WO2006034905A1 - Festkörperaktor, insbesondere piezokeramikaktor - Google Patents

Festkörperaktor, insbesondere piezokeramikaktor Download PDF

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WO2006034905A1
WO2006034905A1 PCT/EP2005/053752 EP2005053752W WO2006034905A1 WO 2006034905 A1 WO2006034905 A1 WO 2006034905A1 EP 2005053752 W EP2005053752 W EP 2005053752W WO 2006034905 A1 WO2006034905 A1 WO 2006034905A1
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actuator
layer
solid
piezoceramic
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PCT/EP2005/053752
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Karl Lubitz
Thorsten Steinkopff
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions

Definitions

  • Solid state actuator in particular piezoceramic actuator
  • the invention relates to a solid-state actuator, in particular a piezoceramic actuator, with a carrier layer on which at least one actuator layer, in particular a piezoceramic layer, is applied, wherein the actuator layer is arranged between contact electrodes.
  • Solid state actuators and in particular piezoceramic actuators are known, which in the simplest case are composed of the composite of an actuator material and a carrier layer or of a multiplicity of, for example, joined disks of piezoceramic material.
  • an electric field can be built up between them so that an electric field acts on the piezoceramic material, resulting in that the piezoceramic material undergoes a change in length.
  • the solid state actuator may be formed, for example, as a piezoelectric bending transducer.
  • the piezoceramic sacrificial layer is arranged on a non-piezoelectric or non-controlled piezoelectric carrier layer, wherein the actuator layer is usually made of a PZT ceramic, which is doped lead zirconate titanate is.
  • Bending transducers are usually clamped on one side, wherein the force or deflection generated at the free end of the solid-state actuator is used as an actuatoric property.
  • piezoelectric bending transducers which may differ in design, in the type of their structure, in the selection of the carrier material and other criteria.
  • solid-state actuators designated as trimorphs consist of two piezoelectric actuator layers, which are connected to the carrier layer as the central layer and, for example, are driven alternately.
  • multi-layer bending transducers are also known which have no carrier layer and consist solely of a large number of piezoceramic actuator layers. In each case only one half is electrically driven in order to generate a deflection.
  • Contact electrodes have an immediate, over time by the resonance frequency determined actuator response, but then also show a strong creep behavior, so that the deflection or the force increase over a long period of time.
  • the amount of "after-creep" can reach up to 20% of the total deflection of the bending transducer
  • the duration of after-creep can amount to hours or even days if appropriately controlled In practice, this has the disadvantage that creeping occurs during application and when switching off As a usable deflection or force stroke, therefore, only the short-term, immediate stroke without additional creep is usually used.
  • the object of the present invention is to provide a solid-state actuator, which does not have the disadvantages mentioned above or at least only to a reduced extent.
  • the phenomenon of creep can be significantly reduced if the electrical conductivity of the material forming the actuator layer is greater than that of conventionally used materials, such as lead zirconate titanate (PZT). increases or the resistivity is reduced.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the specific resistance of such an actuator layer which is designed in particular as a piezo-ceramic layer, is in the order of 1-10 8 ⁇ m to 1-10 10 ⁇ m.
  • the specific resistance of an actuator layer according to the invention is thus a few orders of magnitude below the specific resistance for a typical piezoceramic layer.
  • the speci ⁇ fic resistance of soft PZT is about 1-10 12 ⁇ m.
  • the advantage that can be achieved by increasing the conductivity is that the stroke that can be achieved in a conventional solid-state actuator or the achievable deflection, including the deflection that can be achieved by the creeping process, can be realized in a considerably shorter time.
  • this has the consequence that not only the short-term stroke without the additional creeping process, but the physically possible stroke of the solid-state actuator can be used as the usable deflection or power stroke.
  • the above-described advantages of the invention can also be achieved by a solid state actuator according to the invention, in which the features described according to the first and second variants are combined with one another.
  • the solid-state actuator according to the invention according to the third variant is characterized in that the specific resistance of the actuator layer in the order of 1-10 8 ⁇ m to 1-10 10 ⁇ m and an Aktoran Kunststoffsch is provided for applying a drive voltage to the contact electrodes and the maximum Drive voltage is chosen such that in the solid-state actuator, the maximum mechanical stress is below half the coercive voltage.
  • a solid-state actuator provided with the above features represents a piezoelectric bending transducer, which is arranged with one end on or in a fastening means, so that only the other end can experience a deflection.
  • the relationship between the drive voltage and the mechanical stress in the solid-state actuator is determined by a calculation or is shown in a table, e.g. stored in the Aktoran Kunststoffmit ⁇ tel.
  • the increase in the electrical conductivity of the material of the actuator layer can be achieved according to an embodiment of the invention by additionally doping the actuator material with mono-, di- or trivalent cations.
  • Aktor- starting material lead zirconate titanate is preferred.
  • the monovalent cations on the A-site of the perkoswit cell lead to acceptor doping.
  • the divalent or trivalent cations on the B-site of the perkoswit cell also lead to acceptor doping. Also conceivable is a combination of the two named possibilities of acceptor doping.
  • the solid-state actuator is designed as a so-called trimorph, in which the carrier layer is arranged between two actuator layers.
  • the carrier layer is formed as an actuator layer, in particular a piezoceramic layer, so that the solid-state actuator constitutes a multilayer actuator comprising at least two actuator layers.
  • the solid-state actuator may have a multiplicity of actuator layers for forming a multilayer actuator, wherein the solid state components in the interior of the layer stack ordered contact electrodes by the control means eben ⁇ if the formation of equipotential surfaces are controlled.
  • the electrically highly conductive, arranged in the interior of the Schicht ⁇ stack electrodes are preferably formed of silver or a silver alloy and act as equipotential surfaces, so that they compensate for a significant part of the electric field distribution by appropriate La ⁇ .
  • the silver of the electrodes diffuses into the adjacent piezoceramic actuator layers, whereby further free charge carriers are present in the ceramic, so that the conductivity advantageously further increases. This effect is particularly pronounced due to the presence of a multiplicity of electrodes.
  • a multi-layer actuator designed in this way has compared to those used in the prior art
  • Solid state actuators the same advantages as described above. In particular, a significant Reduk ⁇ tion of creeping is observed.
  • the actuator layers of the multilayer actuator have a thickness in the range between 10 ⁇ m to 30 ⁇ m, in particular 20 ⁇ m.
  • a multilayer actuator with Aktor ⁇ layers of said layer thickness is unchanged in its Automatdi ⁇ over the known multilayer actuators. In other words, this therefore means that a multilayer actuator according to the invention has a correspondingly larger number of individual actuator layers, since the thicknesses of conventional actuator layers are in the range of 80 ⁇ m and above.
  • FIG. 1 shows a solid-state actuator according to the invention, which is designed as a bimorph bending transducer
  • FIG. 2 is a graph showing the change in length of the layers of the solid-state actuator shown in FIG. 1 along the z-axis.
  • FIG. 3 is a graph showing the stress along the z-axis of the solid state actuator shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a diagram which represents the deflection of a solid-state actuator as a result of a drive signal at different electrical conductivities of the contactor layer of the solid-state actuator
  • FIG. 5 shows a diagram which shows a drive according to the invention of a solid state actuator
  • FIG. 6 shows a multilayer actuator according to the invention in comparison to a multilayer actuator known from the prior art.
  • a solid state actuator 1 according to the invention is shown in cross section. This has a carrier layer 2 of an electrically insulating material and an actuator layer 3 applied thereon of a piezoceramic material, eg lead zirconate titanate. Arranged on both sides of the actuator layer 3 are contact electrodes 4, 5, to which an electrical voltage can be applied, so that between the contact electrodes 4, 5 there is an electric field.
  • the mechanical structure of the solid state actuator 1 according to the invention does not differ in principle from known solid state actuators. In order to avoid a pronounced creep behavior during the application or disconnection of the electrical voltage, changes to the piezoceramic material as well as alternatively or additionally to the control of the solid-state actuator 1 are performed in comparison to known arrangements.
  • the actuator layer 3 expands along its z-axis, while in the x-direction a shortening occurs, so that the solid-state actuator bends upwards.
  • the change in length ⁇ l / lo taking place in the interior of the carrier layer and of the actuator layer 3 is shown in FIG. While the carrier layer 2 undergoes an elongation until the so-called neutral fiber 7 is reached, the actuator layer 3 is compressed. Since the material properties of the carrier layer 2 and of the actuator layer 3 are different, the mechanical stress experienced when passing through the zero point changes abruptly.
  • an inhomogeneous mechanical stress which results in an inhomogeneous distribution of the electric field in the actuator layer 3, results via the z-axis.
  • a voltage is applied to the contact electrodes 4, 5
  • a constant, homogeneous electric field does not arise in the interior of the actuator layer 3, but rather a linear field dependence with a parabolic potential distribution.
  • charges therefore have to flow in the interior of the actuator layer. It has been found that the part of the creep attributable to the charge balance can be reduced by replacing one after the other
  • Lead zirconate titanate in which monovalent cations on the A-site of the percolosite cell, for example sodium, copper or silver, or, alternatively or additionally, bivalent or trivalent cations on the B, is also suitable as starting material for the actuator layer Placement, such as chromium, iron, Man ⁇ gan, doped.
  • FIG. 4 The effects of different electrical conductivities of the actuator layers are shown in FIG. 4.
  • a voltage is applied to the contact electrodes 4, 5 of the solid-state contactor 1. Because of this, a deflection of the bending transducer takes place.
  • An actuator layer (ceramic) with low conductivity generates the lowest deflection.
  • the increase in deflection beyond the Hi value is referred to as creep behavior.
  • a deflection H2 is achieved.
  • the maximum possible deflection H 3 can only be achieved if the drive signal retains its value shown in the figure.
  • a ceramic with high conductivity according to the invention has the deflection H2 at the time ti.
  • the further possible deflection between H 2 and H 3 is irrelevant in practice. From the illustration shown, it can be seen that a bending transducer can achieve a much higher deflection within the same time or, alternatively, can be clocked in a shorter time with a required deflection.
  • the creep effect of a solid state actuator can be reduced.
  • the creep can however be influenced by another effect, the so-called domain switching.
  • the domain switching i. the change of direction of elementary
  • Dipoles can be induced both electrically and mechanically.
  • the maximum possible mechanical stress T max is in the range of the so-called coercive voltage values in which the maximum domain switching occurs under the influence of the mechanical stresses. This is called ferro-elastic behavior.
  • the drive voltage is therefore limited in such a way that in a controlled solid-state actuator the maximum mechanical stresses remain clearly below the coercive voltages (FIG. 5).
  • Corresponding information can be stored in a Aktoran Kunststoffsch about a calculation or stored values in ei ⁇ .
  • the use of other piezoceramics which already have a higher coercive stress due to their material properties. Suitable materials are those whose coercive stress is higher than 25 MPa.
  • FIG. 6a shows a multi-layer actuator (consisting of three layers 3), as known from the prior art. Each of the actuator layers 3 in this case has a layer thickness of about 80 microns and above. The electrodes arranged in the layer stack are also driven by the actuator drive means.
  • Fig. 6b shows a multilayer actuator according to the invention, in which the layer thicknesses of respective Aktor ⁇ layers 3 in the range between 10 .mu.m to 30 .mu.m, preferably 20 microns, are.
  • the electrodes located in the interior of the layer stack are driven by the actuator drive means and have a connection to the contact electrodes 4, 5 on the outer sides of the multilayer actuator.
  • the electrodes located in the interior of the multilayer actuator which are preferably formed from silver or a silver alloy, thus represent equipotential surfaces which can compensate for the greater part of the electric field distribution by means of corresponding charges.
  • the silver of the electrodes diffuses into the adjacent piezoceramic actuator layers, as a result of which further free charge carriers are present in the ceramic, so that the conductivity advantageously further increases. This effect is particularly pronounced due to the presence of a large number of electrodes. In this way it is ensured that an improvement in the creep behavior occurs. By combining with the above-described improvements, the creep behavior can be further optimized.
  • a bending transducer consists of two piezoceramic layers (44 ⁇ 7.2 ⁇ 0.26 mm 3 ), which are applied on both sides to an insulating carrier layer. If one of the actuator layers is driven at 200 V, a current of 0.24 nA flows at a specific resistance of 1-10 12 ⁇ m typical for soft PZT.
  • the time constant for internal transloading processes is in the range of 1 to 1000 seconds. If the specific resistance of the ceramic material is reduced by three orders of magnitude by appropriate doping, the time constant responsible for the creep falls in the millisecond to second order

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Festkörperaktor (1), insbesondere einen Piezokeramikaktor, mit einer Trägerschicht (2), auf der zumindest eine Aktorschicht (3) , insbesondere eine piezokeramische Schicht, aufgebracht ist, wobei die Aktorschicht (3) zwischen Kontaktelektroden (4,5) angeordnet ist. Zur Vermeidung eines Kriechverhaltens des Festkörperaktors wird vorgeschlagen, den spezifische Widerstand der Aktorschicht (3) in einer Größenordnung von 1⋅108 Ωm bis 1⋅1010 Ωm zu bemessen und/oder ein Aktoransteuermittel (6) zum Anlegen einer Ansteuerspannung an die Kontaktelektroden (4,5) vorzusehen und die maximale Ansteuerspannung derart zu wählen, dass in dem Festkörperaktor die maximale mechanische Spannung unterhalb der Koerzitivspannung liegt.

Description

Beschreibung
Festkörperaktor, insbesondere Piezokeramikaktor
Die Erfindung betrifft einen Festkörperaktor, insbesondere einen Piezokeramikaktor, mit einer Trägerschicht, auf der zu¬ mindest eine Aktorschicht, insbesondere eine piezokeramische Schicht aufgebracht ist, wobei die Aktorschicht zwischen Kon¬ taktelektroden angeordnet ist.
Es sind Festkörperaktoren und insbesondere piezokeramische Aktoren bekannt, die im einfachsten Fall aus dem Verbund ei¬ nes Aktormaterials und einer Trägerschicht oder aus einer Vielzahl von beispielsweise gefügten Scheiben aus piezokera- mischem Material zusammengesetzt sind. Durch das beidseitige Aufbringen von Kontaktelektroden auf die Aktorschicht bzw. Aktorschichten und das Anlegen einer Spannung an die Kontakt¬ elektroden kann ein elektrisches Feld zwischen diesen aufge¬ baut werden, so dass auf das piezokeramische Material ein e- lektrisches Feld einwirkt, das dazu führt, dass das piezoke¬ ramische Material eine Längenänderung erfährt.
Der Festkörperaktor kann beispielsweise als piezoelektrischer Biegewandler ausgebildet sein. Bei diesem im einfachsten Fall als Bimorph bezeichneten Verbund ist die piezokeramische Ak¬ torschicht auf einer nicht-piezoelektrischen bzw. nicht ange¬ steuerten piezo-elektrischen Trägerschicht angeordnet, wobei die Aktorschicht in der Regel aus einer PZT-Keramik, das ist dotiertes Bleizirkonattitanat, hergestellt ist. Biegewandler sind üblicherweise einseitig eingespannt, wobei die an dem freien Ende des Festkörperaktors erzeugte Kraft oder Auslen¬ kung als aktorische Eigenschaft genutzt wird. Wird der Biege¬ wandler mit einem elektrischen Feld in Dickenrichtung ange¬ steuert, so verkürzt sich der Wandler in seiner Querrichtung, wodurch er an seiner Spitze in Richtung der Aktorschicht aus¬ lenkt. Darüber hinaus sind weitere piezoelektrische Biegewandler be¬ kannt, die sich im Design, in der Art ihres Aufbaus, in der Auswahl des Trägermaterials und anderen Kriterien unterschei¬ den können. Als Trimorphs bezeichnete Festkörperaktoren be- stehen beispielsweise aus zwei piezoelektrischen Aktorschich¬ ten, welche mit der Trägerschicht als Mittellage verbunden sind und z.B. wechselseitig angesteuert werden. Darüber hin¬ aus sind auch Multilayer-Biegewandler bekannt, die keine Trä¬ gerschicht aufweisen und allein aus einer Vielzahl an piezo- keramischen Aktorschichten bestehen. Bei diesen wird jeweils nur eine Hälfte elektrisch angesteuert, um eine Ausbiegung zu erzeugen.
Den oben beschriebenen Biegewandlern ist es gemeinsam, dass sie nach einer schnellen, elektrischen Ansteuerung über die
Kontaktelektroden eine sofortige, im zeitlichen Verlauf durch die Resonanzfrequenz bestimmte Aktorantwort aufweisen, danach jedoch zusätzlich ein starkes Kriechverhalten zeigen, so dass die Auslenkung bzw. die Kraft über einen langen Zeitraum wei- ter ansteigen. Dabei kann der Betrag des „Nachkriechens" bis zu 20% der Gesamtauslenkung des Biegewandlers erreichen. Die Dauer des Nachkriechens kann bei entsprechender Ansteuerung Stunden oder auch Tage betragen. In der Praxis besteht hier¬ bei der Nachteil, dass das Kriechen beim Anlegen sowie beim Abschalten einer elektrischen Spannung an die Kontaktelektro¬ den als zusätzliche Toleranz eingeplant werden muss. Als nutzbarer Auslenkungs- oder Krafthub wird deshalb in der Re¬ gel nur der kurzzeitige, sofortige Hub ohne zusätzliches Kriechen verwendet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Festkörperaktor anzugeben, welcher die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest nur in einem verringerten Maße aufweist.
Die Aufgabe wird durch Festkörperaktoren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 2 oder 3 gelöst. Vorteilhafte Ausges- taltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrie¬ ben.
Es hat sich gemäß einer Variante der Erfindung überraschen- derweise herausgestellt, dass das Phänomen des Kriechens sig¬ nifikant verringert werden kann, wenn die elektrische Leitfä¬ higkeit des die Aktorschicht bildenden Materials gegenüber den üblicherweise verwendeten Materialien, wie z.B. Bleizir- konattitanat (PZT) erhöht bzw. der spezifische Widerstand verringert wird. Erfindungsgemäß liegt der spezifische Wider¬ stand einer solchen Aktorschicht, die insbesondere als piezo- keramische Schicht ausgebildet ist, in einer Größenordnung von 1-108 Ωm bis 1-1010 Ωm liegt. Der spezifische Widerstand einer erfindungsgemäßen Aktorschicht liegt damit um einige Zehnerpotenzen unterhalb des spezifischen Widerstandes für eine typische piezokeramische Schicht. So beträgt der spezi¬ fische Widerstand von Weich-PZT ungefähr 1-1012 Ωm.
Der durch die Erhöhung der Leitfähigkeit erzielbare Vorteil besteht darin, dass der bei einem konventionellen Festkörpe¬ raktor erreichbare Hub oder die erreichbare Auslenkung ein¬ schließlich der durch den Kriechvorgang erzielbaren Auslen¬ kung in einer erheblich kürzeren Zeit realisierbar ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass mit dem erfindungsgemäßen Festkörperaktor - verglichen mit bisherigen Festkörperaktoren - die gleiche Auslenkung in kürzerer Zeit erzielbar ist, so dass der Festkörperaktor mit höheren Taktraten betrieben wer¬ den kann. Dies hat einerseits zur Folge, dass als nutzbarer Auslenkungs- oder Krafthub nicht nur der kurzzeitige Hub ohne den zusätzlichen Kriechvorgang, sondern der physikalisch mög¬ liche Hub des Festkörperaktors verwendet werden kann. Hier¬ durch vereinfacht sich die Ansteuerung des Festkörperaktors, da nunmehr das Kriechen beim Anlagen sowie beim Abschalten einer elektrischen Spannung nicht mehr als zusätzliche ToIe- ranz eingeplant werden muss. Die gleichen Vorteile lassen sich mit einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Festkörperaktors erzielen, bei dem ein Aktoransteuermittel zum Anlegen einer Ansteuerspannung an die Kontaktelektroden vorgesehen ist und bei dem die maximale Ansteuerspannung derart gewählt wird, dass in dem Festkörpe¬ raktor die maximale mechanische Spannung unterhalb der Koer- zitivspannung liegt. Die mechanischen Spannungen liegen bei den in der Regel eingesetzten piezokeramischen Materialien im Bereich der so genannten Koerzitivspannungswerte, bei welchen ein maximales Domänenschalten unter dem Einfluss der mechani¬ schen Spannungen auftritt. Dies wird als so genanntes „ferro- elastisches Verhalten" bezeichnet. Dieser zweiten Variante liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass das Krie¬ chen zumindest teilweise durch Domänenschalten oder ferro- elastische Prozesse in denjenigen Bereichen des Biegers ver¬ ursacht wird, in denen die mechanischen Spannungen das Koer- zitivspannungsniveau erreichen. Es ist bekannt, dass die me¬ chanischen Spannungen längs der Dicke einer Aktorschicht va¬ riieren, während sie in dessen Längsrichtung konstant sind. Die Domänenschaltprozesse sind Keimbildungs- und -
Wachstumsprozesse und sind durch einen gewissen Zeitbedarf gekennzeichnet. Durch Vermeiden des ferro-elastischen Domä¬ nenschaltens wird die Aktivität, d.h. die Biegung, des Festkörperaktors nicht verzögert.
Die oben beschriebenen Vorteile der Erfindung lassen sich auch durch einen erfindungsgemäßen Festkörperaktor erzielen, bei dem die gemäß der ersten und der zweiten Variante be¬ schriebenen Merkmale miteinander kombiniert sind. Demgemäß zeichnet sich der erfindungsgemäße Festkörperaktor gemäß der dritten Variante dadurch aus, dass der spezifische Widerstand der Aktorschicht in einer Größenordnung von 1-108 Ωm bis 1-1010 Ωm liegt und ein Aktoransteuermittel zum Anlegen einer Ansteuerspannung an die Kontaktelektroden vorgesehen ist und die maximale Ansteuerspannung derart gewählt wird, dass in dem Festkörperaktor die maximale mechanische Spannung unter¬ halb der Koerzitivspannung liegt. Ein mit den obigen Merkmalen versehener Festkörperaktor stellt in einer bevorzugten Ausgestaltung einen piezoelektri¬ schen Biegewandler dar, der mit einem Ende an oder in einem Befestigungsmittel angeordnet ist, so dass lediglich das an¬ dere Ende eine Auslenkung erfahren kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Zusam¬ menhang zwischen der Ansteuerspannung und der mechanischen Spannung in dem Festkörperaktor durch eine Berechnung ermit¬ telt oder ist in einer Tabelle, z.B. in dem Aktoransteuermit¬ tel, gespeichert.
Die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Materials der Aktorschicht lässt sich gemäß einer Ausgestaltung der Erfin¬ dung durch zusätzliches Dotieren des Aktormaterials mit ein-, zwei- oder dreiwertigen Kationen erzielen. Als Aktor- Ausgangsmaterial wird Bleizirkonattitanat bevorzugt. In einer Ausgestaltung führen die einwertigen Kationen auf dem A-Platz der Perkoswit-Zelle zu einer Akzeptor-Dotierung. In einer an¬ deren Ausgestaltung führen die zwei- oder dreiwertigen Katio¬ nen auf dem B-Platz der Perkoswit-Zelle auch zur Akzeptor- Dotierung. Denkbar ist auch eine Kombination der beiden ge¬ nannten Möglichkeiten der Akzeptor-Dotierung.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Festkörperaktor als sogenannter Trimorph ausgebildet, bei dem die Trägerschicht zwischen zwei Aktorschichten angeordnet ist.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Träger¬ schicht als Aktorschicht, insbesondere piezokeramische Schicht, ausgebildet, so dass der Festkörperaktor einen Viel- schichtaktor aus wenigstens zwei Aktorschichten darstellt.
In einer anderen Ausgestaltung kann der Festköperaktor eine Vielzahl an Aktorschichten zur Ausbildung eines Vielschicht- aktors aufweisen, wobei die im Inneren des Schichtstapels an- geordneten Kontaktelektroden durch das Ansteuermittel eben¬ falls zur Ausbildung von Äquipotentialflächen angesteuert werden. Die elektrisch gut leitenden, im Inneren des Schicht¬ stapels angeordneten Elektroden sind vorzugsweise aus Silber oder einer Silberlegierung ausgebildet und fungieren dabei als Äquipotentialflächen, so dass diese einen signifikanten Teil der elektrischen Feldverteilung durch entsprechende La¬ dungen kompensieren. Darüber hinaus diffundiert das Silber der Elektroden in die benachbarten piezokeramischen Aktor- schichten, wodurch weitere freie Ladungsträger in der Keramik vorhanden sind, so dass die sich die Leitfähigkeit vorteil- hafterweise weiter erhöht. Dieser Effekt ist aufgrund des Vorhandenseins einer Vielzahl an Elektroden besonders ausge¬ prägt. Ein solchermaßen ausgestalteter Vielschichtaktor weist gegenüber den bislang im Stand der Technik verwendeten
Festkörperaktoren die gleichen Vorteile auf, wie sie eingangs beschrieben wurden. Insbesondere ist eine signifikante Reduk¬ tion des Kriechvorganges zu beobachten.
In einer Ausgestaltung weisen die Aktorschichten des Viel- schichtaktors eine Dicke im Bereich zwischen 10 μm bis 30 μm, insbesondere 20 μm, auf. Ein Vielschichtaktor mit Aktor¬ schichten der genannten Schichtdicke ist in seiner Gesamtdi¬ cke gegenüber den bekannten Vielschichtaktoren unverändert. Mit anderen Worten bedeutet dies somit, dass ein erfindungs¬ gemäßer Vielschichtaktor eine entsprechend größere Anzahl an einzelnen Aktorschichten aufweist, da die Dicken konventio¬ neller Aktorschichten im Bereich von 80 μm und darüber lie¬ gen.
Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Festkörperaktors wer¬ den nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zei¬ gen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Festkörperaktor, der als bimorpher Biegewandler ausgebildet ist, Fig. 2 ein Diagramm, das die Längenänderung der Schichten des in Fig. 1 dargestellten Festkörperaktors längs der z-Achse zeigt,
Fig. 3 ein Diagramm, welches die mechanische Spannung längs der z-Achse des in Fig. 1 dargestellten Festkörperaktors zeigt,
Fig. 4 ein Diagramm, das die Auslenkung eines Festkörpe- raktors infolge eines Ansteuersignals bei unter¬ schiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten der Ak¬ torschicht des Festkörperaktors darstellt,
Fig. 5 ein Diagramm, welches eine erfindungsgemäße Ansteu- erung eines Festkörperaktors zeigt, und
Fig. 6 einen erfindungsgemäßen Vielschichtaktor im Ver¬ gleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Vielschichtaktor.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Festkörperaktor 1 im Querschnitt dargestellt. Dieser weist eine Trägerschicht 2 aus einem elektrisch isolierenden Material und eine darauf aufgebrachte Aktorschicht 3 aus einem piezokeramischen Mate- rial, z.B. Bleizirkonattitanat auf. Beidseitig der Aktor¬ schicht 3 sind Kontaktelektroden 4, 5 angeordnet, an welche eine elektrische Spannung angelegt werden kann, so dass zwi¬ schen den Kontaktelektroden 4, 5 ein elektrisches Feld ent¬ steht. Der mechanische Aufbau des erfindungsgemäßen Festkör- peraktors 1 unterscheidet sich prinzipiell nicht von bekann¬ ten Festkörperaktoren. Zur Vermeidung eines ausgeprägten Kriechverhaltens beim Anlegen oder Abschalten der elektri¬ schen Spannung werden gegenüber bekannten Anordnungen Ände¬ rungen an dem piezokeramischen Material sowie alternativ oder zusätzlich an der Ansteuerung des Festkörperaktors 1 vorge¬ nommen. Durch das Anlegen einer Spannung an die Kontaktelektroden 4, 5 dehnt sich die Aktorschicht 3 entlang ihrer z-Achse aus, während in x-Richtung eine Verkürzung auftritt, so dass sich der Festkörperaktor nach oben verbiegt. Die dabei im Inneren der Trägerschicht und der Aktorschicht 3 stattfindende Län¬ genänderung Δl/lo ist in Fig. 2 dargestellt. Während die Trä¬ gerschicht 2 bis zum Erreichen der so genannten neutralen Fa¬ ser 7 eine Dehnung erfährt, wird die Aktorschicht 3 ge¬ staucht. Da die Materialeigenschaften der Trägerschicht 2 und der Aktorschicht 3 unterschiedlich sind, erfährt die mechani¬ sche Spannung beim Durchlaufen des Null-Punktes eine sprung¬ hafte Änderung.
Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Gleichung
wirkt auf den überwiegenden Bereich der Trägerschicht 2 ein Zug, wobei im Inneren der Aktorschicht 3 ein Druck ausgeübt wird. Aufgrund unterschiedlicher Young' scher Module y2 bzw. y3 ergibt sich am Übergang zwischen der Trägerschicht 2 und der Aktorschicht 3 ein Sprung in der Druckbelastung, der sich weiterhin auch in einer geänderten Steigung niederschlägt.
Über die z-Achse ergibt sich somit eine inhomogene mechani¬ sche Spannung, welche eine inhomogene Verteilung des elektri¬ schen Feldes in der Aktorschicht 3 zur Folge hat. Beim Anle¬ gen einer Spannung an die Kontaktelektroden 4, 5 entsteht so¬ mit im Inneren der Aktorschicht 3 nicht ein konstantes, homo- genes elektrisches Feld, sondern eine lineare Feldabhängig¬ keit mit parabelförmiger Potentialverteilung. Zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes müssen somit im Inneren der Ak¬ torschicht Ladungen fließen. Dabei hat sich gezeigt, dass der auf den Ladungsausgleich zurückzuführende Teil des Kriechens sich dadurch reduzieren lässt, dass statt einer nach dem
Stand der Technik möglichst isolierenden Piezokeramik eine Keramik mit höherer, aber definierter Leitfähigkeit verwendet wird. Im Rahmen weiterer Untersuchungen hat sich dabei erge¬ ben, dass ein spezifischer Widerstand der Aktorschicht 3 in einer Größenordnung von 1-108 Ωm bis 1-1010 Ωm einen ausrei- chend schnellen Potentialausgleich zulässt, so dass das Nach¬ kriechen des Biegewandlers 1 aus Fig. 1 nahezu vermieden wer¬ den kann. Die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Ak¬ torschicht um mehrer Zehnerpotenzen kann in bekannter Weise durch geringe Akzeptor-Dotierungen in dem Material der Aktor- schicht erreicht werden, ohne dass gleichzeitig die übrigen piezoelektrischen Eigenschaften verschlechtert werden. Als Ausgangsmaterial für die Aktorschicht bietet sich weiterhin Bleizirkonattitanat an, bei welchem einwertige Kationen auf dem A-Platz der Perkoswit-Zelle, wie z.B. Natrium, Kupfer o- der Silber, oder alternativ oder zusätzlich zwei- bzw. drei¬ wertige Kationen auf dem B-Platz, wie z.B. Chrom, Eisen, Man¬ gan, dotiert sind.
Die Auswirkungen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkei- ten der Aktorschichten sind in Fig. 4 dargestellt. Zu einem Zeitpunkt t0 wird an die Kontaktelektroden 4, 5 des Festkör¬ peraktors 1 eine Spannung angelegt. Aufgrund dieser erfolgt eine Auslenkung des Biegewandlers. Eine Aktorschicht (Kera¬ mik) mit geringer Leitfähigkeit erzeugt dabei die geringste Auslenkung. Eine Keramik mit geringer Leitfähigkeit, wie es piezoelektrische Keramiken nach dem Stand der Technik sind, erreicht zum Zeitpunkt ti einen Hub Hi, der sich nunmehr a- symptotisch einem Entwert H3 annähert. Der Anstieg in der Auslenkung über den Wert Hi hinaus wird dabei als Kriechver- halten bezeichnet. Zum Zeitpunkt t3 ist hierbei eine Auslen¬ kung H2 erreicht. Die maximal mögliche Auslenkung H3 kann le¬ diglich dann erreicht werden, wenn das Ansteuersignal seinen in der Figur gezeigten Wert beibehält. Demgegenüber weist ei¬ ne Keramik mit hoher Leitfähigkeit gemäß der Erfindung die Auslenkung H2 zum Zeitpunkt ti auf. Die weitere mögliche Aus¬ lenkung zwischen H2 und H3 ist für die Praxis irrelevant. Aus der gezeigten Darstellung geht hervor, dass ein Biege¬ wandler innerhalb der gleichen Zeit eine sehr viel höhere Auslenkung erreichen kann oder alternativ bei einer geforder¬ ten Auslenkung in geringerer Zeit getaktet werden kann.
Mit zusätzlichen freien Ladungsträgern in der Aktorschicht kann somit der Kriecheffekt eines Festkörperaktors vermindert werden. Das Kriechen kann jedoch durch einen weiteren Effekt beeinflusst werden, das so genannte Domänenschalten. Das Do- mänenschalten, d.h. die Richtungsänderung von Elementar-
Dipolen kann sowohl elektrisch als auch mechanisch veranlasst werden. Die maximal mögliche mechanische Spannung Tmax liegt dabei bei konventionellen piezokeramischen Schichten im Be¬ reich der so genannten Koerzitivspannungswerte, bei welchen das maximale Domänen-Schalten unter dem Einfluss der mechani¬ schen Spannungen auftritt. Dies wird als ferro-elastisches Verhalten bezeichnet. Zur Vermeidung des Einflusses des Domä¬ nenschaltens wird deshalb die Ansteuerspannung derart be¬ grenzt, dass in einem angesteuerten Festkörperaktor die maxi- malen mechanischen Spannungen deutlich unterhalb der Koerzi- tivspannungen bleiben (Fig. 5) . Entsprechende Informationen können über eine Berechnung oder abgespeicherte Werte in ei¬ nem Aktoransteuermittel hinterlegt sein. Denkbar ist auch die Verwendung von anderen Piezokeramiken, welche aufgrund ihrer Materialeigenschaften bereits eine höhere Koerzitivspannung aufweisen. Geeignet sind hierbei solche Materialien, deren Koerzitivspannung höher als 25 MPa ist.
Ist der Festkörperaktor als Vielschichtaktor ausgeführt, so lässt sich das Kriechverhalten bereits durch einen geänderten physikalischen Aufbau erzielen. Figur 6a zeigt einen Viel¬ schichtaktor (bestehend aus drei Schichten 3) , wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Jede der Aktorschichten 3 weist dabei eine Schichtdicke von ungefähr 80 μm und darüber auf. Die in dem Schichtstapel angeordneten Elektroden werden durch das Aktoransteuermittel ebenfalls angesteuert. Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 6b einen Vielschichtaktor gemäß der Erfindung, bei dem die Schichtdicken jeweiliger Aktor¬ schichten 3 im Bereich zwischen 10 μm bis 30 μm, bevorzugt 20 μm, liegen. Die im Inneren des Schichtstapels liegenden E- lektroden werden durch das Aktoransteuermittel angesteuert und weisen eine Verbindung zu den Kontaktelektroden 4, 5 auf den Außenseiten des Vielschichtaktors auf. Die im Inneren des Vielschichtaktors gelegenen Elektroden, die vorzugsweise aus Silber oder einer Silberlegierung gebildet sind, stellen da- mit Äquipotentialflächen dar, die den größten Teil der elekt¬ rischen Feldverteilung durch entsprechende Ladungen kompen¬ sieren können. Darüber hinaus diffundiert das Silber der E- lektroden in die benachbarten piezokeramischen Aktorschich¬ ten, wodurch weitere freie Ladungsträger in der Keramik vor- handen sind, so dass die sich die Leitfähigkeit vorteilhaft¬ erweise weiter erhöht. Dieser Effekt ist aufgrund des Vorhan¬ denseins einer Vielzahl an Elektroden besonders ausgeprägt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass eine Verbesserung des Kriechverhaltens eintritt. Durch eine Kombination mit den oben beschriebenen Verbesserungen lässt sich das Kriechver¬ halten weiter optimieren.
Beispiel:
Am Beispiel eines typischen Biegewandlers sollen die erfin¬ dungsgemäßen Überlegungen nochmals veranschaulicht werden. Ein Biegewandler besteht aus zwei Piezokeramikschichten (44 x 7,2 x 0,26 mm3), die beidseitig auf eine isolierende Träger¬ schicht aufgebracht sind. Wird eine der Aktorschichten mit 200 V angesteuert, so fließt bei einem für Weich-PZT typi¬ schen spezifischen Widerstand von 1-1012 Ωm ein Strom von 0,24 nA. Die Zeitkonstante für innere Umladungsprozesse liegt im Bereich von 1 bis 1000 Sekunden. Erniedrigt man den spezi¬ fischen Widerstand des Keramikmaterials durch entsprechende Dotierung um drei Zehnerpotenzen, fällt die für das Kriechen verantwortliche Zeitkonstante in den Millisekunden- bis Se¬
il kundenbereich. Gleichzeitig bleibt der Dauerstrom des Biege¬ wandlers noch deutlich unter dem Grenzwert von 1 μA.

Claims

Patentansprüche
1. Festkörperaktor (1), insbesondere Piezokeramikaktor, mit einer Trägerschicht (2), auf der zumindest eine Aktorschicht (3) , insbesondere eine piezokeramische Schicht, aufgebracht ist, wobei die Aktorschicht (3) zwischen Kontaktelektroden (4,5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand der Aktorschicht (3) in einer Grö- ßenordnung von 1-108 Ωm bis 1-1010 Ωm liegt.
2. Festkörperaktor, insbesondere Piezokeramikaktor, mit einer Trägerschicht (2), auf der zumindest eine Aktorschicht (3), insbesondere eine piezokeramische Schicht aufgebracht ist, wobei die Aktorschicht (3) zwischen Kontaktelektroden (4,5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktoransteuermittel (6) zum Anlegen einer Ansteuerspan¬ nung an die Kontaktelektroden (4,5) vorgesehen ist und die maximale Ansteuerspannung derart gewählt wird, dass in dem Festkörperaktor die maximale mechanische Spannung unterhalb der Koerzitivspannung liegt.
3. Festkörperaktor, insbesondere Piezokeramikaktor, mit einer Trägerschicht (2), auf der zumindest eine Aktorschicht (3), insbesondere eine piezokeramische Schicht aufgebracht ist, wobei die Aktorschicht (3) zwischen Kontaktelektroden (4,5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der spezifische Widerstand der Aktorschicht (3) in einer Größenordnung von 1-108 Ωm bis 1-1010 Ωm liegt, und
- ein Aktoransteuermittel (6) zum Anlegen einer Ansteuerspan¬ nung an die Kontaktelektroden (4,5) vorgesehen ist und die maximale Ansteuerspannung derart gewählt wird, dass in dem Festkörperaktor die maximale mechanische Spannung unterhalb der Koerzitivspannung liegt.
4. Festkörperaktor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen der Ansteuerspannung und der mecha¬ nischen Spannung in dem Festkörperaktor (1) in einer Tabelle gespeichert ist oder durch eine Berechnung ermittelt wird.
5. Festkörperaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorschicht (3) aus Bleizirkonattitanat (PZT) gebildet ist und zusätzlich mit ein- oder zwei- oder dreiwertigen Ka¬ tionen dotiert ist.
6. Festkörperaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einwertigen Kationen auf dem A-Platz der Perkoswit-Zelle eingebaut sind und eine Akzeptor-Dotierung ergeben.
7. Festkörperaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei- oder dreiwertigen Kationen auf dem B-Platz der Per¬ koswit-Zelle eingebaut sind und eine Akzeptor-Dotierung erge¬ ben.
8. Festkörperaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) zwischen zwei Aktorschichten angeordnet ist.
9. Festkörperaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) als Aktorschicht (3), insbesondere pie- zokeramische Schicht, ausgebildet ist.
10. Festkörperaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Vielzahl an Aktorschichten (3) zur Ausbildung ei¬ nes Vielschichtaktors aufweist und die im Inneren des Schichtstapels angeordneten Kontaktelektroden (8) durch das Aktoransteuermittel (6) angesteuert werden zur Ausbildung von Äquipotentialflächen.
11. Festkörperaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorschichten (3) des Vielschichtaktors eine Dicke im Bereich zwischen 10 μm bis 30μm, insbesondere 20μm, aufwei¬ sen.
12. Festkörperaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen piezo-elektrischen Biegewandler darstellt.
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