DE10017760C1 - Piezokeramischer Biegewandler sowie Verwendung des piezokeramischen Biegewandlers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Biegewandler (1) mit einem Tragkörper (3) und mit einem darauf aufgebrachten Stapel (4) aus Schichten (6) aus Piezokeramik und aus zwischen den Schichten (6) angeordneten flächigen Elektroden (7, 8). Auf der dem Stapel (4) abgewandten Seite des Tragkörpers (3) ist eine Anpassschicht (10) aus einem Material mit im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Piezokeramik aufgebracht. Der Biegewandler (1) zeigt eine gute Stellkraft und eine geringe thermische Eigenverbiegung bei günstigen Herstellungskosten. Er eignet sich insbesondere für den Einsatz in einem Ventil.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezokeramischen Biegewandler mit einem Tragkörper und mit einem darauf aufgebrachten Sta­ pel aus Schichten aus Piezokeramik und aus zwischen den Schichten angeordneten flächigen Elektroden. Die Erfindung betrifft weiter eine Verwendung eines derartigen Biegewand­ lers.

Ein derartiger piezokeramischer Biegewandler ist aus der DD 293 918 A5 und der WO 99/17383 bekannt. Gemäß der WO 99/17383 werden zur Ansteuerung des piezokeramischen Bie­ gewandlers die zwischen den Schichten aus Piezokeramik an­ geordneten Elektroden in Stapelrichtung betrachtet abwech­ selnd auf positives und negatives Potential gelegt. Dabei sind jeweils benachbarte Schichten aus Piezokeramik in entge­ gengesetzter Richtung polarisiert, so dass der gesamte Stapel bei Anlegen der Betriebsspannung aufgrund des piezoelektri­ schen Effektes der Piezokeramik entweder eine Kontraktion oder eine Expansion erfährt.

Weitere Möglichkeiten zur Ansteuerung eines derartigen Sta­ pels aus Schichten aus Piezokeramik sind der DE 34 34 726 C2 zu entnehmen.

Aus der DE 34 34 726 ist weiter als Material für die Piezoke­ ramik der Schichten Bleititanat, Bariumtitanat, Bleizirkonti­ tanat oder Abwandlungen dieser keramischen Substanzen be­ kannt. Als Material für den Tragkörper ist aus der DD 293 918 A5 Federstahl und aus der WO 99/17383 ein Faser­ verbundwerkstoff oder Glas bekannt. Der Tragkörper aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus Glas führt dabei zu einem gu­ ten Wirkungsgrad für die Umwandlung von elektrische in mecha­ nische Energie.

Ein piezoelektrischer Biegewandler mit einem Tragkörper wird in der Regel als ein sogenannter Trimorph aufgebaut. Dies be­ deutet, dass der Tragkörper beidseitig jeweils mit mindestens einer piezoelektrisch aktiven Schicht aus Piezokeramik be­ schichtet ist. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus ist die temperaturbedingte Eigenverbiegung eines solchen piezokerami­ schen Biegewandlers geringer, als wenn der Tragkörper ledig­ lich einseitig beschichtet wäre.

Wird anstelle einer einzigen piezokeramischen Schicht ein Stapel aus vielen piezokeramischen Schichten eingesetzt, so wird die gleiche mechanische Energie bereits bei einer nied­ rigeren Betriebsspannung zur Verfügung gestellt. Dies ist darin begründet, dass sich aufgrund der geringen Dicke der einzelnen piezokeramischen Schichten in einem Stapel bei gleicher Betriebsspannung gemäß E = U/d, wobei E das elektri­ sche Feld, U die angelegte Spannung und d die Dicke der Kera­ mikschicht angibt, eine größere elektrische Feldstärke ergibt als bei Verwendung einer einzigen Schicht mit der Dicke des Stapels. Der Aufbau der piezoelektrisch aktiven Substanz in Form eines Stapels mit vielen einzelnen Schichten aus Piezo­ keramik, d. h. in Multilayer-Technik, ist vorteilhaft, wenn kleine Stellwege und große Stellkräfte für den piezokerami­ schen Biegewandler gefordert werden.

Aus letztgenanntem Grund werden gerade für Anwendungen in ei­ nem Ventil piezokeramische Biegewandler in Stapel- oder Mul­ tilayer-Bauweise bevorzugt. Nachteiligerweise sind jedoch die Fertigungs- und Materialkosten für einen piezokeramischen Biegewandler in Multilayer-Bauweise relativ hoch. Die piezo­ keramischen Schichten müssen aufwendig als Folien gezogen werden; es sind viele einzelne Elektrodenschichten erforder­ lich, was die Materialkosten (AgPd) anhebt. Bei Einsatz eines piezokeramischen Biegewandlers in Multilayer-Bauweise wäre demnach ein Ventil trotz besserer Stelleigenschaften aufgrund des hohen Stückpreises gegenüber einem vergleichbaren Ventil herkömmlicher Bauweise nicht konkurrenzfähig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen piezokeramischen Biegewandler in Multilayer-Bauweise anzugeben, der sich güns­ tig herstellen lässt. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verwendung für einen derartigen piezokeramischen Biege­ wandler anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird für einen piezokeramischen Bie­ gewandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf der dem Stapel abgewandten Seite des Trag­ körpers eine Anpassschicht aus einem Material mit im Wesent­ lichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Piezokeramik aufgebracht ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei An­ wendung des piezokeramischen Biegewandlers in einem Ventil lediglich zwei definierte Positionen des Biegewandlers not­ wendig sind. Bei der einen definierten Position des Biege­ wandlers muss das Ventil geschlossen und bei der anderen de­ finierten Position des Biegewandlers offen sein. Eine wei­ tere, dritte definierte Position des Biegewandlers ist nicht erforderlich. Je nach Ansteuerung des Biegewandlers spricht man von einem normal offenen Ventil, wenn das Ventil bei nicht angesteuertem Biegewandler offen ist, und von einem normal geschlossenen Ventil, wenn das Ventil bei nicht ange­ steuertem Biegewandler geschlossen ist.

Die Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass die beiden zur Steuerung eines Ventils erforderlichen Positionen des piezokeramischen Biegewandlers durch seine Ruheposition bei nicht angelegter Spannung und durch eine Auslenkposition bei angelegter Spannung gegeben sind. Es ist demnach ledig­ lich eine Auslenkung des Biegewandlers in eine Richtung er­ forderlich. Für einen in einem Ventil zum Einsatz kommenden Biegewandler genügt daher eine einseitige Aufbringung des Stapels aus Schichten aus Piezokeramik, im Folgenden Piezo­ stapel genannt, auf den Tragkörper. Ein zweiter, entgegen der Polarisationsrichtung angesteuerter Piezostapel liefert nämlich zur Auslenkung nur einen geringen Beitrag, da die Feld­ stärke wegen Dipolarisationseffekten begrenzt werden muss. Ohne die Leistungsfähigkeit des Biegewandlers für den Einsatz in Ventilen zu schmälern, kann demnach auf einen Piezostapel verzichtet werden. Dies ist eine kostengünstige Maßnahme, da die Herstellung eines aus vielen einzelnen Piezokeramikschichten mit dazwischenliegenden Elektroden be­ stehenden Piezostapels teuer ist.

Des Weiteren geht die Erfindung nun von der Überlegung aus, dass ein piezokeramischer Biegewandler mit einem Tragkörper und einem darauf einseitig aufgebrachten Piezostapel gegen­ über einem Biegewandler mit einem Tragkörper und beidseitig darauf aufgebrachten Piezostapeln aufgrund des unsymmetri­ schen Aufbaus eine höhere thermische Eigenverbiegung auf­ weist, und insofern für eine Verwendung in einem Ventil unge­ eignet wäre. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass auf der dem Stapel abgewandten Seite des Tragkörpers eine Anpass­ schicht aus einem Material mit einem im Wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie dem der Piezokera­ mik, aufgebracht ist.

Vorteilhafterweise besteht die Anpassschicht aus einem Glas oder einem Aluminiumoxid. Diese beiden Materialien weisen ei­ nen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf wie die üblicherweise als Piezokeramik verwendete Blei-Zirkonat- Titan-Oxidkeramik.

Eine Piezokeramik erhält ihre piezoelektrischen Eigenschaften in der Regel dadurch, dass sie in einem homogenen elektri­ schen Feld polarisiert wird. Mit der Polarisation ist eine Veränderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Pie­ zokeramik verbunden. In einer weiteren vorteilhaften Ausge­ staltung der Erfindung besteht daher die Anpassschicht zur Kompensation der thermischen Eigenverbiegung des Biegewand­ lers aus einer polarisierten Piezokeramik. In diesem Fall ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Anpassschicht identisch mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ein­ zelnen Schichten aus Piezokeramik in dem auf der anderen Seite des Tragkörpers aufgebrachten Stapel. In diesem Fall besteht die Anpassschicht aus einer monolithischen polari­ sierten Piezokeramik, d. h. aus einer einzigen Schicht aus Piezokeramik.

Als Material für den Tragkörper kann beispielsweise Glas, Me­ tall oder ein Faserverbundwerkstoff verwendet werden. Hin­ sichtlich einer einfachen Verarbeitbarkeit und einer dauer­ haften Verbindung zwischen Piezokeramik und Tragkörper hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn der Tragkörper aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.

Insbesondere kann eine dauerhafte und feste Verbindung zwi­ schen einer Piezokeramik und dem Tragkörper dann gebildet werden, wenn der Faserverbundwerkstoff ein mit Kohle- oder Glasfasern verstärktes Epoxidharz ist. Zur Herstellung wird als Ausgangsmaterial dann für den Tragkörper ein Epoxidharz- Prepreg (ein noch nicht ausgehärteter Rohling) verwendet, welches durch eine Wärmebehandlung mit der Piezokeramik ther­ misch verklebt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich ein freier Teil des Tragkörpers auf einer Be­ festigungsseite über den Stapel und über die Anpassschicht hinaus. Der freie Teil des Tragkörpers kann in einfacher Art und Weise zur Befestigung des Biegewandlers herangezogen wer­ den. Auch ermöglicht diese Ausgestaltung eine einfache Kon­ taktierung der einzelnen Elektroden in dem Piezostapel. Bei­ spielsweise kann auf den freien Teil des Tragkörpers ein Kup­ ferplättchen aufgeklebt sein, welches sich teilweise unter den Piezostapel erstreckt und dort mit den jeweiligen Elek­ troden elektrisch kontaktiert ist. Auf dieses Kupferplättchen kann dann in einfacher Art und Weise ein Anschlussdraht auf­ gelötet werden.

Vorteilhafterweise sind die Elektroden des Piezostapels zur elektrischen Kontaktierung auf der Befestigungsseite aus der Piezokeramik herausgeführt und an den übrigen Seiten gegen­ über der Piezokeramik zurückversetzt. Die als flächige Metal­ lisierung ausgeführten Elektroden treten auf diese Art und Weise lediglich an der Befestigungsseite aus dem Piezostapel oder aus der Anpassschicht heraus. Beim gemeinsamen Versin­ tern des Piezostapels bildet sich durch die zurückversetzte Lage der Elektroden an den Außenseiten eine Sinterhaut, die nach Abschluss des Sinterprozesses die Elektroden dicht gegen die Umwelt abschließt. Eine solche Ausführung der Elektroden innerhalb des Piezostapels ermöglicht daher den Betrieb des piezokeramischen Biegewandlers auch bei hohen Luftfeuchtig­ keiten oder in Wasser. Die einzelnen Elektroden sind durch die Sinterhaut sehr gut gegeneinander elektrisch isoliert, was die Kurzschlussfestigkeit des Piezostapels erhöht.

Hinsichtlich der Kurzschlussfestigkeit des piezokeramischen Biegewandlers ist es weiter von Vorteil, wenn der aus dem Piezostapel oder der Vergussmasse herausgeführte Teil der Elektroden mit einer Vergussmasse versiegelt ist. Hierzu wird der Biegewandler in eine Form eingesetzt, welche dann mit der Vergussmasse ausgegossen wird.

Hinsichtlich der leichten Handhabbarkeit ist es von Vorteil, wenn die Vergussmasse ein Epoxidharz ist. Auch können insbe­ sondere mittels Laser aushärtbare Kleber als Vergussmasse verwendet werden. Durch das Vergießen mit einer Vergussmasse ist der gesamte piezokeramische Biegewandler vor Feuchtigkeit geschützt und kann daher selbst in flüssigkeitführenden Ventilen eingesetzt werden.

Hinsichtlich der Verwendung wird die eingangs gestellte Auf­ gabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der piezokeramische Biegewandler, wie in den Patentansprüchen 1 bis 9 beschrie­ ben, als ein Stellelement in einem Ventil, insbesondere in einem Pneumatik-Ventil, eingesetzt wird. Ein solches Ventil ist aufgrund seines guten Preis/Leistungs-Verhältnisses ge­ genüber einem herkömmlichen Ventil wettbewerbsfähig. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen piezokeramischen Biege­ wandler mit einem Tragkörper, der auf der einen Seite mit einem Stapel aus Schichten aus Piezokeramik und auf der anderen Seite mit einer Anpassschicht in Ge­ stalt einer monolithischen Piezokeramik beschichtet ist,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den piezokeramischen Biege­ wandler gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 in dreidimensionaler Darstellung die Befestigungsseite des piezokeramischen Biegewandlers gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt einen piezokeramischen Biegewandler 1 mit einem Tragkörper 3 aus einem mit Glasfa­ sern verstärkten Epoxidharz. Auf den Tragkörper 3 ist einsei­ tig ein Stapel 4 aus einer Anzahl von Schichten 6 aus Piezo­ keramik mit jeweils dazwischen angeordneten Elektroden 7, 8 in Form einer Silber/Palladium-Metallisierungsschicht aufge­ bracht. Auf der dem Stapel 4 abgewandten Seite des Tragkör­ pers 3 ist eine Anpassschicht 10 aus einer monolithischen Piezokeramik aufgebracht.

Auf der Befestigungsseite 12 des piezokeramischen Biegewand­ lers 1 erstreckt sich ein freier Teil des Tragkörpers 3 nach außen. Im Längsschnitt sichtbar sind Teile 13 der Elektroden 8 an der Befestigungsseite 12 aus dem Stapel 4 nach außen ge­ führt und dort miteinander elektrisch kontaktiert. Auch die Elektroden 7 sind - im gezeigten Längsschnitt nicht sichtbar - an anderer Stelle auf die gleiche Art und Weise nach außen geführt und ebenfalls miteinander kontaktiert (siehe Fig. 2). Der nach außen geführte Teil 13 der Elektroden 7, 8 ist auf der Befestigungsseite 12 mit einer Vergussmasse 14 aus Epoxidharz versiegelt.

Der Stapel 4 weist weiter eine dem Tragkörper 3 zugewandte Innenelektrode 16 und eine Außenelektrode 18, ebenfalls in Form einer Silber/Palladium-Metallisierung, auf. Die Innen- und Außenelektrode 16 bzw. 18 können auch weggelassen werden. Dies ist z. B. von Vorteil beim Betrieb des Biegewandlers in Feuchte. Auch die Anpassschicht 10 ist mit einer Innenelek­ trode 15 und einer Außenelektrode 17 versehen. Sowohl die Schichten 6 aus Piezokeramik des Stapels 4 als auch die monolithische Piezokeramik der Anpassschicht 10 werden über die Elektroden 7 und 8 sowie 16 und 18 bzw. 15 und 17 bei Anlegen einer vorgegebenen Spannung polarisiert. Die Anpass­ schicht 10 weist damit den gleichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten auf wie die Schichten 6 aus Piezokeramik. Als Piezokeramik wird eine Blei-Zirkanat-Titan-Oxidkeramik ver­ wendet.

Auf der Befestigungsseite 12 des piezokeramischen Biegewand­ lers 1 ist auf den Tragkörper 3 ein Kupferplättchen 19 aufge­ klebt, welches sich teilweise unter den Stapel 4 erstreckt. Dort ist das Kupferplättchen 19 - wie im Längsschnitt erkenn­ bar, mit den Elektroden 8 elektrisch kontaktiert. Zum Versor­ gen der Elektroden 8 mit einer Spannung wird ein Anschlusska­ bel auf das Kupferplättchen 19 gelötet.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt des piezokeramischen Biege­ wandlers gemäß Fig. 1 dargestellt. Der Querschnitt ist dabei so gewählt, dass eine Elektrode 7 gemäß Fig. 1 sichtbar wird. Man erkennt deutlich, dass zur Kontaktierung der Elekt­ roden 7 ein Kupferplättchen 19a und zur Kontaktierung der Elektroden 8 ein Kupferplättchen 19b verwendet ist. Hierzu wird ein Elektrodenteil 20 aus dem Stapel herausgeführt und außen mit dem Kupferplättchen 19a kontaktiert. Die Kupfer­ plättchen 19a und 19b sind auf dem freien Teil 21 des Trag­ körpers aufgeklebt.

Weiter wird deutlich, dass die Elektroden - dargestellt sind die Elektroden 7 - an den Seiten 22, 24 und 26 gegenüber den Schichten aus Piezokeramik 6 zurückversetzt sind. Durch die­ ses Zurückversetzen wird die Kurzschlussfestigkeit des piezo­ keramischen Biegewandlers bei Feuchtigkeit verbessert. In Fig. 3 ist der freie Teil 21 des Tragkörpers 3 in per­ spektivischer Darstellung gezeigt. Man erkennt deutlich, dass das Kupferplättchen 19a mit allen Elektroden 8 und das Kup­ ferplättchen 19b mit allen Elektroden 7 elektrisch kontak­ tiert ist. Wird zwischen die Kupferplättchen 19a und 19b eine Spannung angelegt, so zeigt das elektrische Feld in benach­ barten Schichten 6 aus Piezokeramik jeweils in entgegenge­ setzte Richtung. Da die Polarisationsrichtungen benachbarter Schichten 6 aus Piezokeramik ebenfalls in entgegengesetzte Richtung zeigen, führt das Anlegen einer elektrischen Span­ nung demnach zu einer Kontraktion oder zu einer Expansion sämtlicher Schichten 6 des Stapels 4 und damit zu einer Ge­ samtkontraktion oder Expansion des Stapels 4. Wird der freie Teil 21 des Tragkörpers 3 festgehalten, so führt das Anlegen einer Spannung an die Kupferplättchen 19a und 19b damit zu einer Auslenkung des anderen Endes des Biegewandlers 1.

Weiter ist in Fig. 3 noch ersichtlich, dass die Piezokeramik der Anpassschicht 10 mittels der Kupferplättchen 19c und 19d bei Anlegen einer Spannung ebenfalls polarisiert werden kann.

Claims (10)

1. Piezokeramischer Biegewandler (1) mit einem Tragkörper (3) und mit einem darauf aufgebrachten Stapel aus Schichten (6) aus Piezokeramik und aus zwischen den Schichten (6) angeord­ neten flächigen Elektroden (7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Stapel abgewandten Seite des Tragkörpers (3) eine Anpass­ schicht (10) aus einem Material mit im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Piezokeramik aufgebracht ist.

2. Piezokeramischer Biegewandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die An­ passschicht (10) aus einem Glas oder einem Aluminiumoxid be­ steht.

3. Piezokeramischer Biegewandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die An­ passschicht (10) aus einer polarisierten Piezokeramik be­ steht.

4. Piezokeramischer Biegewandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (3) aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.

5. Piezokeramischer Biegewandler (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fa­ serverbundwerkstoff ein mit Kohle- oder Glasfasern verstärk­ tes Epoxidharz ist.

6. Piezokeramischer Biegewandler (1) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein freier Teil (21) des Tragkörpers (3) auf einer Befestigungsseite (12) über den Stapel und über die Anpassschicht (10) hinaus erstreckt.

7. Piezokeramischer Biegewandler (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 8) zur elektrischen Kontaktierung auf der Be­ festigungsseite (12) aus der Piezokeramik heraus geführt und an den übrigen Seiten (22, 24, 26) gegenüber der Piezokeramik zurückversetzt sind.

8. Piezokeramischer Biegewandler (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der her­ aus geführte Teil (20) der Elektroden (7, 8) auf der Befesti­ gungsseite (12) mit einer Vergussmasse (14) versiegelt ist.

9. Piezokeramischer Biegewandler (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver­ gussmasse (14) ein Epoxidharz ist.

10. Verwendung eines piezokeramischen Biegewandlers (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche als Stellelement in einem Ventil, insbesondere in einem Pneumatik-Ventil.