WO2013017389A1 - Erfassen eines verformungsparameters eines piezoelektrischen biegewandlers - Google Patents

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WO2013017389A1
WO2013017389A1 PCT/EP2012/063669 EP2012063669W WO2013017389A1 WO 2013017389 A1 WO2013017389 A1 WO 2013017389A1 EP 2012063669 W EP2012063669 W EP 2012063669W WO 2013017389 A1 WO2013017389 A1 WO 2013017389A1
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WO
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bending transducer
layer
layers
piezoelectric
sensor
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PCT/EP2012/063669
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Inventor
Thorsten Steinkopff
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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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
    • H10N30/101—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical and mechanical input and output, e.g. having combined actuator and sensor parts

Definitions

  • the invention relates to a bending transducer comprising Minim ⁇ least one piezoelectric actuator layer and at least one sensor element for detecting at least one deformation ⁇ parameters of the bending transducer.
  • the invention further relates to methods for determining at least one parameter of a deformation ⁇ bending transducer which has at least a pie ⁇ zoelekthari actuator layer.
  • the bending transducer according to the invention is particularly inexpensive to produce and made light ⁇ a particularly accurate determination of at least one deformation parameter.
  • a piezoelectric bending transducer usually has a piezoelectric element with an electrode layer, a further electrode layer and a piezoelectric layer arranged between the electrode layers.
  • the layers are arranged such that an electric field is coupled into the piezoelectric layer by an electrical control of the electrode layer. Due to the coupled ⁇ electric field, there is a deflection of the piezoelectric layer and thus to the deflection of the bending transducer. Conversely, a deflection of the piezo ⁇ electric layer and thus of the piezoelectric element leads to an electrical charge on the electrode layers, which can be tapped.
  • WO 94/02965 Al describes a monolithic ceramic Before ⁇ direction with an integral electrostrictive flexure and a transducer, said device comprising two layers of an electrostrictive ceramic member with an interposed therebetween central electrode, wherein at each externa ⁇ ßeren surface of each layer of the ceramic material min ⁇ least one conductive electrode is fixed and the device comprising a means for applying an aligned array over a single layer of the electrostrictive ceramic material.
  • DE 10 2005 024 192 A1 relates to a piezoelectric bending transducer, comprising at least one monolithic piezoelement with an electrode layer, at least one further electrode layer and a piezoceramic layer arranged between the electrode layers and at least one sensor element with a sensor electrode for detecting a deflection of the bender.
  • the sensor electrode of the Sensorele ⁇ ments has one of the electrode layers of the piezoelectric ceramic layer.
  • this bending transducer In this bending transducer is used for its deflection in one of two possible direction, a part of the piezo ceramic layers as piezoceramic actuator layers (which change their shape to an electrical signal shape and thereby deform the bending transducer) and another part as a piezoceramic sensor layers (where due their bending an electrical signal is tapped) used.
  • the piezoceramic layers previously used as actuator layers are used as sensor layers, and vice versa.
  • a circuit connected to the piezoceramic layers for a change of direction of the direction of the deflection must be switched accordingly.
  • Preferred embodiments are insbesonde ⁇ re the dependent claims.
  • the object is achieved by a bending transducer, comprising at least one piezoelectric actuator layer and at least one sensor element for detecting at least one deformation element. Parameter of the bending transducer, wherein the sensor element Minim ⁇ least comprising a piezoelectric sensor layer.
  • This bending transducer has the advantage that an evaluation of electrical signals for detecting or determining the at least one deformation parameter is particularly simple.
  • the piezoelectric layers need not be connected differently depending on the direction of a bend.
  • the use of the dedicated at least one sensor layer also ensures that the bends are measured in both directions under the same boundary conditions, eg with the same layer thickness of the sensor layer, etc.
  • Can be dispensed with to take into account differences in metrological bends in both directions for highly accurate measurements on a calibra tion ⁇ of the bending transducer. It is also possible to dispense with external sensors, such as strain gage strips, for example.
  • such a bending belt is able to be produced with only a very small additional expenditure of material and without a substantial change of production steps.
  • a piezoelectric actuator layer may, in particular, be understood as meaning a piezoelectric layer which is provided and arranged to be deformed by means of an electrical signal for bending the bending transducer.
  • the piezoelectric actuator layer is not particularly provided as Sen ⁇ sor Anlagen and therefore in particular also not intended an electrical signal for detecting or determining the to deliver at least one deformation parameter (dedicated actuator layer).
  • a piezoelectric sensor layer may in particular be understood as meaning a piezoelectric layer which is provided and arranged to supply at least one electrical signal for detecting or determining the at least one deformation parameter of the bending transducer , if this is deformed or becomes deformed.
  • the piezoelectric sensor layer is not an actuator layer provided (and in no bending direction) and thus in particular also not intended to be deformed by means of an electrical ⁇ signal for bending the bending transducer to who ⁇ the (dedicated sensor layer).
  • a deformation parameter may be understood as a static deformation parameter (e.g., a deflection or deflection as well as a force) and / or a dynamic deformation parameter (e.g., an acceleration).
  • a static deformation parameter e.g., a deflection or deflection as well as a force
  • a dynamic deformation parameter e.g., an acceleration
  • the bending transducer furthermore has electrodes and / or electrical lines in order to be able to electrically excite the piezoelectric actuator layer (s) to deform and also to be able to attack at least one electrical signal from the at least one piezoelectric sensor layer.
  • at least one piezoelectric layer may be arranged between two electrodes, in particular electrode layers, in order to form a piezoelement. Consequently, application of an electrical potential to the two electrodes may deform the at least one piezoelectric actuator layer, or an electrical potential or the like generated due to bending of the at least one piezoelectric actuator layer may be measured or sensed via the electrodes.
  • at least one measuring electrode can be arranged on the sensor layer.
  • At a plurality of measurement electrodes they may be, for example, on a top and / or bottom of a ⁇ sorted. Also, the at least one measuring electrode may be arranged on a side surface of the sensor layer.
  • the provision of suitable electrodes and / or electrical Leitun- is gen extent stated below not for special cases differently, basically known and he ⁇ -making applicable to the present. Electrodes and / or electrical lines will therefore not be described further below. It is a development of that made at least one piezo-electric actuator layer ⁇ and the at least one sensor piezoelekt ⁇ generic layer of a same material, which facilitates manufacture. However, the least At least one piezoelectric actuator layer and the at least one piezoelectric sensor layer, for example, to Errei ⁇ tion of a higher accuracy of measurement also consist of a different material.
  • the at least one pie ⁇ zoelekthari actuator layer and the at least one piezo-electric sensor layer ⁇ an equal thickness aufwei ⁇ sen, which can also simplify production.
  • a layer thickness may be different, in particular for optimizing a bending behavior of the bending transducer on the one hand and a sensor behavior (eg, a Messemp ⁇ sensitivity) as well as a slight reduction of the bending behavior by the sensor layer (s) on the other.
  • the layers of the bending wall ⁇ toddlers are ceramic layers. Piezoceramic layers it ⁇ rich deformation under a high force and allow a precise deflection.
  • the ceramic layers preferably form a one-piece or monolithic layer stack.
  • a monolithic layer stack may, in particular, be understood as meaning a layer stack which has been sintered together from a plurality of green bodies in a sintering process. These green bodies can in particular represent the piezoceramic layers.
  • the monolithic layer stack may comprise, in addition to piezo ⁇ ceramic layers, other non-piezo-ceramic layers, such as an electrically insulating ceramic layer.
  • the piezoelectric, in particular piezoceramic layers may also be glued to one another, which allows a lower temperature load during the production of the bending transducer. It is an advantageous for a particularly simple and inexpensive Her ⁇ position further that the bending transducer by means of a low-temperature co-fired ceramic (LTCC; "Low Temperature Co-fired Ceramics”) has been produced -Verfahrens as including electrically conductive material, for example for the electrodes and / or electrical lines, can be sintered and thus monolithically integrated in the bending transducer.
  • the piezoelectric ceramic layers can be produced from green body sheets which have been printed with the electrically conductive material, in particular ⁇ sondere screen printing process.
  • the bending transducer may have been manufactured, for example, by means of a high-temperature cofired ceramic (HTCC) method.
  • HTCC high-temperature cofired ceramic
  • the layers (that is to say, in particular all layers) of the bending transducer are constructed at least substantially symmetrically. These layers may also comprise further layers existing between the piezoelectric layers, such as electrically insulating layers. Thus, a similar bending in both stacking directions is made possible even in the presence of further layers.
  • a plurality of measuring electrodes are disposed ⁇ along at least one piezoelectric sensor layer, especially along (including parallel to) a bending line or longitudinal axis of the sensor ⁇ layer. This makes it particularly easy to evaluate the electrical signals picked up via the measuring electrodes. It is a training that connects three or more measuring electrodes at least one piezoelectric sensor layer are arranged equidistantly, which allows a particularly accurate yet simple evaluation. It is a still further that at least two Benach ⁇ disclosed piezoelectric sensor layers are separated from one another electrically or galvanically by an electrically insulating layer. Thus mutual electrical Impress ⁇ belisme be avoided.
  • At least one piezoelectric sensor layer is separated from at least one piezo-electric actuator layer ⁇ by an electrically insulating layer. This canhne ung of preventing at the at least one sensor layer abgreifba ⁇ ren or readable electrical signal by an activated adjacent actuator layer an electric affected.
  • the at least one piezoelectric sensor layer is just a piezoelectric Sen ⁇ sor km.
  • a decreased flexibility of the garment Bie ⁇ toddlers are minimized due to the stiffness of the at least one sensor layer.
  • At least one measuring electrode can thus be inserted in a (stacking) center between two adjacent sensor layers. Characterized a signal output via the measuring electrode electrical signal from both Sen ⁇ sor Anlagenen may arise, resulting in a higher signal strength and / or accuracy possible in particular even when bending in both directions.
  • At least two sensor layers may be electrically or electrically isolated from each other. This gives the part, that at the same time electrical signals concerning different deformation parameters are tangible to the sensor layers .
  • the sensor layers can be differently covered with (measuring) electrodes and / or electrical lines, eg with differently arranged and / or shaped (measuring) electrodes.
  • the bending transducer ⁇ having a circuit for driving the piezoelectric actuator layer and at least one see for reading and processing Minim least an electrical signal of at least one piezo-electric sensor ⁇ layer.
  • the circuit is directed once to determine from the at least one electrical signal from the at least one piezoelectric sensor layer Minim ⁇ least one deformation parameter.
  • the at least one deformation parameter may include, but is not limited to, deflection, force, and / or acceleration.
  • the bending transducer has at least two galvanically separated piezoelectric Sensorschich ⁇ th, wherein the circuit is adapted to selectively determine one of the deformation parameters of at least one electrical signal from at least one of the piezoelectric sensor layers.
  • the circuit is adapted to selectively determine one of the deformation parameters of at least one electrical signal from at least one of the piezoelectric sensor layers.
  • the object is achieved by a method for determining at least one deformation parameter of the bending transducer, which has at least one piezoelectric actuator layer on ⁇ , wherein the at least one deformation parameter using at least one electrical signal to a piezo ⁇ electrical sensor layer of the bending transducer is determined at least.
  • This method enables the same advantages as the bending transducer described above and can also be analogous remplis ⁇ taltet.
  • Fig.l shows a sectional view in side view a
  • Fig.l shows a sectional view in side view of a bending transducer Bl.
  • These Aktor harshen AI to A10 are divided into two, in each case jointly controllable by control signals Sa groups, namely a first group with the Aktor harshen AI to A5 and a second group with the Aktor groomen A6 to A10.
  • the control signals Sa are output by a suitable ⁇ formed circuit in the form of a control and evaluation unit C.
  • control signals Sa to the second group of be Actuator layers A6 to A10 issued or applied, which thereby abbreviate example in their longitudinal direction here.
  • the Aktor harshen AI to A5 of the first group are not driven and bent up from the Aktor füren A6 to A10.
  • Command ⁇ ersignale Sa are analogously applied to the first group of actuator layers Al to A5, while the second group of actuator layers A6 to A10 is thereby bent downward.
  • Adjacent Aktor füren AI to A10 are connected to their control or actuation with not shown (control) electrodes. Adjacent Aktor füren AI to A10 can also be separated by a respective electrically insulating layer (o.Fig.) Galva ⁇ nisch.
  • a force or acceleration of the bending transducer 1 and the piezo ceramic actuator layers Al to A10 are layers ⁇ between the first group of actuator layers Al to A5 and the second group, the actuator A6 to A10, that is inserted between the Aktor harshen A5 and A6, two piezoceramic sensor layers Sl and S2.
  • the actuator layers AI to A10 are thus arranged along a stacking direction symmetrical to the two sensor layers S1, S2.
  • the use of the two sensor layers Sl, S2 enables a particularly accurate measurement of the at least one deformation parameter in both directions of deflection.
  • E1 and S2 Between the sensor layers S1 and S2, ie in their middle with respect to the stacking direction, three (measuring) electrodes E1, E2 and E3 are arranged equidistantly along a horizontal axis, which here corresponds to a longitudinal axis of the sensor layers S1 and S2 and at the same time a bending line.
  • E2 and E3 (s) Sm can by the control and evaluation unit C (an) appropriate (s) electrical (s) Sen ⁇ sorsignal be tapped that an indication of at least one deformation parameter of the sensor layers Sl and S2, and so that the Aktor harshen AI to A10 give.
  • the sensor signals Sm may be in the form of an open-circuit voltage or a short-circuit charge, for example.
  • the associated processing of the sensor signals Sm for determining the at least one deformation parameter takes place in the control and evaluation unit C.
  • a ceramic electrically insulating layer I is present both between the sensor layer S1 and the adjoining actuator layer A5 and between the sensor layer S2 and the adjoining actuator layer A6 , However, also on the electrically insulating (n)
  • Layer (s) I are dispensed with, so that in each case an electrode, in particular surface ⁇ electrode, is present between the sensor layer Sl and the adjacent Aktor für A5 and between the sensor layer S2 and the Aktor für A6 adjacent thereto.
  • the ceramic layers AI to A10, Sl, S2, I are together with an electrically conductive material attached thereto, for example for forming the electrodes El to E3 and associated interconnects (o.Fig.),
  • LTCC - monolithic
  • Bending transducer B2 The bending transducer B2 different from the bending transducer Bl characterized in that the two sensor layers Sl, S2 are now separated by an electrically insulating layer I galvanic ⁇ cally from each other and each of said sensor layers Sl and S2 electrodes El to E3 or E4 to E6.
  • the electrodes E1 to E3 and E4 to E6 may be the same or different.
  • a respective sensor signal is now simultaneously at each of the two sensor layers Sl, S2. nal Sml or Sm2 tapped and processable by the control and evaluation unit C.
  • the sensor signals Sml and Sm2 can be processed differently, for example for determining different deformation parameters.
  • the sensor layers Sl, S2 may be configured in particular different, for example, have a un ⁇ ter Kunststoffliche layer thickness and / or a different material.
  • the electrodes E1 to E3 or E4 to E6 can be designed differently for this purpose. Consequently, the sensor signals Sml and Sm2 may be optimized for a respective determination of a deformation parameter .
  • FIG 3 shows a sectional side view of a bending transducer B3.
  • the bending transducer B3 is different from the bending transducer Bl in that only one sensor layer Sl is present, which is so arranged separated by respective elekt ⁇ driven insulating layers I, adjacent to the actuator layers A5 and A6.
  • This bending transducer B3 has the advantage that it is more of ⁇ steerable due to the comparatively clotting ⁇ gen rigidity of only one sensor layer Sl.
  • the arrangement of the actuator layers and sensor layers generally does not need to be symmetrical in the stacking direction.
  • the at least one sensor layer may be arranged between two groups of actuator layers which have different material properties, different layer thicknesses and / or a different number of actuator layers.
  • the layer thicknesses of the piezoceramic layers are drawn in the same way, they can also be different, namely both the layer thickness (s) of the actuator layers and the layer thickness (s) of the sensor layers and within the actuator layers or the sensor layers.
  • actuator layers and the sensor layers is not limited to the numbers shown by way of example.

Landscapes

  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Biegewandler (B2), aufweisend mindestens eine piezoelektrische Aktorschicht (A1-A10) und mindestens ein Sensorelement (S1, S2, E1-E6) zum Erfassen mindestens eines Verformungsparameters des Biegewandlers (B1), wobei das Sensorelement (S1, S2, E1-E6) mindestens eine piezoelektrische Sensorschicht (S1, S2) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Verformungsparameters eines Biegewandlers (B2), welcher mindestens eine piezoelektrische Aktorschicht (A1-A10) aufweist, wobei der mindestens eine Verformungsparameter anhand mindestens eines elektrischen Signals (Sm1, Sm2) mindestens einer piezoelektrischer Sensorschicht (S1, S2) des Biegewandlers (B2) ermittelt wird. Dieser Biegewandler (B2) ist besonders preiswert herstellbar und ermöglicht eine besonders genaue Bestimmung mindestens eines Verformungsparameters.

Description

Beschreibung
Erfassen eines Verformungsparameters eines piezoelektrischen Biegewandlers
Die Erfindung betrifft einen Biegewandler, aufweisend mindes¬ tens eine piezoelektrische Aktorschicht und mindestens ein Sensorelement zum Erfassen mindestens eines Verformungs¬ parameters des Biegewandlers. Die Erfindung betrifft ferner Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Verformungs¬ parameters eines Biegewandlers, welcher mindestens eine pie¬ zoelektrische Aktorschicht aufweist. Der erfindungsgemäße Biegewandler ist besonders preiswert herstellbar und ermög¬ licht eine besonders genaue Bestimmung mindestens eines Ver- formungsparameters .
Ein piezoelektrischer Biegewandler weist üblicherweise ein Piezoelement mit einer Elektrodenschicht, einer weiteren Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht auf. Die Schichten sind dabei derart angeordnet, dass durch eine elektrische An- steuerung der Elektrodenschicht ein elektrisches Feld in die piezoelektrische Schicht eingekoppelt wird. Aufgrund des ein¬ gekoppelten elektrischen Feldes kommt es zu einer Auslenkung der piezoelektrischen Schicht und damit zur Auslenkung des Biegewandlers. Umgekehrt führt eine Auslenkung der piezo¬ elektrischen Schicht und damit des Piezoelements zu einer elektrischen Ladung an den Elektrodenschichten, die abgegriffen werden kann.
WO 94/02965 AI beschreibt eine monolithische keramische Vor¬ richtung mit einem integralen elektrostriktiven Biegeelement und einem Wegaufnehmer, wobei die Vorrichtung zwei Lagen eines elektrostriktiven Keramikelements mit einer dazwischen eingefügten zentralen Elektrode aufweist, wobei an jeder äu¬ ßeren Oberfläche jeder Schicht des keramischen Materials min¬ destens eine leitfähige Elektrode befestigt ist und wobei die Vorrichtung ein Mittel zum Anlegen eines ausgerichteten Felds über eine einzelne Schicht des elektrostriktiven keramischen Materials aufweist.
DE 10 2005 024 192 AI betrifft einen piezoelektrischen Biege- wandler, aufweisend mindestens ein monolithisches Piezoele- ment mit einer Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezokeramischen Schicht und mindestens ein Sensorelement mit einer Sensorelektrode zum Erfassen einer Aus- lenkung des Biegewandlers. Die Sensorelektrode des Sensorele¬ ments weist eine der Elektrodenschichten der piezokeramischen Schicht auf. Bei diesem Biegewandler wird zu seiner Auslenkung in eine von zwei möglichen Richtung ein Teil der Piezo- keramikschichten als piezokeramische Aktorschichten (welche auf ein elektrisches Signal hin ihre Form ändern und dadurch den Biegewandler verformen) verwendet und ein anderer Teil als piezokeramische Sensorschichten (an denen aufgrund ihre Verbiegung ein elektrisches Signal abgreifbar ist) verwendet. Bei einer Auslenkung in die andere Richtung werden die zuvor als Aktorschichten verwendeten piezokeramischen Schichten als Sensorschichten verwendet, und umgekehrt. Hierbei muss eine an die piezokeramischen Schichten angeschlossene Schaltung für einen Richtungswechsel der Richtung der Auslenkung entsprechend umgeschaltet werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere einen verbesserten piezoelektrischen Biegewandler bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesonde¬ re den abhängigen Ansprüchen entnehmbar. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Biegewandler, aufweisend mindestens eine piezoelektrische Aktorschicht und mindestens ein Sensorelement zum Erfassen mindestens eines Verformungs- Parameters des Biegewandlers, wobei das Sensorelement mindes¬ tens eine piezoelektrische Sensorschicht aufweist.
Dieser Biegewandler weist den Vorteil auf, dass eine Auswer- tung elektrischer Signale zum Erfassen oder Bestimmen des mindestens einen Verformungsparameters besonders einfach ist. Insbesondere brauchen die piezoelektrischen Schichten nicht je nach Richtung einer Biegung unterschiedlich verschaltet zu werden. Durch den Einsatz der dedizierten mindestens einen Sensorschicht ist zudem gewährleistet, dass die Biegungen in beide Richtungen unter gleichen Randbedingungen, z.B. bei einer gleichen Schichtdicke der Sensorschicht usw. gemessen werden. So kann für hochgenaue Messungen auf eine Kalibrie¬ rung des Biegewandlers zur Berücksichtigung messtechnischer Unterschiede bei Biegungen in beide Richtungen verzichtet werden. Auch kann auf externe Sensoren wie DMS-Streifen o.a. verzichtet werden. Darüber hinaus ist ein solcher Biegewand¬ ler mit einem nur sehr geringen Mehraufwand an Material und ohne wesentliche Änderung von Herstellungsschritten herstell- bar.
Unter einer piezoelektrischen Aktorschicht kann insbesondere eine piezoelektrische Schicht verstanden werden, welche dazu vorgesehen und eingerichtet ist, mittels eines elektrischen Signals zur Biegung des Biegewandlers verformt zu werden. Die piezoelektrische Aktorschicht ist insbesondere nicht als Sen¬ sorschicht vorgesehen und damit insbesondere auch nicht dazu vorgesehen, ein elektrisches Signal zum Erfassen oder Bestimmen des mindestens einen Verformungsparameters zu liefern (dedizierte Aktorschicht) .
Unter einer piezoelektrischen Sensorschicht kann umgekehrt insbesondere eine piezoelektrischen Schicht verstanden werden, welche dazu vorgesehen und eingerichtet ist, mindestens ein elektrisches Signal zum Erfassen oder Bestimmen des mindestens einen Verformungsparameters des Biegewandler zu lie¬ fern, wenn dieser verformt ist oder wird. Die piezoelektrische Sensorschicht ist insbesondere nicht als Aktorschicht vorgesehen (und zwar in keine Biegerichtung) und damit insbesondere auch nicht dazu vorgesehen, mittels eines elektri¬ schen Signals zur Biegung des Biegewandlers verformt zu wer¬ den (dedizierte Sensorschicht) .
Unter einem Verformungsparameter kann ein statischer Verformungsparameter (z.B. eine Auslenkung oder Verbiegung als auch eine Kraft) und/oder ein dynamischer Verformungsparameter (z.B. eine Beschleunigung) verstanden werden.
Der Biegewandler weist ferner Elektroden und/oder elektrische Leitungen auf, um die piezoelektrischen Aktorschicht (en) elektrisch zu einer Verformung anregen zu können als auch um mindestens ein elektrisches Signal von der mindestens einen piezoelektrischen Sensorschicht angreifen zu können. Insbesondere mag mindestens eine piezoelektrische Schicht zwischen zwei Elektroden, insbesondere Elektrodenschichten, angeordnet sein, um ein Piezoelement zu bilden. Folglich kann ein Anlegen eines elektrischen Potenzials an die beiden Elektroden die mindestens eine piezoelektrische Aktorschicht verformen oder es kann über die Elektroden ein aufgrund einer Biegung der mindestens einen piezoelektrischen Aktorschicht erzeugtes elektrisches Potenzial o.a. gemessen oder abgefühlt werden. Insbesondere an der Sensorschicht kann mindestens eine Mess- elektrode angeordnet sein. Bei mehreren Messelektroden können diese z.B. auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite an¬ geordnet sein. Auch mag die mindestens eine Messelektrode an einer Seitenfläche der Sensorschicht angeordnet sein. Das Vorsehen geeigneter Elektroden und/oder elektrischer Leitun- gen ist, soweit im Folgenden nicht für spezielle Fälle anders ausgesagt, grundsätzlich bekannt und auf die vorliegende Er¬ findung anwendbar. Elektroden und/oder elektrische Leitungen werden deshalb im Folgenden nicht weiter beschrieben. Es ist eine Weiterbildung, dass die mindestens eine piezo¬ elektrische Aktorschicht und die mindestens eine piezoelekt¬ rische Sensorschicht aus einem gleichen Material bestehen, was eine Herstellung vereinfacht. Jedoch können die mindes- tens eine piezoelektrische Aktorschicht und die mindestens eine piezoelektrische Sensorschicht beispielsweise zur Errei¬ chung einer höheren Messgenauigkeit auch aus einem unterschiedlichen Material bestehen.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass die mindestens eine pie¬ zoelektrische Aktorschicht und die mindestens eine piezo¬ elektrische Sensorschicht eine gleiche Schichtdicke aufwei¬ sen, was ebenfalls eine Herstellung vereinfachen kann. Alter- nativ kann eine Schichtdicke unterschiedlich sein, insbesondere zur Optimierung eines Biegeverhaltens des Biegewandlers einerseits und eines Sensorverhaltens (z.B. einer Messemp¬ findlichkeit) sowie einer geringen Beeinträchtigung des Biegeverhaltens durch die Sensorschicht (en) andererseits.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die Schichten des Biegewand¬ lers keramische Schichten sind. Piezokeramische Schichten er¬ reichen unter Verformung eine hohe Kraft und ermöglichen eine präzise Auslenkung.
Zur besonders kompakten und stabilen Ausgestaltung des Biegewandlers bilden die keramischen Schichten vorzugsweise einen einstückigen oder monolithischen Schichtstapel. Unter einem monolithischen Schichtstapel kann insbesondere ein Schicht- Stapel verstanden werden, welcher in einem Sinterablauf aus mehreren Grünkörpern zusammengesintert worden ist. Diese Grünkörper können insbesondere die piezokeramischen Schichten darstellen. Der monolithische Schichtstapel kann außer piezo¬ keramischen Schichten weitere, nicht piezo-keramische Schich- ten umfassen, wie eine elektrisch isolierende keramische Schicht .
Alternativ mögen die piezoelektrischen, insbesondere piezokeramischen Schichten, auch miteinander verklebt sein, was eine geringere Temperaturbelastung bei der Herstellung des Biegewandlers ermöglicht. Es ist eine für eine besonders einfache und preiswerte Her¬ stellung vorteilhafte Weiterbildung, dass der Biegewandler mittels eines Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (LTCC; "Low Temperature Cofired Ceramics ") -Verfahrens hergestellt worden ist, da so auch elektrisch leitfähiges Material, z.B. für die Elektroden und/oder elektrischen Leitungen, mitgesintert werden kann und folglich in den Biegewandler monolithisch integriert ist. Insbesondere können die piezokeramischen Schichten aus Grünkörperfolien hergestellt werden, welche mit dem elektrisch leitfähigen Material bedruckt worden sind, insbe¬ sondere im Siebdruckverfahren. Alternativ mag der Biegewandler beispielsweise mittels eines Hochtemperatur-Einbrand- Keramik (HTCC; "High Temperature Cofired Ceramics") - Verfahrens hergestellt worden sein.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Biegewandler eine gerade Zahl n (n = 2, 4, 6, 8, ...) von piezoelektrischen Aktorschichten aufweist, welche (insbesondere entlang einer Stapelrichtung) symmetrisch zu der mindestens einen piezo- elektrischen Sensorschicht angeordnet sind. So wird eine gleichartige Verbiegung in beide Stapelrichtungen ermöglicht.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Schichten (d.h., insbesondere alle Schichten) des Biegewandlers (insbesondere ent- lang einer Stapelrichtung) zumindest im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut sind. Diese Schichten können auch zwischen den piezoelektrischen Schichten vorhandene weitere Schichten wie elektrisch isolierende Schichten umfassen. So wird eine gleichartige Verbiegung in beide Stapelrichtungen auch bei einer Anwesenheit der weiteren Schichten ermöglicht.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass mehrere Mess¬ elektroden entlang mindestens einer piezoelektrischen Sensorschicht angeordnet sind, insbesondere entlang (einschließlich parallel zu) einer Biegelinie oder Längsachse der Sensor¬ schicht. So lassen sich die über die Messelektroden abgegriffenen elektrischen Signale besonders einfach auswerten. Es ist eine Weiterbildung, dass drei oder mehr Messelektroden an mindestens einer piezoelektrischen Sensorschicht gleich- beabstandet angeordnet sind, was eine besonders genaue und dennoch einfache Auswertung erlaubt. Es ist noch eine Weiterbildung, dass mindestens zwei benach¬ barte piezoelektrische Sensorschichten durch eine elektrisch isolierende Schicht elektrisch oder galvanisch voneinander getrennt sind. So lassen sich gegenseitige elektrische Beein¬ flussungen vermeiden.
Es ist insbesondere eine Ausgestaltung, dass mindestens eine piezoelektrische Sensorschicht von mindestens einer piezo¬ elektrischen Aktorschicht durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt ist. Dadurch kann eine elektrische Beein- flussung des an der mindestens einen Sensorschicht abgreifba¬ ren oder auslesbaren elektrischen Signals durch eine aktivierte benachbarte Aktorschicht verhindert werden.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine pie- zoelektrische Sensorschicht genau eine piezoelektrische Sen¬ sorschicht ist. So kann eine verringerte Biegbarkeit des Bie¬ gewandlers aufgrund einer Steifigkeit der mindestens einen Sensorschicht minimiert werden. Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine piezoelektrische Sensorschicht eine gerade Zahl m (m = 2, 4, 6, ...) von piezoelektrischen Sensorschichten aufweist.
Insbesondere kann so in einer (in Stapelrichtung) Mitte zwi- sehen zwei benachbarten Sensorschichten mindestens eine Messelektrode eingefügt sein. Dadurch kann sich ein über die Messelektrode abgegebenes elektrisches Signal aus beiden Sen¬ sorschichten ergeben, was eine höhere Signalstärke und/oder Messgenauigkeit insbesondere auch bei Verbiegungen in beide Richtungen ermöglicht.
Auch mögen mindestens zwei Sensorschichten elektrisch oder galvanisch voneinander getrennt sein. Dies ergibt den Vor- teil, dass an den Sensorschichten gleichzeitig elektrische Signale betreffend unterschiedliche Verformungsparameter an¬ greifbar sind. Die Sensorschichten können dazu unterschiedlich mit (Mess- ) Elektroden und/oder elektrischen Leitungen belegt sein, z.B. mit unterschiedlich angeordneten und/oder ausgeformten (Mess- ) Elektroden .
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Biegewandler eine Schaltung zum Ansteuern der mindestens einen piezoelektri- sehen Aktorschicht und zum Auslesen und Verarbeiten mindes¬ tens eines elektrischen Signals der mindestens einen piezo¬ elektrischen Sensorschicht aufweist.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Schaltung dazu ein- gerichtet ist, aus dem mindestens einen elektrischen Signal der mindestens einen piezoelektrischen Sensorschicht mindes¬ tens einen Verformungsparameter zu bestimmen. Der mindestens eine Verformungsparameter mag insbesondere eine Auslenkung, eine Kraft und/oder eine Beschleunigung umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass der Biegewandler mindestens zwei galvanisch getrennte piezoelektrische Sensorschich¬ ten aufweist, wobei die Schaltung dazu eingerichtet ist, aus mindestens einem elektrischen Signal mindestens einer der piezoelektrischen Sensorschichten wahlweise einen der Verformungsparameter zu bestimmen. So können unterschiedliche Verformungsparameter in kurzer Zeit mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Aus einem elektrischen Signal jeder der piezo- elektrischen Sensorschichten mag insbesondere jeweils ein unterschiedlicher Verformungsparameter bestimmt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Verformungsparameters eines Biegewandlers, welcher mindestens eine piezoelektrische Aktorschicht auf¬ weist, wobei der mindestens eine Verformungsparameter anhand mindestens eines elektrischen Signals mindestens einer piezo¬ elektrischer Sensorschicht des Biegewandlers ermittelt wird. Dieses Verfahren ermöglicht die gleichen Vorteile wie der oben beschriebene Biegewandler und kann auch analog ausges¬ taltet werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig.l zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen
Biegewandler gemäß einem ersten Ausführungsbei- spiel;
Fig.2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen
Biegewandler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
Fig.3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen
Biegewandler gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel .
Fig.l zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Biegewandler Bl . Der Biegewandler Bl weist eine gerade Zahl von miteinander monolithisch verbundenen piezokeramischen Aktorschichten An auf, nämlich n=10 Aktorschichten AI bis A10, von denen hier die Aktorschichten AI, A5, A6 und A10 eingezeichnet sind. Diese Aktorschichten AI bis A10 sind in zwei, jeweils durch Steuersignale Sa gemeinsam ansteuerbare Gruppen aufgeteilt, nämlich eine erste Gruppe mit den Aktorschichten AI bis A5 und eine zweite Gruppe mit den Aktorschichten A6 bis A10. Die Steuersignale Sa werden von einer geeignet aus¬ gebildeten Schaltung in Form einer Steuer- und Auswerteeinheit C ausgegeben.
Für eine Auslenkung des hier in Form eines Biegebalkens aus¬ gebildeten Biegewandlers Bl nach oben, wie durch den Pfeil PI angedeutet, werden Steuersignale Sa an die zweite Gruppe von Aktorschichten A6 bis A10 ausgegeben oder angelegt, welche sich dadurch in ihrer Längsrichtung hier beispielhaft verkürzen. Die Aktorschichten AI bis A5 der ersten Gruppe werden dabei nicht angesteuert und von den Aktorschichten A6 bis A10 hochgebogen. Für eine Auslenkung des Biegewandlers Bl nach unten, wie durch den Pfeil P2 angedeutet, werden analog Steu¬ ersignale Sa an die erste Gruppe von Aktorschichten AI bis A5 angelegt, während die zweite Gruppe von Aktorschichten A6 bis A10 dadurch nach unten gebogen wird. Die Aktorschichten AI bis A10 sind zu ihrer Ansteuerung oder Betätigung mit nicht eingezeichneten ( Steuer- ) Elektroden verbunden. Benachbarte Aktorschichten AI bis A10 können auch durch eine jeweilige elektrisch isolierende Schicht (o.Abb.) voneinander galva¬ nisch getrennt sein.
Zum Erfassen mindestens eines Verformungsparameters des Bie¬ gewandlers Bl, z.B. einer Auslenkung, einer Kraft oder einer Beschleunigung des Biegewandlers 1 bzw. der piezokeramischen Aktorschichten AI bis A10, sind zwischen die erste Gruppe der Aktorschichten AI bis A5 und die zweite Gruppe der Aktor¬ schichten A6 bis A10, also zwischen die Aktorschichten A5 und A6, zwei piezokeramische Sensorschichten Sl und S2 eingefügt. Die Aktorschichten AI bis A10 sind also entlang einer Stapelrichtung symmetrisch zu den beiden Sensorschichten Sl, S2 an- geordnet. Die Verwendung der zwei Sensorschichten Sl, S2 ermöglicht eine besonders genaue Messung des mindestens einen Verformungsparameters in beide Auslenkungsrichtungen.
Zwischen den Sensorschichten Sl und S2, also in ihrer Mitte bezüglich der Stapelrichtung, sind entlang einer horizontalen Achse, welche hier einer Längsachse der Sensorschichten Sl und S2 und gleichzeitig einer Biegelinie entspricht, drei (Mess- ) Elektroden El, E2 und E3 gleichbeabstandet angeordnet. An diesen Elektroden El, E2 und E3 können von der Steuer- und Auswerteeinheit C (ein) entsprechende ( s ) elektrische ( s ) Sen¬ sorsignal (e) Sm abgegriffen werden, die einen Hinweis auf mindestens einen Verformungsparameter der Sensorschichten Sl und S2 und damit auch der Aktorschichten AI bis A10 geben. Die Sensorsignale Sm können beispielsweise in Form einer LeerlaufSpannung oder einer Kurzschlussladung vorliegen. Das zugehörige Verarbeiten der Sensorsignale Sm zum Bestimmen des mindestens einen Verformungsparameters geschieht in der Steu- er- und Auswerteeinheit C.
Zur Überdrückung einer Beeinflussung des mindestens einen Sensorsignals Sm durch die benachbarten Aktorschichten A5 und A6 sind sowohl zwischen der Sensorschicht Sl und der dazu be- nachbarten Aktorschicht A5 als auch zwischen der Sensorschicht S2 und der dazu benachbarten Aktorschicht A6 jeweils eine keramische elektrisch isolierende Schicht I vorhanden. Jedoch kann auch auf die elektrisch isolierende (n)
Schicht (en) I verzichtet werden, so dass zwischen der Sensor- schicht Sl und der dazu benachbarten Aktorschicht A5 als auch zwischen der Sensorschicht S2 und der dazu benachbarten Aktorschicht A6 jeweils eine Elektrode, insbesondere Flächen¬ elektrode, vorhanden ist. Die keramischen Schichten AI bis A10, Sl, S2, I sind zusammen mit einem daran angebrachten elektrisch leitfähigen Material, z.B. zum Ausbilden der Elektroden El bis E3 und zugehöriger Leiterbahnen (o.Abb.), mittels eines LTCC-Verfahrens zu einem monolithischen (LTCC- ) Körper gesintert worden. Die kerami- sehen Schichten AI bis A10, Sl, S2, I (ggf. zusammen mit flä¬ chigen Elektroden) bilden dabei einen monolithischen Schichtstapel. Dadurch wird ein robuster, einfach herzustellender und präzise auslenkbarer Biegewandler Bl bereitgestellt. Fig.2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen
Biegewandler B2. Der Biegewandler B2 unterscheidet sich von dem Biegewandler Bl dadurch, dass die zwei Sensorschichten Sl, S2 nun durch eine elektrisch isolierende Schicht I galva¬ nisch voneinander getrennt sind und jede der Sensorschichten Sl und S2 Elektroden El bis E3 bzw. E4 bis E6 aufweist. Die Elektroden El bis E3 und E4 bis E6 können gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein. Zudem ist nun an jeder der zwei Sensorschichten Sl, S2 gleichzeitig ein jeweiliges Sensorsig- nal Sml bzw. Sm2 abgreifbar und von der Steuer- und Auswerteeinheit C verarbeitbar.
Insbesondere lassen sich die Sensorsignale Sml und Sm2 unter- schiedlich verarbeiten, z.B. zur Bestimmung unterschiedlicher Verformungsparameter. Dazu können die Sensorschichten Sl, S2 insbesondere unterschiedlich ausgestaltet sein, z.B. eine un¬ terschiedliche Schichtdicke und/oder ein unterschiedliches Material aufweisen. Auch können dazu die Elektroden El bis E3 bzw. E4 bis E6 unterschiedlich ausgestaltet sein. Folglich mögen die Sensorsignale Sml und Sm2 auf eine jeweilige Be¬ stimmung eines Verformungsparameters hin optimiert sein.
Fig.3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Biegewandler B3. Der Biegewandler B3 unterscheidet sich von dem Biegewandler Bl dadurch, dass nur eine Sensorschicht Sl vorhanden ist, welche also, getrennt durch jeweilige elekt¬ risch isolierende Schichten I, benachbart zu den Aktorschichten A5 und A6 angeordnet ist. Dieser Biegewandler B3 weist den Vorteil auf, dass er aufgrund der vergleichsweise gerin¬ gen Steifigkeit der nur einen Sensorschicht Sl stärker aus¬ lenkbar ist.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das gezeigte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variatio¬ nen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. So braucht die Anordnung der Aktorschichten und Sensorschichten allgemein nicht in Stapelrichtung symmetrisch zu sein. Beispielsweise mag die mindestens eine Sensorschicht zwischen zwei Gruppen von Aktorschichten angeordnet zu sein, welche unterschiedliche Materialeigenschaften, unterschiedliche Schichtdicken und/oder eine unterschiedliche Zahl an Aktorschichten aufweisen. Ferner mag eine Sensorschicht auch eine nicht-mittige, insbe¬ sondere äußere (oberste und/oder unterste) Schicht des
Schichtstapels darstellen. Weiterhin mögen mehrere Sensorschichten durch mindestens eine Aktorschicht voneinander getrennt sein.
Obwohl die Schichtdicken der piezokeramischen Schichten gleich eingezeichnet sind, können sie sich auch unterschei- den, und zwar sowohl die Schichtdicke (n) der Aktorschichten und die Schichtdicke (n) der Sensorschichten als auch innerhalb der Aktorschichten bzw. der Sensorschichten.
Darüber hinaus ist die Zahl der Aktorschichten und der Sensorschichten nicht auf die beispielhaft gezeigten Zahlen beschränkt .

Claims

Patentansprüche
1. Biegewandler (Bl; B2; B3) , aufweisend mindestens eine piezoelektrische Aktorschicht (A1-A10) und mindestens ein Sensorelement (Sl, S2, E1-E3; E4-E6) zum Erfassen mindestens eines Verformungsparameters des Biegewandlers (Bl; B2; B3),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorelement (Sl, S2, E1-E3; E4-E6) mindestens eine piezoelektrische Sensorschicht (Sl, S2) aufweist.
2. Biegewandler (Bl; B2; B3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (A1-A10, Sl, S2, I) des Biegewandlers (Bl; B2; B3) keramische Schichten sind und einen monolithischen Schichtstapel bilden.
3. Biegewandler (Bl; B2; B3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegewandler (Bl) eine gerade Zahl n von piezoelektrischen Aktorschichten (A1-A10) aufweist, welche symmetrisch zu der mindestens einen piezoelektrischen Sensorschicht (Sl, S2) angeordnet sind.
4. Biegewandler (Bl; B2; B3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mess¬ elektroden (E1-E3; E4-E6) entlang mindestens einer pie¬ zoelektrischen Sensorschicht (Sl, S2) angeordnet sind.
5. Biegewandler (Bl; B2; B3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine piezoelektrische Sensorschicht (Sl, S2) von der mindestens einen piezoelektrischen Aktorschicht (A5, A6) durch eine elektrisch isolierende Schicht (I) getrennt ist .
6. Biegewandler (B3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine piezoelektrische Sensorschicht (Sl) genau eine piezo¬ elektrische Sensorschicht ist.
Biegewandler (Bl; B2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine piezo¬ elektrische Sensorschicht (Sl, S2) eine gerade Zahl m von piezoelektrischen Sensorschichten (Sl, S2) aufweist, in deren Mitte mindestens eine Messelektrode (E1-E3; E4- E6) zwischen zwei benachbarten Sensorschichten (Sl, S2) eingefügt ist.
Biegewandler (B2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sen¬ sorschichten (Sl, S2) elektrisch voneinander getrennt sind .
Biegewandler (Bl; B2; B3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegewandler (Bl; B2; B3) eine Schaltung (C) zum Ansteuern der mindestens einen piezoelektrischen Aktorschicht (A1-A10) und zum Auslesen und Verarbeiten mindestens eines elekt¬ rischen Signals (Sm; Sml, Sm2) der mindestens einen piezoelektrischen Sensorschicht (Sl, S2) aufweist.
Biegewandler (Bl; B2; B3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (C) dazu eingerichtet ist, aus dem mindestens einen elektrischen Signal (Sm; Sml, Sm2) der mindestens einen piezoelektrischen Sensorschicht (Sl, S2) mindestens einen Verformungsparameter zu bestimmen.
Biegewandler (Bl; B2; B3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verformungspara¬ meter eine Auslenkung, eine Kraft und/oder eine Beschleunigung umfasst.
Biegewandler (B2) nach Anspruch 7 in Kombination mit einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegewandler (B2) mindestens zwei piezoelektrische Sensorschichten (Sl, S2) aufweist, wobei die Schal¬ tung (C) dazu eingerichtet ist, aus mindestens einem elektrischen Signal (Sml, Sm2) mindestens einer der piezoelektrischen Sensorschichten (Sl, S2) wahlweise einen der Verformungsparameter zu bestimmen.
Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Verformungspa¬ rameters eines Biegewandlers (Bl; B2; B3) , welcher min¬ destens eine piezoelektrische Aktorschicht (A1-A10) auf¬ weist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine Verformungsparameter anhand mindes¬ tens eines elektrischen Signals (Sm; Sml; Sm2) mindestens einer piezoelektrischer Sensorschicht (Sl, S2) des Biegewandlers (Bl; B2; B3) ermittelt wird.
PCT/EP2012/063669 2011-07-29 2012-07-12 Erfassen eines verformungsparameters eines piezoelektrischen biegewandlers WO2013017389A1 (de)

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