aufbringen von Elektroden auf die gegenüberliegenden Seiten der Folie und Einspannen der Folie in einer Vorspannvorrichtung.The present invention also discloses a method of manufacturing a piezoelectric actuator, comprising the steps of: casting and drying a film of piezoelectric material on a carrier film, laying the film of piezoelectric material on a surface having at least one unevenness to form at least one bulge in the Impregnate film, sintering the film on the surface with the at least one unevenness and applying electrodes to the opposite sides of the film and clamping the film in a biasing device.
Zunächst werden piezoelektrische Grünfolien auf der Grundlage bekannter Verfahren hergestellt. Nachfolgend werden diese Folien aus piezoelektrischem Material auf einer Oberfläche aus- gelegt, deren Unebenheiten bestimmte Verformungen in diese Folie einprägen. Diese Unebenheiten werden beispielsweise durch Kugeln, Kegelstümpfe oder sich über die ganze Breite der Oberfläche erstreckende Stäbe oder Erhebungen gebildet. Entsprechend der gewünschten Form und Anordnung der Aufwölbungen in der piezoelektrischen Folie werden die Unebenheiten auf der Oberfläche in einem unregelmäßigen und/oder einem regelmäßigen Muster angeordnet. Des Weiteren ist es bevorzugt, eine Mehrzahl von gleich und/oder ungleich geformten Unebenheiten auf der Oberfläche zu verwenden.First, piezoelectric green sheets are produced based on known methods. Subsequently, these films of piezoelectric material are laid out on a surface whose unevennesses impress certain deformations in this film. These irregularities are formed for example by spheres, truncated cones or over the entire width of the surface extending rods or protrusions. According to the desired shape and arrangement of the bulges in the piezoelectric film, the unevenness on the surface is arranged in an irregular and / or a regular pattern. Furthermore, it is preferable to use a plurality of equal and / or unevenly shaped bumps on the surface.
Bevorzugte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung sowie in den anhängenden Ansprüchen beschrieben. Die begleitenden Zeichnungen zeigen:Preferred embodiments and embodiments of the present invention will be described in the following description with reference to the accompanying drawings and the appended claims. The accompanying drawings show:
Figur 1 die schematische Darstellung der Oberfläche einer Sinterunterlage mit Unebenheiten, auf der die Folie aus piezoelektrischem Material ausgelegt ist,FIG. 1 shows the schematic representation of the surface of a sintered substrate with unevenness on which the film of piezoelectric material is laid out,
Figur 2 eine bevorzugte Ausführungsform des Piezoaktors unter mechanischer Vorspannung, undFigure 2 shows a preferred embodiment of the piezoelectric actuator under mechanical bias, and
Figur 3 eine bevorzugte Ausführungsform des Piezoaktors der vorliegenden Erfindung unter der Wirkung eines elektrischen Feldes.Figure 3 shows a preferred embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention under the action of an electric field.
Der erfindungsgemäße Piezoaktor 1 weist mindestens eine piezoelektrische Schicht 10 auf, in die mindestens eine Aufwölbung 20 eingeprägt ist (vgl. Figuren 2 und 3) . Zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrische Schicht 10 sind an ihren gegenüberliegenden Seiten Elektrodenschichten 30 zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in der piezoelektrischen Schicht 10 angeordnet. Die aufgrund der Aufwölbungen 20 unebene oder strukturierte piezoelektrische Schicht 10 wird mit Hilfe einer Vorspannvorrichtung 40 mechanisch verspannt. Die Vorspannvorrichtung 40 übt Druck auf die mindestens eine Aufwölbung 20 der piezoelektrischen Schicht 10 aus, wodurch die Verspannungen der piezoelektrischen Schicht 10 erzielt werden. Erzeugt ein elektrisches Feld in der piezoelektrischen Schicht 10 eine Dehnung, so führt die Überlagerung von piezoelektrischen und ferroelektrischen Dehnungsanteilen mit mechanischen Verspannungsbedingungen zu einem gesteigerten Hubvermögen des Piezoaktors 1 im Vergleich zu Piezoaktoren des Standes der Technik.The piezoactuator 1 according to the invention has at least one piezoelectric layer 10 into which at least one bulge 20 is embossed (compare FIGS. 2 and 3). For applying an electrical voltage to the piezoelectric layer 10, electrode layers 30 for generating an electric field in the piezoelectric layer 10 are arranged on their opposite sides. The uneven or structured due to the bulges 20 piezoelectric layer 10 is mechanically clamped by means of a biasing device 40. The biasing device 40 applies pressure to the at least one protrusion 20 of the piezoelectric layer 10, whereby the stresses of the piezoelectric layer 10 are achieved. Generates an electric field in the piezoelectric layer 10 is an elongation, so the superposition of piezoelectric and ferroelectric strain fractions with mechanical stress conditions to increased lift capacity of the piezoelectric actuator 1 in comparison with piezo actuators of the prior art.
Gemäß der folgenden bevorzugten Schritte wird der Piezoaktor 1 hergestellt. Zunächst wird gemäß bekannter Verfahren eine Folie oder Grünfolie aus piezoelektrischem Material durch Gießen und Trocknen auf einer Trägerfolie hergestellt. Diese Folie aus piezoelektrischem Material bildete nach Abschluss des Herstellungsverfahrens die piezoelektrische Schicht 10.According to the following preferred steps, the piezoelectric actuator 1 is manufactured. First, according to known methods, a film or green sheet of piezoelectric material is prepared by casting and drying on a carrier sheet. This piezoelectric material sheet formed the piezoelectric layer 10 after completion of the manufacturing process.
Nachfolgend wird die Folie aus piezoelektrischem Material auf einer Oberfläche 50 mit mindestens einer Unebenheit 60 ausgelegt (vgl. Fig. 1) . Die Oberfläche 50 wird bevorzugt durch die Sinterunterlage gebildet, auf der gezielt mindestens eine oder eine Mehrzahl von Unebenheiten 60 angeordnet ist. Die Folie aus piezoelektrischem Material wird durch die Schwerkraft auf die Oberfläche 50 und die dort angeordneten Unebenheiten 60 gedrückt, so dass die Unebenheiten jeweils eine Aufwölbung 20 in die Folie einprägen.Subsequently, the sheet of piezoelectric material is laid out on a surface 50 with at least one unevenness 60 (see Fig. 1). The surface 50 is preferably formed by the sintered substrate, on which at least one or a plurality of irregularities 60 is specifically arranged. The film of piezoelectric material is pressed by gravity on the surface 50 and the irregularities 60 arranged there, so that the unevenness in each case impress a bulge 20 in the film.
Die Unebenheiten 60 sind gemäß unterschiedlicher Ausführungs- formen regelmäßig und/oder unregelmäßig auf der Oberfläche 50 angeordnet. Zudem ist es bevorzugt, dass die Unebenheiten 60 gleiche oder ungleiche Formen aufweisen. Diese Unebenheiten 60 haben beispielsweise die Form einer Kugel, einer Halbkugel, eines Zapfens, eines Kegelstumpfs, einer eckigen Erhebung, einer wulstähnlichen Erhebung oder einer langgestreckten fingerähnlichen Erhebung. Wie oben bereits erläutert, prägen die Unebenheiten 60 komplementär oder ähnlich geformte und angeordnete Aufwölbungen 20 in die Folie ein. Auf diese Weise entsteht eine Folie aus piezokeramischem Material, die regelmäßig und/oder unregelmäßig angeordnete Aufwölbungen 20 aufweist, die zudem gleiche und/oder ungleiche Formen umfassen können. Basierend auf der Vielfalt der Strukturierung der piezokeramischen Schicht 10 ist es bevorzugt, eine regelmäßige Anordnung von stangenähnlichen Unebenheiten 60 auf der Oberfläche 50 zu nutzen. Diese stangenähnlichen Unebenheiten 60 erstrecken sich parallel und in gleichenThe unevennesses 60 are arranged regularly and / or irregularly on the surface 50 according to different embodiments. In addition, it is preferable that the bumps 60 have the same or different shapes. These bumps 60 have, for example, the shape of a ball, a hemisphere, a pin, a truncated cone, an angular elevation, a bead-like elevation or an elongated finger-like elevation. As already explained above, the unevennesses 60 emboss complementary or similarly shaped and arranged bulges 20 in the film. In this way, a film of piezoceramic material, which regularly and / or irregularly arranged bulges 20, which may also comprise the same and / or different shapes. Based on the variety of patterning of the piezoceramic layer 10, it is preferred to utilize a regular array of rod-like imperfections 60 on the surface 50. These rod-like unevennesses 60 extend parallel and in the same
Abständen zueinander über die gesamte Breite der Oberfläche 50. Prägt sich diese Struktur der Oberfläche 50 und Unebenheiten 60 in die piezokeramische Schicht 10 ein, entsteht bevorzugt ein periodisch-wellenförmiges Profil innerhalb der piezokeramischen Schicht 10. Diese ist schematisch in Fig. 3 dargestellt.Distances to one another over the entire width of the surface 50. If this structure of the surface 50 and unevennesses 60 is embossed into the piezoceramic layer 10, a periodic wave-shaped profile preferably results within the piezoceramic layer 10. This is shown schematically in FIG.
Nachdem eine bestimmte Struktur in die Folie aus piezoelektrischem Material eingebracht worden ist, wird diese Folie auf der Oberfläche 50 mit der mindestens einenAfter a certain structure has been introduced into the film of piezoelectric material, this film is on the surface 50 with the at least one
Unebenheit 60 gesintert. Nach dem Sintern werden auf den beiden gegenüberliegenden großflächigen Seiten der piezokeramischen Schicht mit Hilfe von bekannten Verfahren Elektrodenschichten 30 aufgebracht. Diese Elektrodenschichten 30 dienen dem nun stattfindenden Polarisieren der piezoelektrischen Schicht 10. Eine elektrische Spannung wird an die Elektrodenschichten 30 angeschlossen und dadurch ein elektrisches Feld in der piezoelektrischen Schicht 10 erzeugt .Rub 60 sintered. After sintering, electrode layers 30 are applied to the two opposite large-area sides of the piezoceramic layer by means of known methods. These electrode layers 30 serve to polarize the piezoelectric layer 10, which is now taking place. An electrical voltage is connected to the electrode layers 30, thereby generating an electric field in the piezoelectric layer 10.
Nach dem Polarisieren wird die strukturierte piezoelektrische Schicht 10 in die Vorspannvorrichtung 40 eingespannt, um bestimmte Vorspannungen in der piezokeramischen Schicht 10 zu erzeugen. Die Vorspannvorrichtung 40 besteht aus einer ersten Platte 42, die oberhalb der piezokeramischen Schicht 10 angeordnet ist, und aus einer zweiten Platte 44, die unterhalb der piezokeramischen Schicht 10 angeordnet ist (vgl. Figuren 2 und 3) . Indem die beiden Platten 42 und 44 aufeinander zu bewegt werden, werden mechanische Spannungen über die Aufwölbungen 20 in die piezokeramische Schicht 10 eingeleitet. Die piezokeramische Schicht 10 wird durch die Vorspannvorrichtung 40 zusammengedrückt. Mit Hilfe der oben beschriebenen Verfahrensschritte wird der Piezoaktor 10 hergestellt, der die gewünschte Hubvergrößerung von Piezoaktoren 1 durch Ausnutzung der Verformungseigenschaften von speziell strukturierten piezokeramischen Schichten zeigt. Die Strukturierung der piezoelektrischen Schicht 1 besteht in der Einprägung einer oder mehrerer Aufwölbungen 20 gemäß Fig. 1, so dass diese auf mindestens einer Seite über die Oberfläche der piezokeramischen Schicht 10 erhaben sind.After polarization, the patterned piezoelectric layer 10 is clamped in the pretensioner 40 to create certain biases in the piezoceramic layer 10. The biasing device 40 consists of a first plate 42, which is disposed above the piezoceramic layer 10, and a second plate 44, which is arranged below the piezoceramic layer 10 (see Figures 2 and 3). By moving the two plates 42 and 44 towards each other, mechanical stresses are introduced via the bulges 20 into the piezoceramic layer 10. The piezoceramic layer 10 is compressed by the biasing device 40. With the aid of the method steps described above, the piezoactuator 10 is produced which exhibits the desired increase in the stroke of piezoactuators 1 by utilizing the deformation properties of specially structured piezoceramic layers. The structuring of the piezoelectric layer 1 consists in the impression of one or more bulges 20 according to FIG. 1, so that they are raised on at least one side over the surface of the piezoceramic layer 10.
Im Piezoaktor 1 gemäß Fig. 3 führt die mechanische Vorspannung der Vorspanneinrichtung 40 zum teilweisen Eindrücken der Aufwölbungen 20, die mit Tellerfedern vergleichbar sind. Die eingebrachte mechanische Vorspannung steht im Gleichgewicht mit der elastischen Dehnungsverteilung in der piezokeramischen Schicht 10. Nach Anlegen der elektrischen Spannung über die Elektrodenschichten 30 an die piezokeramische Schicht 10 entstehen zusätzliche piezoelektrische und ferroelektrische Dehnungsanteile. Entsprechend der äußeren mechanischen Ein-In the piezoelectric actuator 1 according to FIG. 3, the mechanical pretensioning of the pretensioning device 40 leads to the partial impressions of the bulges 20, which are comparable with disc springs. The introduced mechanical bias is in equilibrium with the elastic strain distribution in the piezoceramic layer 10. After applying the electrical voltage across the electrode layers 30 to the piezoceramic layer 10, additional piezoelectric and ferroelectric expansion components are formed. According to the external mechanical
/Vorspannungsbedingungen stellt sich im Gleichgewicht eine andere Verformung der mindestens einen Aufwölbung 20 oder der Mehrzahl von Aufwölbungen 20 ein als bei herkömmlichen ebenen piezoelektrischen Schichten von Vielschichtaktoren. Aufgrund des stark nicht linearen Zusammenhangs zwischen Dehnungszustand und Höhe der Schichtaufwölbung kann pro piezokeramischer Schicht 10 eine deutlich größere Hubveränderung erreicht werden, als es mit der im konventionellen Stapelaktoren ausgenutzten Dickenänderung der piezokeramischen Schichten möglich ist. Die gezielt eingebrachten Aufwölbungen 20 der piezokeramischen Schicht 10 stellen somit einen Übersetzungsmechanismus dar, um die durch piezoelektrische und/oder ferroelektrische Effekte verursachten Veränderungen im Dehnungszustand der pie- zokeramischen Schicht 10 in Kraft- und Verformungskomponenten senkrecht zur Schicht 10 umzuwandeln. Durch Variation von Form, Größe, Anzahl und Anordnung der Aufwölbungen 20 sowie durch Stapelung mehrerer strukturierter Schichten 10 lassen sich großhubige Piezoaktoren 1 mit einer breiten Anwendungsvielfalt herstellen. Mit der Wahl der Vor- kraft bzw. mechanischen Vorspannung steht zusätzlich eine Möglichkeit zur Verfügung, den Hub und die Steifigkeit der beschriebenen Piezoaktoren 1 einzustellen. Bei entsprechend hoher mechanischer Vorspannung kann es zu einer Entstehung ferroelastischer Verformungsanteile kommen (z.B. durch Umklappen ferroelektrischer Domänen in die Schichtebene, d.h. parallel zu den Platten 42, 44 der Vorspannvorrichtung), die durch die elektrische Ansteuerung wieder zurückgeschaltet werden können. Dadurch kann zusätzlich die Dehnungsamplitude und damit auch der Hub des Piezoaktors 1 vergrößert werden.In other words, in bias, another deformation of the at least one protrusion 20 or the plurality of protrusions 20 occurs than with conventional planar piezoelectric layers of multilayer actuators. Due to the strongly non-linear relationship between the strain state and the height of the layer curvature, a significantly greater stroke change can be achieved per piezoceramic layer 10 than is possible with the change in thickness of the piezoceramic layers utilized in the conventional stacking actuators. The deliberately introduced bulges 20 of the piezoceramic layer 10 thus constitute a translation mechanism in order to convert the changes in the strain state of the piezoceramic layer 10 caused by piezoelectric and / or ferroelectric effects into force and deformation components perpendicular to the layer 10. By varying the shape, size, number and arrangement of the bulges 20 as well as by stacking a plurality of structured layers 10, it is possible to produce large-stroke piezoactuators 1 with a wide variety of applications. With the choice of the pre-load or mechanical preload, there is additionally a possibility of setting the stroke and the rigidity of the piezoactuators 1 described. With a correspondingly high mechanical preload, ferroelastic deformation components can form (eg by folding over ferroelectric domains into the layer plane, ie parallel to the plates 42, 44 of the pretensioning device), which can be switched back again by the electrical control. As a result, in addition, the expansion amplitude and thus also the stroke of the piezoelectric actuator 1 can be increased.
Der Vorteil liegt somit in der gezielten Kombination der piezoelektrischen, ferroelektrischen und ferroelastischen Effekte mit den Verformungseigenschaften von Schichtaufwölbungen, um Piezoaktoren 1 mit einem deutlich größeren Hub als konventionelle Stapelaktoren herzustellen. Durch die Kombination von piezokeramischerThe advantage thus lies in the targeted combination of piezoelectric, ferroelectric and ferroelastic effects with the deformation properties of layer bulges to produce piezo actuators 1 with a significantly larger stroke than conventional stack actuators. By the combination of piezoceramic
Multilayertechnologie, Mikrostrukturierung und Mikromechanik lassen sich mit der oben beschriebenen Methode kostengünstige neue Massenanwendungen für Niederspannungsbetrieb, beispielsweise im Bereich der Bio- und Medizintechnik (Mikropumpen, Mikroventile) , der Industrieelektronik (pneumatische Ventile) und der Mikroaktorik und -motorik. Multilayer technology, microstructuring and micromechanics can be combined with low-cost new mass applications in the field of biotechnology and medical technology (micropumps, microvalves), industrial electronics (pneumatic valves) and microactuators and motors.

Claims

Patentansprüche claims
1. Piezoaktor (1), der die folgenden Merkmale umfasst: a. mindestens eine piezoelektrische Schicht (10) mit mindestens einer Aufwölbung (20) , die zwischen zwei gegenüberliegenden Elektrodenschichten (30) zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in der piezoelektrischen Schicht (10) angeordnet ist, und b. eine Vorspannvorrichtung (40), mittels derer über die mindestens eine Aufwölbung (20) eine mechanischeA piezoactuator (1) comprising the following features: a. at least one piezoelectric layer (10) having at least one protrusion (20) disposed between two opposing electrode layers (30) for generating an electric field in the piezoelectric layer (10), and b. a biasing device (40), by means of which a mechanical over the at least one bulge (20)
Verspannung der piezoelektrischen Schicht (10) einstellbar ist, so dass bei Erzeugen eines elektrischen Feldes in der vorgespannten piezoelektrischen Schicht (10) die mechanische Verspannung ein Dehnungsverhalten des Piezoaktors (1) unterstützt.Binding of the piezoelectric layer (10) is adjustable, so that when generating an electric field in the prestressed piezoelectric layer (10), the mechanical stress supports a strain behavior of the piezoelectric actuator (1).
2. Piezoaktor (1) gemäß Anspruch 1, dessen piezoelektrische Schicht (10) eine Mehrzahl von regelmäßig und/oder unregelmäßig angeordneten Aufwölbungen (20) aufweist.2. Piezoelectric actuator (1) according to claim 1, whose piezoelectric layer (10) has a plurality of regularly and / or irregularly arranged bulges (20).
3. Piezoaktor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, der eine Mehrzahl von gleich und/oder ungleich geformten Aufwölbungen (20) aufweist .3. Piezoelectric actuator (1) according to claim 1 or 2, which has a plurality of equal and / or unevenly shaped bulges (20).
4. Piezoaktor (1) gemäß Anspruch 1, dessen piezoelektrische Schicht (10) ein periodisch wellenförmiges Profil aufweist .4. Piezoelectric actuator (1) according to claim 1, whose piezoelectric layer (10) has a periodically wave-shaped profile.
5. Piezoaktor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Vorspannvorrichtung (40) eine erste Platte (42) und eine zweite Platte (44) umfasst, mit denen die mindestens eine Aufwölbung (20) der piezoelektrischen Schicht (10) komprimierbar ist. 5. Piezoelectric actuator (1) according to one of the preceding claims, whose biasing device (40) comprises a first plate (42) and a second plate (44), with which the at least one bulge (20) of the piezoelectric layer (10) is compressible.
6. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors (1), das die folgenden Schritte aufweist: a. Gießen und Trocknen einer Folie aus piezoelektrischem6. A method of manufacturing a piezoelectric actuator (1), comprising the steps of: a. Casting and drying a film of piezoelectric
Material auf einer Trägerfolie, b. Auslegen der Folie aus piezoelektrischem Material auf einer Oberfläche (50) mit mindestens einer Unebenheit (60) , um mindestens eine Aufwölbung (20) in die Folie einzuprägen, c. Sintern der Folie auf der Oberfläche (50) mit der mindes- tens einen Unebenheit (60) und d. Aufbringen von Elektroden auf die gegenüberliegenden Seiten der Folie und Einspannen der Folie in einer Vorspannvorrichtung .Material on a carrier foil, b. Laying the film of piezoelectric material on a surface (50) having at least one unevenness (60) to impress at least one protrusion (20) in the film, c. Sinter the film on the surface (50) with at least one unevenness (60) and d. Applying electrodes to the opposite sides of the film and clamping the film in a biasing device.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, das weiterhin aufweist: Anordnen einer Mehrzahl von Unebenheiten (60) auf der Oberfläche (50) in einem unregelmäßigen und/oder einem regelmäßigen Muster.The method of claim 6, further comprising: arranging a plurality of bumps (60) on the surface (50) in an irregular and / or regular pattern.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, das weiterhin aufweist: Anordnen einer Mehrzahl von gleich und/oder ungleich geformten Unebenheiten (60) auf der Oberfläche (50) . The method of claim 6 or 7, further comprising: arranging a plurality of equal and / or unevenly shaped bumps (60) on the surface (50).
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