WO2003023873A2 - Flacher aktor oder sensor mit interner vorspannung - Google Patents

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WO2003023873A2
WO2003023873A2 PCT/EP2002/010080 EP0210080W WO03023873A2 WO 2003023873 A2 WO2003023873 A2 WO 2003023873A2 EP 0210080 W EP0210080 W EP 0210080W WO 03023873 A2 WO03023873 A2 WO 03023873A2
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ceramic
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Bernhard Döllgast
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Drei-S-Werk Präzisionswerkzeuge GmbH & Co. Fertigungs-KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders

Definitions

  • the invention relates to a flat, multilayer, in particular temperature-compensated and electrically controllable component with internal bias for use as an actuator or sensor.
  • Flat actuators and sensors are known as bimorphs or bending transducers. They usually consist of two interconnected active layers, in particular of ceramic based on lead zirconate titanate. An inert material, for example a metal or a fiber-reinforced plastic, can be used as the middle layer. If one layer is controlled in such a way that its length is shortened and, at the same time, the other layer is not activated or is lengthened by the activation, the entire layer is bent due to the intimate layer connection. Since this construction is symmetrical to the middle layer, differences in thermal expansion are eliminated and the composite does not change its shape with temperature.
  • US Pat. No. 5,632,841 and US Pat. No. 6,060,811 describe an asymmetrical, curved arrangement in which the differences in thermal expansion make a flat composite of a metal and an active ceramic, in particular piezoceramic based on lead zirconate titanate, is biased.
  • the composite is joined at high temperature. After the polymer used for the connection solidifies, mechanical stresses arise in the ceramic and in the metal due to their different expansion coefficients, so that the ceramic is put under pressure.
  • No. 5,849,125 describes a method for producing a curved, electrically activatable composite element, in which curved elements are joined in a likewise curved shape under pressure and at a specific temperature.
  • DE 10023556 A1 also describes a multi-layer transducer with an active piezo body and a support body. To prevent a change in shape of the transducer when there is a change in the ambient temperature, one is arranged here on the side of the support body opposite the active piezo body Adapting body is provided, the expansion behavior of which corresponds to that of the active piezo body.
  • the adapter body is made of the same material as the active piezo body.
  • the invention is based on the object of specifying a component which, while avoiding the disadvantages mentioned, has a simple structure and an internal preload, in particular in accordance with an asymmetrical element.
  • a flat, multilayer component for use as an actuator or sensor, which consists of an electrically activatable material layer and an expediently passive middle layer made of a material with a high thermal compared to the activatable material layer Expansion coefficients and a further, also passive material layer, the linear thermal expansion coefficient of which is at least approximately similar to the expansion coefficient of the activatable material layer.
  • the electrically activatable material layer is preferably a piezoceramic.
  • This construction makes it possible to set the change in the shape of the component with the temperature in a defined manner.
  • This property is particularly advantageous for the intended use of the component, since changes in the environment, eg. B. a housing receiving the component, can be compensated for by the influence of the ambient temperature.
  • Another advantage is being able to influence the shape of the component at room temperature by changing the process parameters.
  • the two non-active (passive) layers are preferably a metallic composite element produced by rolling or another industrial process, in particular a thermobimetal. Such a composite element is particularly inexpensive to implement.
  • This arrangement with one activatable and two passive layers or layers ensures that the composite formed therefrom from the point of view of thermal expansion is symmetrical.
  • a further metal layer can be attached to the free surface of the active or activatable material layer, the thickness of which is very thin compared to the other layers.
  • Such a component is produced by heating the composite for joining between two essentially flat plates to a temperature above the softening temperature of an adhesive. Pressure is applied orthogonally to the main plane of the composite, with the composite being cooled under pressure to below the softening temperature.
  • a solid composite of two metals with different coefficients of thermal expansion is used as the passive layer, an at least partial plastic deformation of the passive layer takes place during the heating of the composite under pressure.
  • the change in the internal stress state thereby causes a change in the static stress state and thus in the shape of the component. This enables the production of a flat, flat component.
  • the dimensioning of the layers and the selection of the materials can be derived using the technical mechanics, in particular analogously to the calculation of the thermobimetals. Calculation examples can be found, inter alia, in the presentation of the laminate group theory by Timoshenko, "Analysis of Bi-metal Thermostats", Journal of Optical Society of America, Vol. 2, pp. 233-255, 1925, and the expanded laminate group theory according to Arndt Stephan, " Thermal deformation of asymmetrical multi-layer composites ", VDI series 2, No. 500, Düsseldorf (DE), 1999.
  • a metal is selected as the material of the further layer, this can be glued onto the middle layer or layer.
  • a metallic compound in particular by rolling, since such a composite metal is advantageously already available as an end product (thermobimetal).
  • thermal bimetal represents in particular a significant simplification in the manufacture.
  • Another possible construction is the use of electrically conductive fibers in a plastic matrix as the middle layer. The use of fibers is also possible for use as an additional material layer, although - due to the pressure load - not necessarily optimal.
  • a non-metallic material with a low coefficient of thermal expansion e.g. B. alumina, used as the outer inactive material layer.
  • FIG. 1 schematically, in a section or a side view, a three-layer component according to the invention with an additional electrode layer in the unassembled state
  • FIG. 2 schematically shows a manufacturing step with a passive composite material curved due to heating and an active material layer adjacent thereto
  • FIG. 3 schematically shows an arrangement for measuring the Deflection of different components
  • Fig. 4 in a deflection ATemperature diagram, the different deflections depending on the temperature.
  • the construction or composite element 1 also referred to below as a composite, is produced by joining under pressure F and temperature.
  • materials in the form of a ceramic 2 and a middle layer 3 and an additional material 4 are coated with an adhesive 6, provided the middle layer 3 and the additional material 4 have not already been connected to one another to form a composite material 5.
  • a further material or metal layer 7 can be applied as an additional electrode by means of an adhesive 6 '.
  • the ceramic 2 is an electrically activated e.g. Piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive material existing plate.
  • a piezoceramic based on lead zirconate titanate (PZT) is preferably used.
  • the ceramic 2 can be provided with a metal layer 9 on at least one of the large surfaces 2a, 2b, corresponding to the need to control an electroactive material. This can be applied by sputtering or vapor deposition, screen printing or other methods.
  • multilayer component as an activatable layer.
  • These elements known in the art as multilayer, have an inner structure made up of several thin layers of activatable material with electrodes in between.
  • the electrodes can lie in the plane of the activatable layer using the longitudinal effect or transversely thereto using the thickness effect.
  • the composite 1, including the adhesive 6, 6 ', formed from the ceramic 2, the middle layer 3 and the additional material 4 - or the composite material 5 - and optionally the additional metal layer 7 is used for joining between two essentially flat plates P1 and P2 onto one Temperature warmed above the softening temperature of the adhesive 6.6 '. A compressive force F is applied orthogonally to the main plane of the composite 1. The composite 1 is then cooled under the pressure F to below the softening or reaction temperature.
  • the passive or inactive middle layer 3 has a greater linear coefficient of thermal expansion than the materials of the two adjacent layers, ie the active ceramic 2 on the one hand and the further passive or inactive material layer 4 on the other hand.
  • adhesive 6, 6 ' are thermoplastic materials (for example polyimides) or not yet cured thermosetting plastics (for example epoxy resins) with the highest possible softening or reaction temperature. Other methods for joining flat elements (eg soldering) are also possible.
  • a flexible layer can also be introduced between the plate P1 and the ceramic 2 in order to compensate for any differences in the thickness of the composite 1.
  • the manufacturing advantage is achieved that the composite material or substrate 5 bulges strongly when the composite 1 is heated before the compressive force or pressure F is applied. This bending can be reduced by previously bending the substrate 5. In any case, only the substrate 5, but not the ceramic 2, is bent.
  • this curvature of the composite material 5 has the result that the activatable material layer or ceramic 2 rests only at a linear contact point 8 on the middle layer 3 and thus on the composite material 5, which is the middle layer 3 and the other Material layer 4 comprises.
  • the composite material 5 is pressed flat, so that the ceramic 2 is joined in a roll-like movement onto the central layer 3 formed by the corresponding layer of the composite metal 5. A very uniform connection within the composite 1 is thereby achieved.
  • an additional material layer 4 is thus provided.
  • This additional material layer 4 which is expediently applied on the side facing away from the ceramic 2, is in its thickness and its elasticity or modulus of elasticity and their thermal expansion are matched to the central layer 3, which acts as the carrier metal, and the ceramic 2, so that a change in temperature induces a mechanical tension which cancels the bend or adjusts to a value desired in terms of amount and direction. Due to the then symmetrical structure of the internal stresses, there is no bending to the outside, even if the ceramic 2, the metal 3 and the additional material layer 4 are under mechanical stress.
  • the thermal expansion coefficient of the carrier metal and thus the middle layer 3 must be greater than the thermal expansion coefficient of both the ceramic 2 and the additional material of the material layer 4.
  • the thickness of the ceramic 2 and the middle layer 3 as well as the additional material 4 and the additional electrode layer 7 can be chosen on the basis of their elastic moduli and their thermal expansion coefficients in such a way that for a given temperature difference in the ceramic 2 and in the material layer 4 the same mechanical expansion occurs and therefore there is no bending of the composite 1 to the outside.
  • the materials forming the actual carrier of the ceramic layer 2, i. H. the middle layer 3 and the additional material 4 are expediently already a composite or bimetal, i.e. H. Bimetallic joined or rolled on top of each other.
  • structural or composite elements 1 were produced in the dimension 37 mm ⁇ 13 mm ⁇ 0.4 mm (length, width, thickness).
  • a commercially available ceramic 2 (Pl Ceramic, PIC 255) with a thickness of 0.2 mm was bonded with a thermobimetal 5 (TP 155/78, Aurhammer Metalltechnike) with a thickness of 0.2 mm.
  • FIG. 4 The result of a measurement of the change in shape by the temperature is shown in FIG. 4 by curve A.
  • a measurement set-up according to FIG. 3 was implemented, in which the composite element 1 with the thermobimetal 5 on two supports 10 and 11 rests.
  • the deflection b was measured in the middle between the two supports 10, 11 - starting at room temperature.
  • a deflection or change b of the curvature upwards is plotted as positive, according to the direction of the arrow R.
  • the conventional elements according to curves C and D have, depending on their geometry - in the example shown the thicknesses of the materials used - different degrees of decrease in the curvature, ie a change b in the curvature downwards and thus against the direction R with increasing temperature ,
  • the components produced according to the invention show a positive change b in the curvature with the temperature in the direction R or in accordance with the curves A.
  • curve B an at least only very slight negative change b in the curvature with the temperature.

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Abstract

Ein flaches mehrschichtiges Bauelement (1) zum Einsatz als Aktor oder Sensor, welches unter interner Vorspannung steht und bezüglich seiner Form nur eine geringe thermische Drift zeigt, umfasst eine elektrisch aktivierbare Materialschicht (2), vorzugsweise eine Piezokeramik, und eine passive Mittellage (3) sowie eine weitere passive Materialschicht (4). Dabei weist die Mittellage (3) einen grösseren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Materialien der beiden benachbarten Schichten (2,4) auf.

Description

Beschreibung Flacher Aktor oder Sensor mit interner Vorspannung
Die Erfindung bezieht sich auf ein flaches, mehrschichtiges, insbesondere tempe- raturkompensiertes, sowie elektrisch ansteuerbares Bauelement mit interner Vorspannung zum Einsatz als Aktor oder Sensor.
Flache Aktoren und Sensoren sind unter der Bezeichnung Bimorph oder Biegewandler bekannt. Sie bestehen üblicherweise aus zwei miteinander verbundenen aktiven Schichten, insbesondere aus Keramik auf der Basis von Blei-Zirkonat-Titanat. Als Mittellage kann ein inertes Material, beispielsweise ein Metall oder ein faserverstärkter Kunststoff, eingesetzt werden. Wird eine Schicht derart angesteuert, dass sich diese in ihrer Länge verkürzt und wird gleichzeitig die andere Schicht nicht angesteuert oder durch die Ansteuerung gelängt, so ergibt sich aufgrund der innigen Schichtenver- bindung eine Verbiegung des gesamten Verbundes. Da diese Konstruktion zur Mittellage symmetrisch ist heben sich Unterschiede in der thermischen Dehnung auf und der Verbund verändert seine Form nicht mit der Temperatur.
In der US 5,632,841 und in der US 6,060,811 ist eine asymmetrische, gekrümmte_An- Ordnung beschrieben, bei der durch die Unterschiede in der thermischen Dehnung ein flacher Verbund aus einem Metall und einer aktiven Keramik, insbesondere Piezokeramik auf der Basis von Blei-Zirkonat-Titanat, vorgespannt wird. Der Verbund wird bei hoher Temperatur gefügt. Nach dem Erstarren des für die Verbindung eingesetzten Polymers entstehen in der Keramik und im Metall aufgrund deren unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten mechanische Spannungen, so dass die Keramik unter Druck gesetzt wird.
Bei einem aus der US 5,632,841 bekannten Herstellungsverfahren wird ein zweilagiger Verbund mittels eines zusätzlichen Formträgers („mold") mit gebogener Oberfläche in eine gekrümmte Form gebracht, wobei eine Erwärmung mit anschließender Abkühlung eine Vorspannung induziert. Die US 6,060,811 beschreibt ein gekrümmtes Element mit schichtartigem Aufbau, wobei die durch deren Krümmung vorgespannten, einzelnen Bestandteile nach der aus der US 5,632,841 bekannten Methode miteinander verbunden werden.
In der US 5,849,125 wird ein Verfahren zur Herstellung eines gekrümmten, elektrisch aktivierbaren Verbundelementes beschrieben, bei dem gekrümmte Elemente in einer ebenfalls gekrümmten Form unter Druck und bei einer bestimmten Temperatur gefügt werden.
Aus der US 6,030,480 ist ein aus einer Keramik und aus bis zu drei Metalllagen bestehendes flaches Bauelement bekannt. Eine zwischen der Keramik und einem aus Stahl bestehenden Metallträger vorgesehene Metalllage, die größer als der Metallträger ist, dient zur Fixierung des Lagen- oder Schichtaufbaus des Verbundes in einer Presse.
In der US 5,471 ,721 wird als „Rainbow" ein Aktor beschrieben, der durch partielle chemische Reduktion einen inneren Schichtaufbau hat, wobei die reduzierte Schicht die Funktion des Metalls bei anderen Konstruktionen erfüllt.
Der gemeinsame Vorteil dieser bekannten Konstruktionen besteht darin, dass durch die thermische Vorspannung die Effektivität der Keramik und deren Widerstand gegen Brüche gesteigert wird, da diese mit einer Druckspannung beaufschlagt wird. Nachteilig an diesen Konstruktionen ist jedoch, dass durch die Unterschiede der thermischen Dehnung nicht nur bei der elektrischen Ansteuerung, sondern auch bei einer Änderung der Umgebungstemperatur eine Änderung der Form auftritt. Diese Änderung ist in der gleichen Größenordnung wie die Formänderung aufgrund der elektrischen Ansteuerung. Dadurch ist entweder der Temperaturbereich, in dem die Bauelemente oder Wandler eingesetzt werden können, stark eingeschränkt, oder es sind zusätzliche Maßnahmen zur Kompensation notwendig.
In der DE 10023556 A1 ist weiterhin ein mehrschichtiger Wandler mit einem aktiven Piezokörper und einem Tragkörper beschrieben. Zur Verhinderung einer Formänderung des Wandlers bei einer Änderung der Umgebungstemperatur ist hier ein auf der dem aktiven Piezokörper gegenüberliegenden Seite des Tragkörpers angeordneter Anpasskörper vorgesehen, dessen Ausdehnungsverhalten dem des aktiven Piezo- körpers entspricht. Insbesondere ist der Anpasskörper aus dem gleichen Material wie der aktive Piezokörper.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement anzugeben, welches unter Vermeidung der genannten Nachteile einen einfachen Aufbau und eine innere Vorspannung aufweist, insbesondere entsprechend einem asymmetrischen Element.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu ist ein flaches, mehrschichtiges Bauelement zum Einsatz als Aktor oder Sensor vorgesehen, das aus einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht und einer zweckmäßigerweise passiven Mittellage aus einem Material mit einem im Vergleich zur aktivierbaren Materialschicht hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie einer weiteren, ebenfalls passiven Materialschicht besteht, deren linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest annähernd ähnlich dem Ausdehnungskoeffizienten der aktiverbaren Materialschicht ist. Die elektrisch aktivierbare Materialschicht ist vorzugsweise eine Piezokeramik.
Diese Konstruktion ermöglicht, die Änderung der Form des Bauelementes mit der Temperatur definiert einzustellen. Diese Eigenschaft ist insbesondere vorteilhaft für die bestimmungsgemäße Anwendung des Bauelementes, da Veränderungen der Umgebung, z. B. eines das Bauelement aufnehmenden Gehäuses, durch den Einfluss der Umgebungstemperatur ausgeglichen werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, durch Änderung der Prozessparameter die Form des Bauelementes bei Raumtem- peratur beeinflussen zu können.
Die beiden nicht aktiven (passiven) Schichten, nämlich die Mittellage und die weitere Materialschicht, sind vorzugsweise ein durch Walzen oder einen anderen industriellen Prozess hergestelltes metallisches Verbundelement, insbesondere ein Thermobimetall. Ein solches Verbundelement ist besonders kostengünstig zu realisieren.
Durch diese Anordnung mit einer aktivierbaren und zwei passiven Schichten oder Lagen wird erreicht, dass der daraus gebildete Verbund unter dem Gesichtspunkt der thermischen Dehnungen symmetrisch aufgebaut ist. Als zusätzliche Elektrode kann auf der freien Oberfläche der aktiven oder aktivierbaren Materialschicht eine weitere Metallschicht angebracht sein, deren Dicke im Vergleich zu den anderen Schichten sehr dünn ist.
Die Herstellung eines derartigen Bauelementes erfolgt dadurch, dass der Verbund zum Fügen zwischen zwei im Wesentlichen ebenen Platten auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur eines Klebers erwärmt wird. Dabei wird Druck orthogonal zur Hauptebene des Verbundes aufgebracht, wobei unter Druck der Verbund bis unter- halb der Erweichungstemperatur abgekühlt wird.
Wird als passive Schicht ein fester Verbund zweier Metalle mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizient verwendet, so erfolgt während der Erwärmung des Verbundes unter Druck eine zumindest teilweise plastische Deformation der passiven Schicht. Der dadurch geänderte innere Spannungszustand bewirkt eine Änderung des statischen Spannungszustandes und damit der Form des Bauelementes. Dadurch wird die Herstellung eines flachen, ebenen Bauelementes ermöglicht.
Die Dimensionierung der Schichten und die Auswahl der Materialien kann mittels der technischen Mechanik, insbesondere analog zur Berechnung der Thermobimetalle hergeleitet werden. Berechnungsbeispiele finden sich unter anderem in der Darstellung der Laminatgruppentheorie von Timoshenko, „Analysis of Bi-metal Thermostats", Journal of Optical Society of America, Vol. 2, pp. 233-255, 1925, und der erweiterten Laminatgruppentheorie nach Arndt Stephan, „Thermische Verformung von unsym- metrischen Mehrschichtverbundwerkstoffen", VDI-Reihe 2, Nr. 500, Düsseldorf (DE), 1999.
Wird als Material der weiteren Schicht ein Metall gewählt, so kann dies auf die Mittellage oder -schicht aufgeklebt werden. Vorteilhafter ist jedoch die Verwendung einer metallischen Verbindung, insbesondere durch walzen, da ein solches Verbundmetall vorteilhafterweise bereits als Endprodukt (Thermobimetall) erhältlich ist. Der Einsatz eines solchen Thermobimetalls stellt insbesondere eine deutliche Vereinfachung bei der Herstellung dar. Eine andere mögliche Konstruktion ist die Verwendung von elektrisch leitenden Fasern in einer Kunststoffmatrix als Mittellage. Für die Verwendung als zusätzliche Materialschicht ist der Einsatz von Fasern ebenfalls möglich, wenn auch - aufgrund der Druckbelastung - nicht unbedingt optimal.
Bei einer weiteren möglichen Konstruktion wird ein nichtmetallischer Werkstoff mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z. B. Aluminiumoxid, als äußere inaktive Materialschicht verwendet.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig.1 schematisch in einem Schnitt bzw. einer Seitenansicht ein erfindungsgemäß dreischichtiges Bauelement mit zusätzlicher Elektrodenschicht in unge- fügtem Zustand, Fig. 2 schematisch einen Fertigungsschritt mit erwärmungsbedingt gewölbtem passivem Verbundmaterial und daran anliegender aktiver Materialschicht, Fig. 3 schematisch eine Anordnung zur Messung der Auslenkung unterschiedlicher Bauelemente, und
Fig. 4 in einem Auslenkungs-ATemperaturdiagramm die unterschiedlichen Auslenkungen in Abhängigkeit der Temperatur.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Herstellung des nachfolgend auch als Verbund bezeichneten Bau- oder Verbundelementes 1 erfolgt durch Fügen unter Druck F und Temperatur. Dazu werden Materialien in Form einer Keramik 2 und einer Mittellage 3 sowie einem Zusatzmaterial 4, soweit die Mittellage 3 und das Zusatzmaterial 4 nicht bereits durch andere Methoden zu einem Verbundmaterial 5 miteinander verbunden sind, mit einem Klebstoff 6 beschichtet. Auf der dem Verbundmaterial 5 abgewandten freien Oberfläche der aktiven Materialschicht oder Keramik 2 kann mittels eines Klebstoffs 6' als zusätzliche Elektrode eine weitere Material- oder Metallschicht 7 angebracht sein.
Die Keramik 2 ist ein aus elektrisch aktivierbarem z.B. piezoelektrischem, elektrostrik- tivem oder magnetostriktivem Material bestehendes Plättchen. Vorzugsweise wird eine Piezokeramik auf der Basis Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) eingesetzt. Die Keramik 2 kann auf zumindest einer der großen Flächen 2a,2b - entsprechende der Notwendigkeit zur Ansteuerung eines elektroaktiven Materials - mit einer Metallschicht 9 versehen sein. Diese kann durch sputtem oder aufdampfen, Siebdruck oder andere Methoden aufgebracht sein.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines mehrschichtigen Bauelementes als aktivierbare Schicht. Diese in der Technik als Multilayer bekannten Elemente weisen einen inneren Aufbau aus mehreren dünnen Schichten aktivierbaren Materials mit dazwischenliegenden Elektroden auf. Die Elektroden können in der Ebene der aktivierbaren Schicht unter Nutzung des Längseffektes oder quer dazu unter Nutzung des Dickeneffektes liegen.
Der aus der Keramik 2, der Mittellage 3 sowie dem Zusatzmaterial 4 - bzw. dem Verbundmaterial 5 - und gegebenenfalls der zusätzlichen Metallschicht 7 gebildete Verbund 1 inklusive des Klebstoffs 6, 6' wird zum Fügen zwischen zwei im Wesentlichen ebenen Platten P1 und P2 auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Klebers 6,6' erwärmt. Dabei wird eine Druckkraft F orthogonal zur Hauptebene des Verbundes 1 aufgebracht. Unter dem Druck F wird dann der Verbund 1 bis unterhalb der Erweichung- oder Reaktionstemperatur abgekühlt.
Die passive oder inaktive Mittellage 3 weist einen größeren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als die Materialien der beiden benachbarten Schichten, d. h. der aktiven Keramik 2 einerseits und der weiteren, passiven öder inaktiven Material- schicht 4 andererseits. Als Klebstoff 6, 6' besonders geeignet sind thermoplastische Kunststoffe (z.B. Polyimide) oder noch nicht ausgehärtete duroplastische Kunststoffe (z.B. Epoxyharze) mit einer möglichst hohen Erweichungs- bzw. Reaktionstemperatur. Andere Verfahren zum Fügen flächiger Elemente (z.B. Löten) sind ebenfalls möglich. Auch kann zwischen die Platte P1 und die Keramik 2 eine nachgiebige Schicht eingebracht werden, um eventuell vorhandene Unterschiede in der Dicke des Verbundes 1 auszugleichen.
Wird als Verbundmaterial 5 ein handelsüblicher Thermobimetall eingesetzt, so wird der fertigungstechnische Vorteil erzielt, dass sich bei Erwärmung des Verbundes 1 vor dem Aufbringen der Druckkraft bzw. des Drucks F das Verbund material oder Substrat 5 stark wölbt. Durch ein vorheriges Biegen des Substrates 5 kann diese Durchbiegung reduziert werden. In jedem Fall wird nur das Substrat 5, nicht aber die Keramik 2 gebogen.
Wie in Fig. 2 angedeutet ist, hat diese Wölbung des Verbund material 5 zur Folge, dass die aktivierbare Materialschicht oder Keramik 2 lediglich an einer linienförmigen Berührungsstelle 8 an der Mittelage 3 und damit am Verbund material 5 aufliegt, das die Mittellage 3 und die weitere Materialschicht 4 umfasst. Beim anschließenden Aufbringen des Drucks F wird das Verbundmaterial 5 flachgedrückt, so dass die Keramik 2 in einer aufrollartigen Bewegung auf die durch die entsprechende Schicht des Verbundmetalls 5 gebildete Mittellage 3 gefügt wird. Dadurch wird eine sehr gleichmäßige Verbindung innerhalb des Verbundes 1 erreicht.
Beim Aufbringen des Drucks F und dem Aufschmelzen bzw. der Reaktion des Klebers 6, 6' wird der bei entsprechend hoher Temperatur herrschende Spannungszustand eingefroren. Da die Materialien 2, 3, 4 sich beim weiteren Abkühlen nicht mehr gegenein- ander bewegen können, führen die inneren Spannungen durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien 2, 3, 4 zu der gewünschten mechanischen Vorspannung. Dabei kann es zu einer teilweisen plastischen Verformung einzelner Schichten, insbesondere der unter Zugspannung stehenden Mittelschicht 3 und der zusätzlichen Elektrodenschicht 7, kommen.
Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion 1 ist somit eine zusätzliche Materialschicht 4 vorgesehen. Diese, zweckmäßigerweise auf der der Keramik 2 abgewandten Seite aufgebrachte zusätzliche Materialschicht 4 ist in deren Dicke und deren Elastizitäts- oder E-Modul sowie deren thermischen Ausdehnung derart auf die als Trägermetall wirksame Mittellage 3 und die Keramik 2 abgestimmt, dass durch Änderung der Temperatur eine mechanische Spannung induziert wird, welche die Biegung aufhebt oder auf einen in Betrag und Richtung gewünschten Wert einstellt. Durch den dann symmetrischen Aufbau der inneren Spannungen tritt nach außen keine Biegung auf, auch wenn die Keramik 2, das Metall 3 und die zusätzliche Materialschicht 4 unter mechanischer Spannung stehen.
Praktisch muss dabei gelten, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Träger- metalls und damit der Mittellage 3 größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient sowohl der Keramik 2 als auch des Zusatzmaterials der Materialschicht 4 . Die Dicke der Keramik 2 und der Mittellage 3 sowie des Zusatzmaterials 4 und der zusätzlichen Elektrodenschicht 7 kann aufgrund deren E-Module und deren thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart gewählt werden, dass bei einer gegebenen Temperatur- differenz in der Keramik 2 und in der Materialschicht 4 die gleiche mechanische Dehnung entsteht und daher nach außen keine Biegung des Verbundes 1 erfolgt.
Die den eigentlichen Träger der Keramikschicht 2 bildenden Materialien, d. h. die Mittellage 3 und das Zusatzmaterial 4, sind zweckmäßigerweise bereits ein Verbünd- oder Bimetall, d. h. bimetallartig gefügt oder aufeinandergewalzt.
Anhand der Figuren 3 und 4 werden nachfolgend die Ergebnisse einer Messung und Untersuchung der Eigenschaften unterschiedlicher Bauelemente beschrieben und erläutert.
In einem ersten Beispiel wurden Bau- oder Verbundelemente 1 in der Dimension 37mm x 13mm x 0,4mm (Länge, Breite, Dicke) hergestellt. Dabei wurde eine handelsübliche Keramik 2 (Pl Ceramic, PIC 255) der Dicke 0,2mm mit einem Thermobimetall 5 (TP 155/78, Aurhammer Metallwerke) mit der Dicke 0,2mm verklebt.
Das Ergebniss einer Vermessung der Formänderung durch die Temperatur ist in Fig. 4 durch die Kurve A dargestellt. Dazu wurde ein Messaufbau gemäß Figur 3 realisiert, bei dem das Verbundelement 1 mit dem Thermobimetall 5 auf zwei Auflagen 10 und 11 ruht. Dabei wurde zur besseren Vergleichbarkeit die Spannweite a zwischen den Auflagen 10 und 11 bei allen Beispielen auf einem Wert a = 30mm konstant gehalten. Die Auslenkung b wurde in der Mitte zwischen den beiden Auflagen 10,11 - beginnend bei Raumtemperatur - gemessen. Eine Auslenkung oder Änderung b der Wölbung nach oben ist dabei - gemäß der Pfeilrichtung R - als positiv aufgetragen.
In einem zweiten Beispiel wurden Bau- oder Verbundelemente 1 in der Dimension 62mm x 15mm x 0,65mm aus den gleichen Materialien mit einer Keramik 2 der Dicke 0,45mm hergestellt. Das Ergebniss einer Vermessung der Formänderung durch die Temperatur ist in Fig. 4 durch die Kurve B dargestellt.
Zum Vergleich wurden Bauelemente mit der gleichen Keramiken 2 in den Dicken 0,2 mm und 0,45 mm mit einem Stahl 1.4310 mit der Dicke 0,20mm verklebt, so dass diese Elemente der Beschreibung der US 5,632,841 und der US 6,060,811 entspricht. Nach- folgend werden diese Elemente als „konventionelle Elemente" bezeichnet. Zusätzlich wurde auf die Keramik 2 eine Aluminiumfolie 9 mit einer Dicke von 10μm geklebt. Die Verklebung 6,6' erfolgte mit einem Polyimide mit einer Erweichungstemperatur Tg von 260°C. Das Ergebniss einer Vermessung der Formänderung durch die Temperatur ist in Fig. 4 durch die Kurve C für die Keramik 2 der Dicke 0,2mm und durch die Kurve D für die Keramik 2 der Dicke 0,45mm dargestellt.
Theoretische Berechnungen zeigen für das Beispiel gemäß der Kurve A, dass eine Keramik 2 der Dicke 0,15mm bei Verwendung des Thermobimetalls TB 155/78 die Durchbiegung aufgrund der unterschiedlichen thermischen Dehnungen exakt aus- gleicht.
Die konventionellen Elemente gemäß den Kurven C und D haben eine in Abhängigkeit von deren Geometrie - in dem dargestellten Beispiel der Dicken der verwendeten Materialien - unterschiedlich starke Abnahme der Wölbung, d. h. eine Änderung b der Wölbung nach unten und damit entgegen der Richtung R bei zunehmender Temperatur. Die erfindungsgemäß hergestellten Bauelemente zeigen dagegen gemäß der Kurven A eine positive Änderung b der Wölbung mit der Temperatur in Richtung R oder gemäß der Kurve B eine zumindest nur sehr geringe negative Änderung b der Wölbung mit der Temperatur.
Die Vermessung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften zeigte, dass sich die Auslenkung des erfindungsgemäßen Bauelementes 1 um etwa 20% und dessen Steifigkeit um nahezu 80% im Vergleich zum konventionellen Element gleicher Dimension erhöht.
Bezugszeichenliste
1 Verbundelement
2 Keramik
3 Mittellage
4 Zusatzmaterial
5 Verbundmaterial
6 Klebstoff
7 Metallschicht
8 Berührungsstelle
9 Metallschicht
10 Auflage
11 Auflage
P1 Platte
P2 Platte
F Druckkraft
R Pfeilrichtung
A Kurve
B Kurve
C Kurve
D Kurve

Claims

Ansprüche
1. Flaches mehrschichtiges Bauelement (1 ) zum Einsatz als Aktor oder Sensor, mit einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht (2), vorzugsweise einer Piezokeramik, und einer passiven Mittellage (3) sowie einer weiteren passiven Materialschicht (4), wobei die Mittellage (3) einen größeren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Materialien der beiden benachbarten Schichten (2,4).
2. Bauelement nach Anspruch 1 , wobei die beiden inaktiven Schichten (3,4) ein metallisches Verbundelement (5), insbesondere ein Thermobimetall, sind.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf der aktivierbaren Materialschicht (2) eine zusätzliche Metallschicht (7) angebracht ist.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die aktivierbare Materialschicht (2) eine innere Struktur in Form mehrerer Lagen aufweist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die aktivierbare Material- schicht (2) eine Piezokeramik ist, deren zumindest eine Oberfläche (2a,2b) zumindest teilweise mit einer Metallschicht (9) bedeckt ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, - wobei der Verbund (2,3,4;5) zum Fügen zwischen zwei im Wesentlichen ebenen Platten (P1 ,P2) auf eine erste Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur eines Klebers (6,6') erwärmt wird, - wobei Druck (F) orthogonal zur Hauptebene des Verbundes (2,3,4;5) aufgebracht wird, und - wobei der Verbund (2,3,4;5) unter Druck (F) bis unterhalb der Erweichungstemperatur abgekühlt wird. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erste Temperatur derart gewählt ist, dass das metallische Verbundelement (5) durch die entstehende Eigenspannung plastisch deformiert wird.
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