WO2001089004A1 - Piezo-biegewandler sowie verwendung desselben - Google Patents

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WO2001089004A1
WO2001089004A1 PCT/EP2001/005395 EP0105395W WO0189004A1 WO 2001089004 A1 WO2001089004 A1 WO 2001089004A1 EP 0105395 W EP0105395 W EP 0105395W WO 0189004 A1 WO0189004 A1 WO 0189004A1
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WO
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piezo
bending transducer
support body
transducer according
piezo bending
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PCT/EP2001/005395
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Schmid
Michael Riedel
Karl Lubitz
Martin Maichl
Markus Hoffmann
Michael Weinmann
Original Assignee
Festo Ag & Co.
Siemens Ag
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Filing date
Publication date
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Priority to DE50110705T priority patent/DE50110705D1/de
Priority to EP01943346A priority patent/EP1282921B1/de
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/004—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by piezoelectric means
    • F16K31/005—Piezo-electric benders
    • F16K31/006—Piezo-electric benders having a free end
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the invention relates to a piezo bending transducer, with an elongated support body, which is equipped on at least one longitudinal side with a multilayered piezoelectric body having layers of piezo material and electrodes in between.
  • the invention further relates to the use of such a piezo bending transducer.
  • Such a piezo bending transducer which can also be designated as a multilayer bending actuator, can be seen, for example, from WO 99/17383.
  • This has an elongated, plate-like or strip-shaped support body, which is equipped with a piezo laminate on each of its two opposite, large longitudinal sides.
  • Each piezo laminate is made up of several superimposed piezo material layers as well as flat electrodes arranged between the piezo material layers.
  • a control voltage can be applied to the electrodes via electrical conductors running on the supporting body, which causes a length contraction of a piezo laminate, which results in a deflection of the piezo bending transducer perpendicular to the longitudinal direction.
  • Suitable electronics are usually used to actuate the piezo bending transducer. For example, ensure that an available low-voltage voltage is converted into a sufficiently high control voltage.
  • the multilayer technology offers the advantage that the required deflection. of the piezo bending transducer required electrical energy is already made available at a significantly lower control voltage than with a monolithic piezo body of comparable size.
  • the electronic components take up a not insignificant amount of space, which hinders the miniaturization of devices to be equipped with the piezo bending transducer, for example valves.
  • the first-mentioned object is achieved in connection with a piezo bending transducer of the type mentioned in the introduction in that at least one inside the support body and / or between the support body and the piezo laminate and / or between adjacent piezo material layers of the piezo laminate Component of an electronics and / or sensors used for the operation of the piezo bending transducer is housed.
  • the invention is based on the knowledge that the components of the electronics required for operation in connection with a multilayer bending transducer are used and / or have sensors in their dimensions and design designed so that integration into the piezo bending transducer is possible and, accordingly, there is no need for external electronics and / or sensor components that take up more installation space.
  • the electronics and / or sensor components can be accommodated inside the support body, but can also be placed between the piezo material layers of the piezo laminate or in the area between the support body and the piezo laminate attached to it. In connection with the sensor components, this also opens up the possibility of placing it practically immediately where an operationally relevant state variable is to be recorded.
  • the piezo bending transducer has proven to be particularly advantageous to equip the piezo bending transducer with a piezo laminated body in which the layer thickness of the individual piezo material layers is at most 25 ⁇ m, a thickness range between 14 ⁇ m and 20 ⁇ m being recommended and preferably a layer thickness of 17 ⁇ m is selected.
  • the result is a low-voltage multilayer with very thin layers and accordingly a greatly reduced control voltage, which is significantly lower than the control voltages in the range above 60 volts which are common today. Accordingly, the construction costs for electronic circuits required for voltage conversion are also reduced, which further simplifies the integration of the electronic components into the piezo bending transducer, which is provided according to the invention.
  • At least one of the integrated electronic components can belong to a voltage converter circuit, a current limiting circuit or a charge / discharge circuit or form such a circuit directly.
  • At least one sensor component can be formed by a deflection sensor used to detect the deflection of the bending transducer, for example in the form of strain gauges (DMS), by one or more layers of piezo material or by inductive sensors and coils.
  • DMS strain gauges
  • a great advantage of a deflection sensor integrated in the carrier material or in the piezo material is the possibility of using it with a targeted readjustment of the actuator deflection to compensate for the piezoelectric relaxation and drift effects. This enables long-term stable controlled applications.
  • Another possibility for use is function monitoring of the control element by means of a sensor.
  • sensors of any kind and any structure can be integrated as required, for example force, acceleration or temperature sensors.
  • the integration of one or more electronics and / or sensor components into the support body can be realized particularly easily if the support body is designed as a multilayer body with at least two superimposed support body layers, the layer planes of the support body layers expediently parallel to those of the piezoelectric layers. Material layers run and the components in question can be placed between two adjacent support body layers.
  • the existing electrical conductors are expediently arranged in different assembly levels of the support body, the mutual connection being made by means of one or more plated-through holes , so-called vias, which run perpendicular to the assembly levels.
  • electrical conductors can be provided both between adjacent support body layers and on the outer surface of the outer support body layers, it being possible for electrical conductors located on both sides of a support body layer to be contacted by means of plated-through holes which only penetrate the relevant support body layer.
  • the piezo bending transducer has a so-called trimorph structure, the support body being equipped with two piezo bodies which are attached to the longitudinal sides of the support body facing away from one another.
  • both piezo bodies are expediently designed as piezo laminates of the type explained above, in order to enable forced displacement of the piezo bending transducer in two opposite directions on the basis of the advantages described.
  • An embodiment can be provided in which the trimorph bending transducer has a fiber composite middle layer, in connection with flexible interconnect layers as contact feed to the active piezo material layers, to the sensors and / or to the electronics.
  • Thermal drifts can be reduced.
  • An example of this is the targeted introduction of copper layers in the overall actuator structure.
  • the copper layers can also be used to set the targeted mechanical properties, such as deflection and positioning force, and to contact the active piezo material layers, the integrated sensors and / or the electronics.
  • an adapter body can advantageously also be provided, which consists of a material with essentially the same thermal expansion coefficient as the piezo material of the piezo laminated body.
  • This adapter does not contribute to the generation of deflection forces, so it is a passive element, but has the effect that, compared to a piezo bending transducer - a so-called unimorph design - which is only equipped with a piezo body on one side - it achieves a symmetrical structure at relatively low cost can be so that the. thermal bending can be reduced or even completely excluded.
  • the adaptation material itself can be a sensor or can be integrated in it. The sensor can also be integrated in the adapter.
  • the aforementioned second object of the invention which is aimed at a particular use, is achieved in that the piezo bending transducer is used as an actuator of a valve, in particular in the pneumatic sector for controlling air flows.
  • 1 shows a preferred embodiment of the piezo bending transducer according to the invention in a greatly enlarged perspective view and partially exploded
  • 2 is a plan view of the wing of the support body pointing upward in FIG. 1 with a view according to arrow II
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the support body from FIG. 1 according to section line III-III with a view of the upwardly facing surface of the lower support body layer
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through the support body from FIG. 1 according to section line IV-IV, with optional electrical conductors indicated on the downward-pointing support surface,
  • FIG. 5 shows the piezo bending transducer from FIGS. 1 to 4 in cross section according to section line V-V from FIGS. 1 and 2, indicating an advantageous use in connection with a control valve in the pneumatic sector,
  • FIGS. 6 and 7, corresponding to FIGS. 2 and 3, made longitudinal sections through a support body of a further exemplary embodiment of the piezo bending transducer
  • FIGS. 9 and 10 show a detail of a further exemplary embodiment of the piezo bending transducer in longitudinal section according to section line VIII-VIII from FIGS. 9 and
  • FIG. 9 is a plan view of the upward-oriented wing of the supporting body according to FIG. 8 without showing the piezo body sitting on it.
  • the piezo-bending transducer 1 shown in FIGS. 1 to 5 has an elongated, plate-like or strip-like support body 2 which has a certain rigidity, but is nevertheless bendable and preferably made of a fiber composite material or multilayer plastic layers preferably consists of polymide.
  • first wing 3 is a first piezo body 5 applied, which is designed in multi-layer technology, so that it is a piezo-layer body 6.
  • 5 illustrates, it contains a plurality of flat piezo material layers 7 which are stacked on top of one another in a stacking direction 8, indicated by double arrow 8 and oriented at right angles to the first wing 3, with layer planes parallel to one another.
  • Any piezoelectric material can be used as the piezo material, preferably a piezo ceramic.
  • the layer planes of the piezo material layers 7 run parallel to the plane of expansion of the support body 2.
  • a thin electrode 9, 10 with a two-dimensional extension extends between respectively adjacent piezo material layers 7.
  • First (9) and second (10) electrodes are provided alternately in the stacking direction 8, so that each piezo material layer 7 - in the exemplary embodiment with the exception of the lowermost and uppermost piezo material layer 7 - on opposite sides from a first and second electrode 9, 10 is flanked.
  • Both the first electrodes 9 and the second electrodes 10 are electrically connected to one another and connected to a first or second contact surface 13, 14, which is provided on the underside of the bottom piezo material layer 7 directly adjoining the support body 2.
  • the uppermost piezo material layer 7 can be an inactive cover layer as shown, but it would be readily possible to also provide an electrode on its upper side in order to use it actively.
  • the conductive layers that run on the outer surfaces of the piezo laminate 6 and serve to contact the electrodes 9, 10 are expediently sealed with a sealing compound made of epoxy resin, not shown in any more detail.
  • the piezo laminate 6 occupies only part of the overall length of the first wing 3. Therefore, on a connection side 15 of the piezo bending transducer 1, the support 2 projects with a connecting section 16 beyond the piezo laminate 6.
  • connection section 16 The electrical connections required for the operation of the piezo bending transducer 1 are made via the connection section 16 and the piezo bending transducer can also be clamped.
  • the supporting body 2 is equipped with first and second electrical conductors 17a, 17b formed, for example, by conductor tracks, by metallizations and / or by conductive plastic layers. They run from the free front end of the connection section 16 to the support body section covered by the piezo laminate 6, where they are designed as first and second electrical connection surfaces 18a, 18b, which are connected to the first and second contact surfaces 13, 14 of the piezo laminate 6 are electrically contacted.
  • the piezo laminate 6 can be supplied with a control voltage via the first and second electrical conductors 17a, 17b which, in a manner known per se, causes a change in the length of the piezo material layers 7, which occurs when the piezo bending transducer 1 is clamped in the area of the connection section 16 a curvature and an associated one Deflection perpendicular to the longitudinal direction of the bending transducer according to arrow 22 of the unclamped front end region of the piezo bending transducer 1 causes.
  • connection section 16 can advantageously be used for clamping the piezo bending transducer 1. However, it is also readily possible to carry out the clamping in the region of the piezo laminate 6 adjoining the connection section 16.
  • the piezo material layers 7 are made very thin.
  • the layer thickness is 17 ⁇ m, the overall recommended thickness range being between 14 ⁇ m and 20 ⁇ m and expediently not exceeding 25 ⁇ m.
  • the design of the piezo laminated body 6 as a low-voltage multilayer with very thin layers and the resulting low control voltages has the further advantage that the electronics 23 used for the operation of the piezo bending transducer 1 have a space-saving design that is considerably simpler compared to conventional designs and can have cheaper construction.
  • the small size of the electronics 23 is now used in the piezo bending transducer 1 in order to integrate at least one electronic component 24 and preferably all electronic components or the entire control electronics in the piezo bending transducer 1.
  • the at least one electronic component 24 is well protected inside the support body 2, the is designed as a multi-layer body and has two support body layers 25, 26 lying flat on top of one another, between which the at least one electronic component 24 is placed.
  • the further layer transition areas could be used in a corresponding manner to accommodate one or more electronic components.
  • vias 27, so-called vias, suitably placed in the support body 2 are used.
  • plated-through holes 27, different assembly levels 28, each equipped with electrical conductors, can be developed and the corresponding electrical conductors can be electrically contacted.
  • the number of plated-through holes 27 is in principle arbitrary and is based on the desired circuit layout.
  • the second electrical conductor 17b runs on the first wing 3, which here represents a first assembly plane 28a with regard to the electrical conductors.
  • the second electrical conductor 17b runs in its entirety in the first assembly level 28a.
  • the first electrical conductor 17a is divided into a plurality of conductor sections which run in different assembly levels and are connected to one another by means of plated-through holes 27.
  • a first conductor section 31a extends in the region of the connecting section 16 on the first wing 3 and the first assembly plane 28a defined by it.
  • a through-hole 27 is provided which only penetrates the first supporting body layer 25 and which leads to a second assembly plane 28b, which extends from the transition area between the two support body layers 25, 26 is formed.
  • a second conductor section 31b of the first electrical conductor 17a which runs inside the support body 2 below the piezo laminate 6 and thereby passes the second electrical connection surface 18b below.
  • the second conductor section 31b is contacted with a further plated-through hole 27 which passes through the first support body layer 25 again and is connected to the third conductor section 31c which defines the first electrical connection surface 18a and which in turn is now in FIG the first assembly level 28a.
  • the at least one electronic component 24 is placed in the second component level 28b and is connected in the desired manner to the second conductor section 31b running there.
  • plated-through holes could also be provided which extend through both support body layers 25, 26 simultaneously.
  • plated-through holes could also be provided which extend through both support body layers 25, 26 simultaneously.
  • the at least one electronic component 24 can belong to, or form, an electronic control unit for the piezo bending transducer 1.
  • the electronics can in particular contain a voltage converter circuit for converting the applied input voltage to the desired control voltage.
  • a current limiting circuit is also advantageous, which prevents damage to the piezo characteristics due to overstressing.
  • a charge / discharge circuit that enables the discharge required to reset the deflection in a two-wire operation is also advantageous. It goes without saying that this list is purely exemplary and not exhaustive.
  • the piezo bending transducer 1 of the exemplary embodiment is further characterized in that, in addition to at least one electronic component, at least one sensor component 32, indicated by dashed lines in FIGS. 1 and 5, of a sensor system 33 used for operating the piezo bending transducer is integrated.
  • the at least one sensor component 32 is accommodated inside the piezo laminate 6 between two adjacent piezo material layers 7. It can be conveniently placed there during the manufacture of the piezo laminate 6. Electrical contact means 34 required for their operation can be guided, for example, to an end face of the piezo laminated body 6 and from there to the underside thereof, so that they are on the support body
  • the quantities of interest can be detected directly at the relevant point.
  • additional protective measures can also be dispensed with, since the components of the piezo-bending transducer 1 surrounding them protect them from the outside Influences are shielded from the outside.
  • At least one sensor component 32 can also be integrated in the support body 2 in the manner described with the aid of the electronic component 24, as can at least one electronic component placed inside the piezo laminate 6.
  • Another advantageous location for accommodating an electronic and / or sensor component is the area between the support body 2 and the piezo laminate 6 fixed thereon, a corresponding electronic and / or sensor component being indicated by dash-dotted lines at 24a, 32a in FIG. 5 is.
  • one and the same piezo bending transducer 1 can be equipped only with electronic components or only with sensor components or at the same time with components of both electronics and sensors.
  • the location of the accommodation can be selected as desired.
  • a sensor system integrated in the piezo bending transducer 1 can in particular contain a deflection sensor as the sensor component, for example a strain gauge or other pickups and coils, by means of which conclusions can be drawn about the momentary deflection of the piezo bending transducer 1.
  • a deflection sensor as the sensor component, for example a strain gauge or other pickups and coils, by means of which conclusions can be drawn about the momentary deflection of the piezo bending transducer 1.
  • FIG. 6 and 7 show a possibility for integrating a sensor component 32 designed as an example of a strain gauge into the support body 2. It can be seen that in addition to the first and second electrical conductors 17a, 17b explained, further, third electrical conductors 17c for contacting of the sensor components 32 can be provided, which run in the first and second component levels 28a, 28b and can be linked by means of plated-through holes 27a.
  • Other recommended sensor components are force sensors, acceleration sensors and temperature sensors that are used for optimally monitored actuation of the piezo bending transducer can be used.
  • the integrated electronics and / or sensor components 24, 32 are made extremely thin Types that hardly apply.
  • Height can be shifted extensively in length and width.
  • FIGS. 8 and 9 show alternative embodiments of a support body 2, it being evident that additional electronics and / or sensor components 36 may be present, which are located in an outer surface section of the support body 2 not occupied by a piezo body. In particular, they can be arranged on the free surface section of a wing 3 running on the connection section 16.
  • the plated-through holes 27 are electrically conductive materials which are made in the support body 2 in whole or in part through openings or perforations transverse to its plane of expansion.
  • a conductive adhesive can be used as the material.
  • the previously described piezo bending transducer 1 can be referred to as a unimorph bending transducer. Due to its asymmetrical structure, such a Unimorph bending transducer does, however, have relatively high thermal inherent bending, which can impair the operating behavior. However, the integrated sensor system can be used to specifically compensate for piezoelectric relaxation and drift effects, so that the operating behavior of a Unimorph bending transducer can be optimized relatively easily with the integration according to the invention. Furthermore, the working point of the bending transducer can be specifically influenced by the materials integrated in the carrier body.
  • a further possibility for the cost-effective reduction of the thermal self-bending is to build up the piezo bending transducer using trimorph technology and to provide on the second airfoil 4, at the same height as the piezo laminated body 6, a body which can be designated as an adapter body 37 and which is made of a material exists that has substantially the same thermal expansion coefficient as that
  • Piezo laminated body 6 It is advisable to provide a second piezo body 38 as the adapter body 37, which, however, has a much more cost-effective monolithic structure than a multilayer structure.
  • the piezo material is expediently provided with the polarization usually required for active operation in order to actually achieve the same temperature behavior as the piezo laminate 6.
  • the second piezo body 38 is not activated, it is only used to adapt or to maintain the symmetrical structure.
  • the piezo bending transducer can advantageously be used as an actuator in a valve used to control fluid flows.
  • a section of the housing 44 of a pneumatic valve is indicated by dash-dotted lines, which has a fluid channel opening 45, which is optionally closed or released by activating or deactivating the piezo bending transducer 1.

Abstract

Es wird ein Piezo-Biegewandler vorgeschlagen, der einen länglichen Tragkörper (2) aufweist, welcher an wenigstens einer Längsseite mit einem Piezo-Schichtkörper (6) bestückt ist. Im Innern des Tragkörpers (2) und/oder zwischen dem Tragkörber (2) und dem Piezo-Schichtkörper (6) und/oder zwischen benachbarten Piezo-Materialschichten des Piezo-Schichtkörpers (6) ist mindestens eine Komponente (24, 32) einer für den Betrieb des Piezo-Biegewandlers verwendeten Elektronik (23) und/oder Sensorik (33) untergebracht.

Description

Piezo-Biegewandler sowie Verwendung desselben
Die Erfindung betrifft einen Piezo-Biegewandler, mit einem länglichen Tragkörper, der an wenigstens einer Längsseite mit einem mehrere Schichten aus Piezo-Material und dazwischenliegende Elektroden aufweisenden Piezo-Schichtkörper bestückt ist. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines der- artigen Piezo-Biegewandlers .
Ein derartiger Piezo-Biegewandler, auch als Multilayer-Biege- aktor bezeicheribar, geht beispielsweise aus der WO 99/17383 hervor. Dieser verfügt über einen länglichen, platten- bzw. leistenförmigen Tragkörper, der an seinen beiden einander entgegengesetzten großflächigen Längsseiten jeweils mit einem Piezo-Schichtkörper bestückt ist. Jeder Piezo-Schichtkörper setzt sich aus mehreren aufeinanderliegenden Piezo-Material- schichten sowie zwischen den Piezo-Materialschichten angeord- neten flächigen Elektroden zusammen. An die Elektroden kann über auf dem Tragkörper verlaufende elektrische Leiter eine Ansteuerspannung angelegt werden, die eine Längenkontraktion eines Piezo-Schichtkörpers hervorruft, woraus eine Auslenkung des Piezo-Biegewandlers senkrecht zur Längsrichtung resultiert.
Zur Betätigung des Piezo-Biegewandlers wird in aller Regel auf eine geeignete Elektronik zurückgegriffen, deren Kompo- nenten beispielsweise dafür sorgen, eine zur Verfügung stehende Niedervoltspannung in eine ausreichende hohe Ansteuerspannung zu konvertieren. Dabei bietet die Multilayer-Technik den Vorteil, dass die für eine gewünschte Auslenkung. des Pie- zo-Biegewandlers erforderliche elektrische Energie bereits bei einer wesentlich niedrigeren AnsteuerSpannung zur Verfügung gestellt wird als bei einem vergleichbar dimensionierten monolithischen Piezo-Körper. Gleichwohl haben die Elektronikbauteile einen nicht geringen Platzbedarf, was die Miniaturi- sierung von mit dem Piezo-Biegewandler auszustattenden Einrichtungen, beispielsweise Ventile, behindert.
Einen weiteren Problempunkt bei den bekannten Piezo-Biege- wandlern stellt die Überwachung und/oder Rückmeldung des Be- triebsverhaltens dar. Die Installation einer hierfür erforderlichen Sensorik geht wiederum zu Lasten der Baugröße der mit dem Piezo-Biegewandler ausgestatteten Einrichtung.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maß- nahmen anzugeben, die kompaktere Abmessungen von mit einem Piezo-Biegewandler der eingangs genannten Art ausgestatteten Einrichtungen ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer vorteilhaften Verwendung für einen derartigen Piezo-Biegewandler.
Die erstgenannte Aufgabe wird im Zusammenhang mit einem Piezo-Biegewandler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass im Innern des Tragkörpers und/oder zwischen dem Tragkörper und dem Piezo-Schichtkörper und/oder zwischen benach- harten Piezo-Materialschichten des Piezo-Schichtkörpers mindestens eine Komponente einer für den Betrieb des Piezo- Biegewandlers verwendeten Elektronik und/oder Sensorik untergebracht ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die im Zusammenhang mit einem Multilayer-Biegewandler einzusetzenden Komponenten der für den Betrieb erforderlichen Elektronik und/oder Sensorik in ihren Abmessungen und in ihrer Gestaltung so ausführen lassen, dass eine Integration in den Piezo- Biegewandler möglich ist und dementsprechend auf größeren Einbauraum beanspruchende externe Elektronik- und/oder Senso- rikbauteile verzichtet werden kann. So können die Elektronik- und/oder Sensorikkomponenten beispielsweise im Innern des Tragkörpers untergebracht werden, lassen sich aber auch zwischen den Piezo-Materialschichten des Piezo-Schichtkörpers oder im Bereich zwischen dem Tragkörper und dem an diesen an- gesetzten Piezo-Schichtkörper plazieren. Im Zusammenhang mit den Sensorikkomponenten eröffnet dies auch die Möglichkeit, eine Plazierung praktisch unmittelbar dort vorzunehmen, wo eine betriebsrelevante Zustandsgröße erfaßt werden soll.
So kann zum Beispiel bei sicherheitskritischen Ventilanwendungen eine zuverlässige und präzise Rückmeldung der Aktorstellung durch in den Aufbau des Piezo-Biegewandlers integrierte Sensorikkomponenten gewährleistet werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Piezo- Biegewandler mit einem Piezo-Schichtkörper auszustatten, bei dem die Schichtdicke der einzelnen Piezo-Materialschichten maximal 25 μm beträgt, wobei ein Dickenbereich zwischen 14 μm und 20 μm empfehlenswert ist und vorzugsweise eine Schicht- dicke von 17 μm gewählt wird. Es ergibt sich dadurch ein Nie- dervolt-Multilayer mit sehr dünnen Schichten und dementsprechend stark reduzierter Ansteuerspannung, die wesentlich geringer ist als die heute üblichen Ansteuerspannungen im Bereich oberhalb 60 Volt. Dementsprechend reduziert sich auch der Bauaufwand für zur Spannungskonvertierung notwendige e- lektronische Schaltungen, was die erfindungsgemäß vorgesehene Integration der Elektronikkomponenten in den Piezo- Biegewandler noch vereinfacht. Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß für den Hochvoltbereich gültige Gestaltungsnormen nicht mehr relevant sind und sich somit vielfältigere Gestal- tungsmöglichkeiten für die Leitungsführung und Gehäuseausführung des Piezo-Biegewandlers bzw. einer mit ihm ausge- statteten Einrichtung eröffnen. Gleichwohl wird eine ausreichende elektrische Feldstärke im Piezo-Material erreicht, und es sind, verglichen mit der Baugröße, große Stellkräfte und Stellwege möglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Mindestens eine der integrierten Elektronikkomponenten kann zu einer Spannungswandlerschaltung, zu einer Strombegrenzungsschaltung oder zu einer Lade-/Entladeschaltung gehören bzw. unmittelbar eine solche bilden.
Mindestens eine Sensorikkomponente kann von einem zur Erfas- sung der Auslenkung des Biegewandlers dienenden Auslenkungs- sensor gebildet sein, beispielsweise in Gestalt von Dehnmeßstreifen (DMS) , von einer oder mehreren Piezo-Materialschichten oder von induktiven Aufnehmern und Spulen. Ein großer Vorteil eines in das Trägermaterial oder in das Piezo- Material integrierten Auslenkungssensors ist die Möglichkeit zur Verwendung bei einer gezielten Nachsteuerung der Aktorauslenkung zur Kompensation der piezoelektrischen Relaxations- und Drifteffekte. Dies ermöglicht langzeitstabi- le gesteuerte Anwendungen. Eine weitere Möglichkeit zur Ver- wendung ist eine Funktionsüberwachung des Stellelements mittels Sensor.
Darüber hinaus können weitere Sensoren jeglicher Art und jeglichen Aufbaus nach Bedarf integriert sein, beispielsweise Kraft-, Beschleunigungs- oder Temperatursensoren.
Die Integration einer oder mehrerer Elektronik- und/oder Sensorikkomponenten in den Tragkörper läßt sich besonders einfach realisieren, wenn der Tragkörper als Mehrschichtkörper mit mindestens zwei aufeinanderliegenden Tragkörperschichten ausgebildet ist, wobei die Schichtebenen der Tragkörperschichten zweckmäßigerweise parallel zu denjenigen der Piezo- Materialschichten verlaufen und wobei sich die betreffenden Komponenten zwischen jeweils zwei benachbarten Tragkörperschichten plazieren lassen.
Um die zur Ansteuerung des Piezo-Schichtkörpers sowie für den Betrieb der eventuell vorhandenen Sensorik benötigten elektrischen Leiter in optimaler Verteilung am Tragkörper vorsehen zu können, sind die vorhandenen elektrischen Leiter zweckmäßigerweise in unterschiedlichen Bestückungsebenen des Tragkörpers angeordnet, wobei die gegenseitige Verbindung mittels einer oder mehrerer Durchkontaktierungen, sogenannter Vias, realisiert wird, die quer zu den Bestückungsebenen verlaufen. Bei einem in Multilayer-Technologie ausgeführten Tragkörper können elektrische Leiter sowohl zwischen benach- harten Tragkörperschichten als auch auf der Außenfläche der äußeren Tragkörperschichten vorgesehen sein, wobei beidseits einer Tragkörperschicht befindliche elektrische Leiter mittels Durchkontaktierungen kontaktiert sein können, die lediglich die betreffende Tragkörperschicht durchsetzen.
Dieser Aufbau bietet sich vor allem dann an, wenn der Piezo- Biegewandler über einen sogenannten Trimorph-Aufbau verfügt, wobei der Tragkörper mit zwei Piezo-Körpern bestückt ist, die an voneinander abgewandten Längsseiten des Tragkörpers ange- setzt sind. Hier sind zweckmäßigerweise beide Piezo-Körper als Piezo-Schichtkörper der oben erläuterten Art ausgeführt, um auf Basis der geschilderten Vorteile eine erzwungene Auslenkung des Piezo-Biegewandlers in zwei einander entgegengesetzten Richtungen zu ermöglichen. Man kann eine Ausführung vorsehen, bei der der Trimorph-Biegewandler über eine Faserverbund-Mittellage verfügt, in Verbindung mit flexiblen Leiterbahnschichten als KontaktZuführung zu den aktiven Piezo- Materialschichten, zur Sensorik und/oder zur Elektronik. Durch eine geeignete Auswahl von Materialien mit entsprechen- den thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist eine gezielte
Reduzierung der thermischen Drifts realisierbar. Ein Beispiel hierfür ist die gezielte Einbringung von Kupferschichten in den Aktuatorgesamtaufbau . Die Kupferschichten können neben der Reduzierung der thermischen Drifts auch zur Einstellung der gezielten mechanischen Eigenschaften wie Auslenkung und Stellkraft sowie zur Kontaktierung der aktiven Piezo- Materialschichten, der integrierten Sensoren und/oder der Elektronik verwendet werden.
Anstelle eines zweiten aktiven Piezo-Körpers kann vorteilhafterweise auch ein Anpaßkörper vorgesehen sein, der aus ei- nem Material mit im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht wie das Piezo-Material des Piezo-Schichtkörpers. Dieser Anpaßkörper trägt zur Erzeugung von Auslenkkräften nicht bei, ist also ein passives Element, bewirkt jedoch, dass im Vergleich zu einem nur einseitig mit einem Piezo-Körper bestückten Piezo-Biegewandler - einer sogenannten Unimorph-Bauart - mit relativ geringen Kosten ein symmetrischer Aufbau erzielt werden kann, so dass die. thermische Eigenverbiegung reduziert oder gar vollständig ausgeschlossen werden kann. Darüber hinaus kann das Anpaßmaterial selbst Sensor sein oder in diesem integriert sein. Der Sensor kann auch in das Anpaßteil integriert sein.
Die eingangs genannte, auf eine besondere Verwendung abzielende zweite Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß der Piezo-Biegewandler als Stellglied eines Ventils eingesetzt wird, insbesondere auf dem Pneumatiksektor zur Steuerung von Luftströmungen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich- nung näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezo-Biegewandlers in stark vergrößerter, perspektivischer Darstellung und teilweise ex- plodiert, Fig. 2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 nach oben weisende Tragfläche des Tragkörpers mit Blick gemäß Pfeil II,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Tragkörper aus Fig. 1 gemäß Schnittlinie III-III mit Blick auf die nach oben weisende Fläche der unteren Tragkörperschicht,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Tragkörper aus Fig. 1 _ gemäß Schnittlinie IV-IV, wobei strichpunktiert an der nach unten weisenden Tragfläche optional vorhandene elektrische Leiter angedeutet sind,
Fig. 5 den Piezo-Biegewandler aus Fig. 1 bis 4 im Quer- schnitt gemäß Schnittlinie V-V aus Fig. 1 und 2, unter Andeutung einer vorteilhaften Verwendung im Zusammenhang mit einem Steuerventil auf dem Sektor der Pneumatik,
Fig. 6 und 7 entsprechend den Fig. 2 und 3 geführte Längsschnitte durch einen Tragkörper eines weiteren Aus- führungsbeispiels des Piezo-Biegewandlers,
Fig. 8 einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungs- beispiels des Piezo-Biegewandlers im Längsschnitt gemäß Schnittlinie VIII-VIII aus Fig. 9 und
Fig. 9 eine Draufsicht auf die nach oben orientierte Trag- fläche des Tragkörpers gemäß Fig. 8 ohne Darstellung des darauf sitzenden Piezo-Körpers.
Der in Fig. l bis 5 dargestellte Piezo-Biegewandler 1 verfügt über einen länglichen, platten- oder leistenartig ausge- führten Tragkörper 2, der eine gewisse Steifigkeit besitzt, gleichwohl jedoch biegbar ist und bevorzugt aus einem Faser- verbundmaterial oder aus mehrschichtigen Kunststofflagen vorzugsweise aus Polymid besteht.
Die sich an einander entgegengesetzten Längsseiten befinden- den, voneinander abgewandten großflächigen Außenflächen des Tragkörpers 2 bilden eine in Fig. 1 und 5 exemplarisch nach oben orientierte erste Tragfläche 3 sowie eine nach unten weisende zweite Tragfläche 4. Auf die eine, erste Tragfläche 3 ist ein erster Piezo-Körper 5 aufgebracht, der in Multi- layer-Technologie ausgeführt ist, so daß es sich um einen Piezo-Schichtkörper 6 handelt. Er enthält, wie die Fig. 5 verdeutlicht, eine Mehrzahl ebener Piezo-Materialschichten 7, die in einer durch Doppelpfeil 8 angedeuteten, rechtwinkelig zur ersten Tragfläche 3 orientierten Stapelrichtung 8 mit zu- einander parallelen Schichtebenen aufeinandergestapelt sind. Als Piezo-Material kann jeder piezo-elektrische Werkstoff verwendet werden, vorzugsweise eine Piezo-Keramik.
Die Schichtebenen der Piezo-Materialschichten 7 verlaufen pa- rallel zur Ausdehnungsebene des Tragkörpers 2.
Zwischen jeweils benachbarten Piezo-Materialschichten 7 erstreckt sich eine dünne Elektrode 9, 10 mit flächenhafter Ausdehnung, vorzugsweise in Gestalt einer Silber-/Palladium- Metallisierungsschicht. Dabei sind in der Stapelrichtung 8 abwechselnd erste (9) und zweite (10) Elektroden vorgesehen, so dass jede Piezo-Materialschicht 7 - beim Ausführungs- beispiel mit Ausnahme der untersten und der obersten Piezo- Materialschicht 7 - auf entgegengesetzten Seiten von einer ersten und zweiten Elektrode 9, 10 flankiert ist. Dabei sind sowohl die ersten Elektroden 9 als auch die zweiten Elektroden 10 untereinander elektrisch verbunden und mit einer ersten bzw. zweiten Kontaktierungsflache 13, 14 verschaltet, die an der Unterseite der sich unmittelbar an den Tragkörper 2 anschließenden untersten Piezo-Materialschicht 7 vorgesehen ist. Die oberste Piezo-Materialschicht 7 kann wie abgebildet eine inaktive Deckschicht sein, es wäre jedoch ohne weiteres möglich, an ihrer Oberseite ebenfalls eine Elektrode vorzusehen, um sie aktiv zu nutzen.
Die an den Außenflächen des Piezo-Schichtkörpers 6 verlaufenden, zur Kontaktierung der Elektroden 9, 10 dienenden leitfähigen Schichten sind zweckmäßigerweise mit einer nicht näher dargestellten Vergußmasse aus Epoxidharz versiegelt.
Der Piezo-Schichtkörper 6 belegt nur einen Teil der Baulänge der ersten Tragfläche 3. Daher ragt der Tragkörper 2 an einer Anschlußseite 15 des Piezo-Biegewandlers 1 mit einem An- schlußabschnitt 16 über den Piezo-Schichtkörper 6 hinaus.
Über den Anschlußabschnitt 16 werden die für den Betrieb des Piezo-Biegewandlers 1 erforderlichen elektrischen Anschlüsse vorgenommen und kann auch die Einspannung des Piezo-Biegewandlers erfolgen.
Zur Ansteuerung des Piezo-Schichtkörpers 6 ist der Tragkörper 2 mit beispielsweise von Leiterbahnen, von Metallisierungen und/oder von leitfähigen Kunststoffschichten gebildeten ersten und zweiten elektrischen Leitern 17a, 17b ausgestattet. Sie verlaufen ausgehend vom freien stirnseitigen Ende des Anschlußabschnittes 16 bis in den vom Piezo-Schichtkörper 6 überdeckten Tragkörperabschnitt, wo sie als erste und zweite elektrische Verbindungsflächen 18a, 18b ausgeführt sind, die mit den ersten und zweiten Kontaktierungsflachen 13, 14 des Piezo-Schichtkörpers 6 elektrisch kontaktiert sind.
Somit läßt sich der Piezo-Schichtkörper 6 über die ersten und zweiten elektrischen Leiter 17a, 17b mit einer Ansteuerspannung beaufschlagen, die in an sich bekannter Weise eine Längenänderung der Piezo-Materialschichten 7 hervorruft, was bei im Bereich des Anschlußabschnittes 16 eingespanntem Piezo-Biegewandler 1 eine Krümmung sowie eine damit verbundene Auslenkung senkrecht zur Längsrichtung des Biegewandlers gemäß Pfeil 22 des uneingespannten vorderen Endbereiches des Piezo-Biegewandlers 1 hervorruft.
Zwar kann der Anschlußabschnitt 16 vorteilhaft zum Einspannen des Piezo-Biegewandlers 1 herangezogen werden. Es ist allerdings auch ohne weiteres möglich, die Einspannung in dem sich an den Anschlußabschnitt 16 anschließenden Bereich des Piezo- Schichtkörpers 6 vorzunehmen.
Zur Reduktion der Ansteuerspannung sind die Piezo-Materialschichten 7 sehr dünn ausgeführt . Die Schichtdicke beträgt beim Ausführungsbeispiel 17 μm, wobei der insgesamt empfehlenswerte Dickenbereich zwischen 14 μm und 20 μm liegt und zweckmäßigerweise 25 μm nicht überschreitet. Durch die dadurch mögliche Niedervoltansteuerung mit AnsteuerSpannungen bis maximal 60 Volt und vorzugsweise einer noch um einiges unter diesem Maximalwert liegenden Ansteuerspannung sind gewisse, bei Hochspannungsanwendungen geltende Vorschriften nicht mehr zutreffend, und es bestehen flexiblere Möglichkeiten für eine günstige Anordnung der elektrischen Leiter.
Die Ausbildung des Piezo-Schichtkörpers 6 als Niedervolt- Multilayer mit sehr dünnen Schichten und daraus resultieren- den geringen Ansteuerspannungen hat den weiteren Vorteil, dass die für den Betrieb des Piezo-Biegewandlers 1 eingesetzte Elektronik 23 über einen verglichen mit konventionellen Bauformen wesentlich einfacheren, platzsparenderen und kostengünstigeren Aufbau verfügen kann.
Die geringe Baugröße der Elektronik 23 wird nun bei dem Piezo-Biegewandler 1 ausgenutzt, um mindestens eine Elektronikkomponente 24 und vorzugsweise sämtliche Elektronikkomponenten bzw. die gesamte Ansteuerelektronik in den Piezo- Biegewandler 1 zu integrieren. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 5 ist die mindestens eine Elektronikkomponente 24 gut geschützt im Innern des Tragkörpers 2 untergebracht, der hierbei als Mehrschichtkörper ausgeführt ist und über zwei flächig aufeinanderliegende Tragkörperschichten 25, 26 verfügt, zwischen denen die mindestens eine Elektronikkomponente 24 plaziert ist. Bei einem mehr als zwei Tragkörperschichten aufweisenden Tragkörper 2 könnten in entsprechender Weise die weiteren Schichtübergangsbereiche zur Unterbringung einer o- der mehrerer Elektronikkomponenten verwendet werden.
Um die dementsprechend integrierte Elektronikkomponente 24 in der gewünschten Weise zu kontaktieren, wird auf im Tragkörper 2 geeignet plazierte Durchkontaktierungen 27, sogenannte Vi- as, zurückgegriffen. Mit solchen Durchkontaktierungen 27 lassen sich unterschiedliche, jeweils mit elektrischen Leitern bestückte Bestückungsebenen 28 erschließen und die entspre- chenden elektrischen Leiter elektrisch miteinander kontaktieren. Die Anzahl der Durchkontaktierungen 27 ist dabei prinzipiell beliebig und orientiert sich am gewünschten Schaltungs- Layout .
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 5 verläuft der zweite elektrische Leiter 17b auf der ersten Tragfläche 3, die hier hinsichtlich der elektrischen Leiter eine erste Bestückungsebene 28a repräsentiert. Der zweite elektrische Leiter 17b verläuft dabei in seiner Gesamtheit in der ersten Bestü- ckungsebene 28a.
Der erste elektrische Leiter 17a hingegen ist in mehrere Leiterabschnitte unterteilt, die in verschiedenen Bestückungs- ebenen verlaufen und mittels Durchkontaktierungen 27 mitein- ander verknüpft sind. So erstreckt sich ein erster Leiterabschnitt 31a im Bereich des Anschlußabschnittes 16 auf der ersten Tragfläche 3 und der von dieser definierten ersten Bestückungsebene 28a. Noch vor Erreichen des Piezo-Schichtkörpers 6 ist eine lediglich die die erste Tragfläche 3 auf- weisende erste Tragkörperschicht 25 durchsetzende Durchkontaktierung 27 vorgesehen, die zu einer zweiten Bestückungsebene 28b führt, welche vom Übergangsbereich zwischen den beiden Tragkörperschichten 25, 26 gebildet ist. Dort schließt sich ein zweiter Leiterabschnitt 31b des ersten e- lektrischen Leiters 17a an, der im Innern des Tragkörpers 2 unterhalb des Piezo-Schichtkörpers 6 verläuft und dabei die zweite elektrische Verbindungsfläche 18b unterhalb passiert. Auf Höhe der ersten elektrischen Verbindungsfläche 18a ist der zweite Leiterabschnitt 31b mit einer weiteren Durch- kontaktierung 27 kontaktiert, die die erste Tragkörperschicht 25 erneut durchsetzt und mit dem die erste elektrische Ver- bindungsflache 18a definierenden dritten Leiterabschnitt 31c verbunden ist, der sich nun wiederum in der ersten Bestückungsebene 28a befindet.
Die mindestens eine Elektronikkomponente 24 ist in der zwei- ten Bestückungsebene 28b plaziert und mit dem dort verlaufenden zweiten Leiterabschnitt 31b in gewünschter Weise verschaltet.
Im Falle des beim Ausführungsbeispiel gezeigten Zweischicht- Tragkörpers 2 könnten auch Durchkontaktierungen vorgesehen sein, die sich durch beide Tragkörperschichten 25, 26 gleichzeitig hindurcherstrecken. Auch besteht die Möglichkeit, voneinander getrennte Durchkontaktierungen in sämtlichen Tragkörperschichten vorzusehen, um beidseits derselben vorhandene elektrische Leiter und/oder Elektronikkomponenten elektrisch zu verknüpfen.
Die mindestens eine Elektronikkomponente 24 kann zu einer Ansteuerelektronik für den Piezo-Biegewandler 1 gehören oder eine solche bilden. Die Elektronik kann insbesondere eine SpannungswandlerSchaltung zur Konvertierung der angelegten EingangsSpannung auf die gewünschte Ansteuerspannung enthalten. Von Vorteil ist auch eine StrombegrenzungsSchaltung, die Beschädigungen der Piezo-Charakteristik durch Überbean- spruchung verhindert. Eine Lade-/Entladeschaltung, die bei einem Zweidrahtbetrieb die zum Rückstellen der Auslenkung erforderliche Entladung ermöglicht, ist ebenfalls von Vorteil. Es versteht sich, dass diese Aufzählung rein exemplarischen und nicht abschließenden Charakter hat.
Der Piezo-Biegewandler 1 des Ausführungsbeispiels zeichnet sich ferner dadurch aus, dass in ihn, zusätzlich zu mindestens einer Elektronikkomponente, auch mindestens eine in Fig. 1 und 5 gestrichelt angedeutete Sensorikkomponente 32 einer für den Betrieb des Piezo-Biegewandlers verwendeten Sensorik 33 integriert ist.
Die mindestens eine Sensorikkomponente 32 ist beim Ausführungsbeispiel im Innern des Piezo-Schichtkörpers 6 zwischen zwei benachbarten Piezo-Materialschichten 7 untergebracht. Sie kann dort bei der Herstellung des Piezo-Schichtkörpers 6 bequem plaziert werden. Für ihren Betrieb erforderliche e- lektrische Kontaktmittel 34 können beispielsweise zu einer Stirnseite des Piezo-Schichtkörpers 6 und von dort zur Unterseite desselben geführt werden, so dass sie bei am Tragkörper
2 fixiertem Piezo-Schichtkörper 6 mit weiteren elektrischen Leitern 35 kontaktiert werden, die auf der ersten Tragfläche
3 im Bereich des Anschlußabschnittes 16 vorgesehen sind.
Durch die Plazierung mindestens einer Sensorikkomponente 32 und zweckmäßigerweise der gesamten Sensorik 33 im Innern des Piezo-Biegewandlers 1 können die interessierenden Größen unmittelbar an der relevanten Stelle erfaßt werden. Außerdem erübrigt sich eine zusätzlichen Platz beanspruchende Installation an der Außenfläche des Piezo-Biegewandlers oder an einem im späteren Einsatz den Piezo-Biegewandler 1 enthaltenden Gehäuse . Dies gilt im übrigen auch für die integrierte mindestens eine Elektronikkomponente 24 bzw. Elektronik 23. Durch die Unterbringung im Innern des Piezo-Biegewandlers 1 kann auch auf zusätzliche Schutzmaßnahmen verzichtet werden, da die Komponenten durch die sie umgebenden Bestandteile des Piezo-Biegewandlers 1 vor äußeren Einflüssen geschützt nach außen hin abgeschirmt sind. Mindestens eine Sensorikkomponente 32 kann auch in der anhand der Elektronikkomponente 24 beschriebenen Weise in den Tragkörper 2 integriert sein, wie auch mindestens eine Elektro- nikkomponente im Innern des Piezo-Schichtkörpers 6 plaziert sein kann. Ein weiterer vorteilhafter Ort zur Unterbringung einer Elektronik- und/oder Sensorikkomponente ist der Bereich zwischen dem Tragkörper 2 und dem daran fixierten Piezo- Schichtkörper 6, wobei in Fig. 5 eine entsprechende Elektro- nik- und/oder Sensorikkomponente strichpunktiert bei 24a, 32a angedeutet ist .
Es versteht sich, dass ein und derselbe Piezo-Biegewandler 1 je nach Anwendungsfall lediglich mit Elektronikkomponenten oder lediglich mit Sensorikkomponenten oder gleichzeitig mit Komponenten sowohl einer Elektronik als auch einer Sensorik ausgestattet sein kann. Dabei ist der Ort der Unterbringung jeweils beliebig auswählbar.
Eine im Piezo-Biegewandler 1 integrierte Sensorik kann als Sensorikkomponente insbesondere einen Auslenkungssensor beinhalten, beispielsweise einen Dehnmeßstreifen oder sonstige Aufnehmer und Spulen, anhand derer sich Rückschlüsse auf die momentane Auslenkung des Piezo-Biegewandlers 1 ziehen lassen.
Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Möglichkeit zur Integration einer beispielhaft als Dehnmeßstreifen ausgebildeten Sensorikkomponente 32 in den Tragkörper 2. Dabei ist ersichtlich, dass zusätzlich zu den erläuterten ersten und zweiten elekt- rischen Leitern 17a, 17b weitere, dritte elektrische Leiter 17c zur Kontaktierung der Sensorikkomponenten 32 vorgesehen sein können, die in der ersten und zweiten Bestückungsebene 28a, 28b verlaufen und mittels Durchkontaktierungen 27a verknüpft sein können.
Weitere empfehlenswerte Sensorikkomponenten sind Kraftsensoren, Beschleunigungssensoren und Temperatursensoren, die für eine optimal überwachte Betätigung des Piezo-Biegewandlers herangezogen werden können.
Um den Schichtaufbau des Piezo-Schichtkörpers 6 und/oder des Tragkörpers 2 nicht nennenswert zu beeinträchtigen - die Schichtebenen der Tragkörperschichten verlaufen parallel zu denjenigen der Piezo-Materialschichten -, wird für die integrierten Elektronik- und/oder Sensorikkomponenten 24, 32 auf extrem dünn ausführbare Bauarten zurückgegriffen, die kaum auftragen. Derartige Bauformen lassen sich in sogenannter Dünnschichttechnik bzw. als SMD-Bauelemente (SMD = Surface Mounted Device) oder als Nackt-Chips, also als ungekapselte Halbleiterchips ausführen. Da die zur Unterbringung der Komponenten vorhandene Schichtfläche sehr groß ist, kann das Schaltungs-Layout der Komponenten zugunsten einer geringen
Bauhöhe umfangreich in die Länge und Breite verlagert werden.
Die Fig. 8 und 9 zeigen alternative Ausführungsformen eines Tragkörpers 2, wobei ersichtlich ist, dass zusätzliche Elekt- ronik- und/oder Sensorikkomponenten 36 vorhanden sein können, die sich in einem nicht von einem Piezo-Körper belegten Außenflächenabschnitt des Tragkörpers 2 befinden. Sie können insbesondere an dem auf dem Anschlußabschnitt 16 verlaufenden freien Flächenabschnitt einer Tragfläche 3 angeordnet sein.
Die Fig. 8 und 9 machen im übrigen auch deutlich, dass elektrische Leiter 17 und Durchkontaktierungen 27 nach Bedarf in praktisch beliebiger geeigneter Verteilung am Tragkörper 2 vorgesehen werden können.
Bei den Durchkontaktierungen 27 handelt es sich um elektrisch leitfähige Materialien, die in den Tragkörper 2 quer zu seiner Ausdehnungsebene ganz oder teilweise durchsetzende Ausnehmungen oder Durchbrechungen eingebracht sind. Als Material kann beispielsweise ein Leitkleber verwendet werden. Der bisher beschriebene Piezo-Biegewandler 1 kann als Uni- morph-Biegewandler bezeichnet werden. Auf Grund seines unsymmetrischen Aufbaus treten bei einem solchen Unimorph- Biegewandler allerdings relativ hohe thermische Eigenverbie- gungen auf, die das Betriebsverhalten beeinträchtigen können. Durch die integrierte Sensorik lassen sich piezo-elektrische Relaxations- und Drifteffekte allerdings gezielt kompensieren, so dass mit der erfindungsgemäßen Integration das Betriebsverhalten eines Unimorph-Biegewandlers relativ einfach optimiert werden kann. Des weiteren kann durch die im Trägerkörper integrierten Materialien der Arbeitspunkt des Biegewandlers gezielt beeinflusst werden.
Eine weitere Möglichkeit zur kostengünstigen Reduktion der thermischen Eigenverbiegung besteht darin, den Piezo-Biegewandler in Trimorph-Technologie aufzubauen und auf der zweiten Tragfläche 4, auf gleicher Höhe wie der Piezo-Schichtkörper 6, einen als Anpaßkörper 37 bezeichenbaren Körper vorzusehen, der aus einem Material besteht, das im wesentlichen die gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der
Piezo-Schichtkörper 6 aufweist. Dabei bietet es sich an, als Anpaßkörper 37 einen zweiten Piezo-Körper 38 vorzusehen, der jedoch im Vergleich zu einem Multilayer-Aufbau über einen wesentlich kostengünstigeren monolithischen Aufbau verfügt. Da- bei ist das Piezo-Material zweckmäßigerweise mit der für einen aktiven Betrieb üblicherweise erforderlichen Polarisation versehen, um tatsächlich das gleiche Temperaturverhalten wie der Piezo-Schichtkörper 6 zu erzielen. Allerdings wird der zweite Piezo-Körper 38 nicht aktiviert, er dient lediglich zur Anpassung bzw. zum Erhalt des symmetrischen Aufbaus .
Gleichwohl wäre es selbstverständlich möglich, auf Basis des erfinderischen Gedankens einen Trimorph-Biegewandler zu schaffen, der über zwei Piezo-Körper 5, 38 verfügt, die beide aktivierbar sind, um den Piezo-Biegewandler 1 aktiv nicht nur nach einer, sondern nach zwei einander entgegengesetzten Seiten auslenken zu können. Dabei ist es empfehlenswert, auch den zweiten Piezo-Körper 38 als Piezo-Schichtkörper auszuführen. Der Tragkörper 2 kann dann, wie in Fig. 1 und 4 strichpunktiert angedeutet, mit weiteren elektrischen Leitern 42 und Durchkontaktierungen 43 - vergleichbar den oben im Detail geschilderten ersten und zweiten elektrischen Leitern 17a, 17b und Durchkontaktierungen 27 - ausgestattet sein, die die Ansteuerung des an der zweiten Tragfläche 4 plazierten zweiten Piezo-Körpers 38 gestatten. Werden die vorhandenen Elektronik- und/oder Sensorikkomponenten in einem Piezo-Schicht- körper 6 oder in dem Übergangsbereich zwischen einem Piezo- Körper und dem Tragkörper 2 plaziert, läßt sich der Piezo- Biegewandler 1 ohne weiteres auch mit einem Einschicht- Tragkörper 2 ausstatten.
Der Piezo-Biegewandler läßt sich vorteilhaft als Stellglied in einem zur Steuerung von Fluidströmen dienenden Ventil verwenden. In Fig. 5 ist strichpunktiert ein Ausschnitt des Gehäuses 44 eines Pneumatikventils angedeutet, das über eine Fluidkanalmündung 45 verfügt, die durch Aktivieren bzw. De- aktivieren des Piezo-Biegewandlers 1 durch diesen wahlweise verschlossen oder freigegeben wird.

Claims

Ansprüche
1. Piezo-Biegewandler, mit einem länglichen Tragkörper (2), der an wenigstens einer Längsseite mit einem mehrere Schichten aus Piezo-Material (7) und dazwischenliegende Elektroden (9, 10) aufweisenden Piezo-Schichtkörper (6) bestückt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Tragkörpers (2) und/oder zwischen dem Tragkörper (2) und dem Piezo-Schichtkörper (6) und/oder zwischen benachbarten Piezo-Materialschichten (7) des Piezo-Schichtkörpers (6) mindestens eine Komponente (24, 24a; 32, 32a) einer für den Betrieb des Piezo-Biegewandlers (1) verwendeten Elektronik (23) und/oder Sensorik (33) untergebracht ist.
2. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass mindestens eine Elektronikkomponente (24, 24a) zu einer Spannungswandlerschaltung, zu einer Strombegrenzungs- schaltung oder zu einer Lade-/Entladeschaltung gehört oder eine solche bildet.
3. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektronikkomponente (24, 24a) zu einer Ansteuerelektronik für den Piezo-Biegewandler gehört oder eine solche bildet.
4. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sensorikkomponente (32, 32a) von einem zur Erfassung der Auslenkung des Biegewandlers dienenden Auslenkungssensor gebildet ist, insbesondere von einem Dehnmeßstreifen oder von induktiven Aufnehmern und/oder Spulen.
5. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sensorikkomponente
(32, 32a) von einem Kraftsensor, einem Beschleunigungssensor und/oder einem Temperatursensor gebildet ist .
6. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektronik- und/oder Sensorikkomponente (24, 24a; 32, 32a) in sogenannter Dünnschichttechnik und/oder als SMD-Bauelement (SMD = Surface Mounted Device) und/oder als Nackt-Chip ausgebildet ist.
7. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) als Mehrschichtkörper mit mindestens zwei aufeinanderliegenden Trag- körperschichten (25, 26) ausgebildet ist.
8. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtebenen der Tragkörperschichten und der Piezo-Materialschichten parallel zueinander verlaufen.
9. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine im Innern des Tragkörpers (2) befindliche Elektronik- und/oder Sensorikkomponente (24, 32) zwischen zwei benachbarten Tragkörperschichten (25, 26) angeordnet ist .
10. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) mit in unterschiedlichen Bestückungsebenen (28) angeordneten elektrischen Leitern (17a, 17b, 17c, 42) versehen ist, die durch eine oder mehrere, quer zu den Bestückungsebenen (28) verlaufende Durchkontaktierungen (27, 43) elektrisch miteinander kontaktiert sind.
11. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 10 in Verbindung mit einem_ der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Durchkontaktierung (27, 43) vorhanden ist, die lediglich eine Tragkörperschicht durchsetzt, um beidseits derselben vorhandene elektrische Leiter miteinander zu verschalten.
12. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Schichtkörper (6) die ihm zugewandte Tragfläche (3) des Tragkörpers (2) nur teilweise belegt, wobei ein freier Abschnitt der Tragfläche (3) mit mindestens einer weiteren Elektronikkomponente (36) bestückt ist.
13. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der einzelnen Piezo-Materialschichten (7) maximal 25 μm beträgt, vorzugsweise im Bereich zwischen 14 μm und 20 μm liegt und insbesondere 17 μm beträgt.
14. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Piezo- Materialschichten (7) derart bemessen ist, dass die zur Betätigung des Piezo-Biegewandlers erforderliche AnsteuerSpannung maximal 60 Volt beträgt.
15. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) auf der dem Piezo-Schichtkörper (6) entgegengesetzten Längsseite einen monolithischen Piezo-Körper (38) trägt.
16. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) auf der dem Piezo-Schichtkörper (6) entgegengesetzten Längsseite mit einem Anpaßkörper (37) aus einem Material mit im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Piezo- Material des Piezo-Schichtkörpers (6) bestückt ist.
17. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) auf der dem Piezo-Schichtkörper (6) entgegengesetzten Längsseite mit einem weiteren Piezo-Schichtkörper bestückt ist.
18. Verwendung eines Piezo-Biegewandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 17 als Stellglied eines Ventils insbesondere auf dem Pneumatiksektor.
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