DE10111502A1

DE10111502A1 - Betätigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10111502A1
Application number: DE10111502A
Authority: DE
Inventors: Glen F Forck; Larry G Waterfield
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2001-10-11
Also published as: GB2364822B; US6512323B2; US20020063496A1; JP2001326399A; GB2364822A; GB0107154D0

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung aus mehreren piezoelektrischen Lagen in einer integral gebundenen Laminatstruktur wird offenbart. Abwechselnde Lagen von elektrisch aktivem Keramikmaterial und leitendem oder nicht leitendem Substratmaterial werden mit Lagen von leitendem oder nicht leitendem thermisch aktivierten Klebemittel dazwischen gestapelt. Die gestapelten Lagen werden aufgeheizt, um das Klebemittel fließen zu lassen und werden darauffolgend abgekühlt, um eine integrale Bindung der Lagen zu bewirken und eine Kuppelbildung der gestapelten Vorrichtung. Leitende Substratmaterialien und Klebematerialien können verwendet werden, wobei jede nächste Substratlage umgekehrt gepolt ist, um abwechselnde Substratlagen mit positiven und negativen Elektroden zu erzeugen, die ein elektrisches Feld an aktiven Keramiklagen dazwischen anbringen können. Alternativ werden elektrisch aktive Lagen mit dünnen Metallelektrodenlagen auf sich entgegenweisenden Oberflächen vorgesehen, die ein elektrisches Feld an aktiven Keramiklagen dazwischen anlegen können.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Be tätigungsvorrichtungen und insbesondere auf eine einzelne Betätigungsvorrichtung aus mehreren aktiven piezoelektri schen Lagen.

Technischer Hintergrund

Piezoelektrische und elektrostriktive Materialien entwic keln ein polarisiertes elektrisches Feld, wenn sie unter Spannung oder Dehnung gesetzt werden. Im Gegensatz dazu erfahren diese Materialien Abmessungsveränderungen in ei nem angelegten elektrischen Feld. Die Abmessungsverände rung (d. h. die Expansion oder Kontraktion) eines piezo elektrischen oder elektrostriktiven Materials ist eine Funktion des angelegten elektrischen Feldes. Piezoelek trische und elektrostriktive Materialien können eine große Anzahl von kombinierten und nützlichen Eigenschaften be sitzen, wie beispielsweise piezoelektrische (elektrisches Feld abhängig von der Dehnung), elektrostriktive, dielek trische, pyroelektrische (temperaturabhängige Polarisati on), ferroelektrische (elektrisches Feld abhängig von der Polarisation) und elektrooptische (elektrisches Feld ab hängig von der optischen Brechung). Diese Vorrichtungen haben einen breiten Anwendungsbereich wie beispielsweise Betätigungsvorrichtungen, Schalten, Pumpen, Lautsprecher, Sensoren, Schalter, Hydrophone bzw. Wassermikrofone, Hy drolautsprecher bzw. Wasserlautsprecher, adaptive Opti ken, Spiegel und Linsen mit variablem Fokus, Schwingungs vorrichtungen, Biegevorrichtungen, Beschleunigungssenso ren, Dehnmeßstreifen und Sattelkriechvorrichtungen.

Verschiedene Formen von elektroaktiven Vorrichtungen sind dem Stand der Technik bekannt. Die einfachste von diesen bekannten Vorrichtungen sind die Direktbetriebsbetäti gungsvorrichtungen, wie beispielsweise magnetostriktive Betätigungsvorrichtungen und Piezostapel, die direkte An wendung von der Abmessungsveränderung des Materials ma chen, wenn sie von einem elektrischen Feld aktiviert wer den, und zwar ohne Verstärkung der tatsächlichen Ver schiebung. Die Direktbetriebsbetätigungsvorrichtung weist eine piezoelektrische oder elektrostriktive Keramikplatte auf, die sandwichartig zwischen einem Paar von Elektroden angeordnet ist, die an deren Außenoberflächen gebildet werden. Die Vorrichtung wird im allgemeinen aus einem Ma terial gebildet, das einen ausreichend großen piezoelek trischen und/oder elektrostriktiven Koeffizienten be sitzt, um die erwünschte Spannung in der Keramikplatte zu erzeugen. Obwohl eine hohe Kraft zu sehen ist, leiden die Direktbetriebsbetätigungsvorrichtungen unter dem Nach teil, daß sie nur eine sehr kleine Verschiebung (Dehnung bzw. Spannung) bei maximal einigen Zehnteln eines Prozen tes erreichen.

Betätigungsvorrichtungen mit indirektem Betrieb bieten eine größere Verschiebung als Direktbetriebsbetätigungs vorrichtungen. Sie erreichen eine Spannungs- bzw. Deh nungsverstärkung über externe Strukturen. Ein Beispiel einer Betätigungsvorrichtung mit indirektem Betrieb ist ein Biegewandler, wie beispielsweise jener, der im US-Patent 4 999 819 offenbart wird, nun im allgemeinen be kannt als "Moonie". Biegewandler sind zusammengesetzte Strukturen, die aus einem piezoelektrischen Keramikele ment und einer Metallhülle, aus gestrecktem Plastik, Fie berglas oder einer ähnlichen Struktur zusammengesetzt sind. Die Betätigungsvorrichtungsbewegung von herkömmli chen Biegevorrichtungen tritt gewöhnlicherweise als eine Folge der Ausdehnung des piezoelektrischen Materials auf, das mechanisch mit einer verstärkten Kontraktion der Vor richtung in Querrichtung gekoppelt ist. Im Betrieb können sie eine Verschiebung um mehrere Größenordnungen größer als jene zeigen, die von den Direktbetriebsbetätigungs vorrichtungen bzw. Betätigungsvorrichtungen mit Direktbe trieb erzeugt werden.

Andere Beispiele von Betätigungsvorrichtungen mit indi rektem Biegebetrieb weisen unimorphe und bimorphe Betäti gungsvorrichtungen auf. Eine unimorphe Bauart ist eine Struktur, die aus einem einzelnen piezoelektrischen Ele ment zusammengesetzt ist, das äußerlich an eine flexible Metallfolie gebunden ist, die von dem piezoelektrischen Element stimuliert wird, wenn dieses mit einer sich ver ändernden Spannung aktiviert wird, und eine axiale Aus beulung oder Auslenkung zur Folge hat, wenn sie sich der Bewegung des piezoelektrischen Elementes entgegenstellt. Die Betätigüngsvorrichtungsbewegung für eine unimorphe Vorrichtung kann durch Kontraktion oder Expansion gesche hen. Unimorphe Vorrichtungen können eine Dehnung von bis zu 10 Prozent zeigen, können jedoch nur Lasten tragen, die geringer als ein Pfund sind.

Eine herkömmliche bimorphe Vorrichtung weist eine dazwi schenliegende flexible Metallfolie auf, die sandwichartig zwischen zwei piezoelektrischen Elementen aufgenommen ist. Die Elektroden sind mit jeder der Hauptoberflächen der Keramikelemente verbunden, und die Metallfolie ist mit den inneren zwei Elektroden verbunden. Bimorphe Vor richtungen zeigen eine größere Verschiebung als unimorphe Vorrichtungen, da unter der angelegten Spannung sich ein Keramikelement zusammenziehen wird, während sich das an dere ausdehnt. Bimorphe Vorrichtungen können Dehnungen von bis zu 20 Prozent zeigen, sie können jedoch ähnlich wie unimorphe Vorrichtungen nicht größere Lasten tragen als ein Pfund.

Obwohl die Betätigungsvorrichtungen für den indirekten Biegebetriebszustand größere Dehnungen zeigen können als Betätigungsvorrichtungen für den direkten Betriebszu stand, sinkt die Lasttragfähigkeit dieser Vorrichtungen, wenn die Dehnung steigt, was sehr kleine Lasttragefähig keiten zur Folge hat. Das US-Patent 5 471 721 offenbart eine vorgespannte unimorphe Vorrichtung, die im allgemei nen als "RAINBOW" bekannt ist, was ein Akronym für Redu ced And INternally Biased Oxide Wafer ist. Bei der RAINBOW-Vorrichtung wird eine erste Oberfläche eines Wafers eine metallische/leitende reduzierte Form des Keramikma terials. Zusätzlich ist der Wafer konkav geformt, und zwar aufgrund (1) der Volumenschrumpfung des reduzierten Materials mit Bezug auf das nicht reduzierte Material und (2) der Differenz der thermischen Ausdehnung zwischen der reduzierten Seite und der dielektrischen (unreduzierten) Seite. Als eine Folge der konkaven Form ist die reduzier te Seite unter Spannung, während die dielektrische Seite unter Druck ist, wenn ein Feld von Null angelegt wird. Der Nettoeffekt ist, daß die elektrisch aktive Seite (dielektrische Seite) des RAINBOW-Wafers unter Druck ge setzt wird, was eine wünschenswerte Konfiguration für Zu verlässigkeit, gesteigerte Polarisation, Lasttragfähig keit und lange Lebensdauer ist. Die RAINBOW-Vorrichtungen zeigen gleiche oder größere Dehnungen und halten größere Lasten als bimorphe Vorrichtungen und herkömmliche uni morphe Vorrichtungen, jedoch ist die Verbesserung der Lasttragfähigkeit immer noch wenig besser. Weiterhin ent läßt der chemische Reduktionsprozeß zur Herstellung der RAINBOW-Betätigungsvorrichtungen Dämpfe, wie beispiels weise Bleidämpfe, vom Wafer in die Atmosphäre.

In jüngster Zeit hat die NASA andere vorgespannte unimor phe Vorrichtungen entwickelt, die nun allgemein bekannt sind als "THUNDER" was ein Akronym ist für THin layer composite UNimorph ferroelectric Driver and sEnsoR. THUNDER ist eine Kompositstruktur, die aus einer piezoelek trischen PZT-Keramiklage besteht (PZT = Bleizirkontita nat) die auf ihre zwei Hauptflächen elektroplatiert ist. Eine vorgespannte Metallage haftet auf der elektropla tierten Oberfläche auf mindestens einer Seite der Kerami klage durch eine Adhäsiv- bzw. Klebelage an, die die NASA "LaRC-SI®" nennt. Während der Herstellung der THUNDER- Betätigungsvorrichtung wird die Keramiklage, die Adhäsiv- bzw. Klebelage und die erste Vorspannungslage gleichzei tig auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Klebe mittels aufgeheizt und kann darauffolgend abkühlen, wo durch die Klebelage sich wieder verfestigt und setzt. Während des Kühlprozesses wird die Keramiklage gedehnt, und zwar aufgrund der höheren thermischen Kontraktions koeffizienten der vorgespannten Metallage und der Klebe lage im Vergleich zur Keramiklage. Auch aufgrund der grö ßeren thermischen Kontraktion des Laminatmaterials im Vergleich zur Keramiklage verformt sich die Keramiklage in einer Bogenform mit einer normalen konkaven Stirnsei te.

Die THUNDER-Vorrichtung erzeugt erwiesenermaßen eine be trächtlich größere Ausgangsverformung für eine gegebene Spannungseingabe als dies frühere ferroelektrische oder ferrostriktive Vorrichtungen tun. Die THUNDER-Vorrichtung zeigt jedoch immer noch eine nur geringere Verbesserung der Lasttragfähigkeit. Die NASA schlägt vor, daß für ge wisse Anwendungen, die eine größere mechanische Ausgangs kraft erfordern, als von einer einzigen piezoelektrischen Vorrichtung geliefert werden kann, zwei oder mehr Vor richtungen in einer Konfiguration von "ineinander liegen den Löffeln" angeordnet werden können. Eine Anordnung von drei THUNDER-Vorrichtungen hätte eine einzige piezoelek trische Vorrichtung zur Folge, die diskret an eine zweite einzelne piezoelektrische Vorrichtung durch eine Verbin dungslage gebunden wäre, wie beispielsweise durch ein Ad häsivelastomer, die dann mit einer dritten einzelnen pie zoelektrischen Vorrichtung verbunden wäre, und zwar durch eine weitere Verbindungslage, was somit elektrisch eine Vorrichtung von der anderen isoliert. Jede einzelne Vor richtung wird unabhängig vor dem Stapeln mit den anderen Vorrichtungen hergestellt und weist eine einzelne aktive piezoelektrische Keramiklage auf, und zwar mit abgelager ten Elektrodenlagen auf gegenliegenden Oberflächen, mit einer vorspannenden Adhäsivlage benachbart zu einer Elek trodenlage und einem optionalen Verstärkungsmaterial be nachbart zur Adhäsivlage. Jede Keramiklage hat eine Elek trodenlage mit positiver Polarität und eine Elektrodenla ge mit negativer Polarität, die damit assoziiert ist, so daß wenn sie gestapelt werden, die Verbindungslage nötig ist, um ungleiche Pole voneinander zu isolieren. Obwohl die gestapelten THUNDER-Vorrichtungen eine höhere Ver schiebung und Kraftfähigkeiten zeigen als frühere Vor richtungen, werden diese Vorrichtungen nur lose gestapelt und erfordern eine große Anzahl von Elektroden (zwei pro Vorrichtung) mit einer Isolation dazwischen.

Es ist bekannt, daß die Kuppelhöhe bei thermisch vorge spannten Biegebetätigungsvorrichtungen mit dickeren Lami natlagen weniger empfindlich auf Veränderungen der Tempe ratur ist, als bei dünneren Lagen. Eine dünnere Kerami klage jedoch erfordert eine höhere Spannung zum Erreichen des gleichen elektrischen Feldes wie eine dünnere Kerami klage. Dies stellt einen weiteren Nachteil von der derar tigen Betätigungsvorrichtungen, wie beispielsweise RAINBOW und THUNDER dar.

Offenbarung der Erfindung

Während die Erfindung in Verbindung mit gewissen Ausfüh rungsbeispielen beschrieben wird, wird klar sein, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele einge schränkt ist. Im Gegensatz dazu umfaßt die Erfindung alle Alternativen, Modifikationen und äquivalente Ausführun gen, wie sie innerhalb des Kerns und Umfangs der vorlie genden Erfindung liegen.

Ein Verfahren zur Erzeugung einer piezoelektrischen Betä tigungsvorrichtung aus mehreren piezoelektrischen Lagen in einer integral gebundenen Laminatstruktur wird vorge sehen. Abwechselnde Lagen von elektrisch aktivem Keramik material und leitenden oder nicht leitenden Substratmate rial werden mit Lagen von leitenden oder nicht leitenden thermisch aktiviertem Klebemittel dazwischen gestapelt. Die gestapelte Lagen werden aufgeheizt, um das Klebemit tel dazwischen fließen zu lassen, und werden darauf fol gend abgekühlt, um eine integrale Bindung der Lagen zu bewirken und eine Kuppelbildung der gestapelten Vorrich tung. Die Bildung einer gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung tritt simultan mit der Verbindung und der Spannung der einzelnen Lagen auf, und zwar im Gegensatz zu der anfänglichen Formgebung von mehreren vorgespannten unimorphen Vorrichtungen und dem darauf folgenden Verbin den der getrennten Vorrichtungen miteinander.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei Bezug genommen auf die beigefügte Zeichnung, in der die Figur eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispie les einer einzigen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit drei integral gebundenen aktiven piezoelektrischen Lagen ist.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf die Figur ist eine piezoelektrische Vor richtung der vorliegenden Erfindung, die im allgemeinen bei 30 gezeigt ist, als ein Laminat mit mehreren Lagen gezeigt, und zwar mit einer kuppelförmigen oder bogenför migen Struktur. Die Laminatvorrichtung 30 weist abwech selnde Lagen von Substratmaterial 32 und einer elektrisch aktiven oder piezoelektrischen Keramik 34 auf. Zwischen jeder abwechselnden Lage 32 und 34 ist eine Klebe- bzw. Adhäsivlage 36 der thermisch aktivierten Art. Optional kann die Laminatvorrichtung 30 eine obere Lage 38 aufwei sen, die eine dünne Spannungsentlastungslage ist. Die La gen, die die Laminatvorrichtung 30 bilden, können kreis förmig, rechteckig, quadratisch oder in irgendeiner ande ren regulären oder unregelmäßigen Form sein, wobei kreis förmig die bevorzugte Konfiguration ist.

Das Material, das die abwechselnden Substratlagen 32 bil det, kann nahezu irgendein Material sein, wie beispiels weise Fiberglas, Beryllium, Kupfer, Graphit, rostfreier Stahl, usw. Die Substratlagen 32 können so sein, daß sie eine Verstärkung für die Laminatstruktur vorsehen. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wer den die Substratlagen 32 aus einem leitenden Material ge bildet, wie im folgenden genauer besprochen wird.

Das Material, das die abwechselnden aktiven Lagen 34 bil det, kann irgendein aktives Keramikmaterial sein, wie beispielsweise piezoelektrische, elektrostriktive oder andere ferroelektrische Keramiken. Der Keramikwafer 34 kann optional mit einer dünnen (nicht gezeigten) leiten den Metallbeschichtung vorgesehen werden, und zwar auf entgegenweisenden Oberflächen 40a und 40b, die falls nö tig, als Elektroden wirken können, wie genauer im folgen den beschrieben. Die dünnen Metallagen werden typischer weise durch Vakuummetallisierung bzw. Vakuummetallauf dampfung aufgebracht. Beispielsweise könnten solche dün nen Metallagen Nickel, Silber, Kupfer, Aluminium, Zinn, Gold, Chrom oder Legierungen davon aufweisen, sind jedoch nicht auf diese eingeschränkt.

Die Adhäsivlagen 36, die zwischen den abwechselnden Lagen 32 und 34 aufgebracht werden, weisen irgendein thermisch aktiviertes Klebemittel auf. Wenn die gestapelten Lagen 32, 34, 36 und optional 38 auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizt werden, beginnen die Klebelagen 36 zu fließen. Bei der Abkühlung der Lagen auf die Umgebungstemperatur wird eine Lage mit der nächsten durch eine Adhäsiv- bzw. Klebelage 36 verbunden, um eine integral gebundene aus mehreren Lagen bestehende Laminatvorrichtung 30 zu for men. Die Temperatur, auf die die Lagen aufgeheizt werden müssen, um das Klebemittel zu aktivieren, hängt von dem speziell verwendeten Klebemittel ab, ist jedoch typi scherweise im Bereich von ungefähr 100°C bis ungefähr 300°C. Thermisch eingestellte Epoxydharze erfordern typi scherweise eine Aufheizung am unteren Ende dieses Berei ches, während Heißschmelzthermoplasten die höheren Akti vierungstemperaturen erfordern.

Bei einem weiteren Merkmal der Vorrichtung der vorliegen den Erfindung wird die mechanische Spannung automatisch auf die Lagen aufgeprägt, und zwar als ein Ergebnis der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, die die mehrlagige Vorrichtung 30 bilden, da die Lagen mit unterschiedlichen Raten auf die Umge bungstemperatur abkühlen, was den Kuppelbildungseffekt verursacht, wie in der Figur gezeigt.

Abhängig von der Polarität der Spannung, die angelegt wird, wird bewirkt, daß sich die piezoelektrische Vor richtung 30 in Längenrichtung ausdehnt oder zusammen zieht, wie von den Pfeilen in der Figur gezeigt. Die Spannung wird angelegt durch Verbindung einer (nicht ge zeigten) Spannungsquelle mit Elektroden innerhalb der Vorrichtung 30.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie in der Figur abgebildet, bestehen die Substratlagen 32 aus leitendem Material und sind so polarisiert, daß sie als die Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den aktiven Lagen 34 funktionieren können. Zu diesem Zweck ist jede andere Substratlage 32 umgekehrt gepolt, so daß die Substratlagen 32 sich zwischen positi ver und negativer Polarität abwechseln. Diese Substratla gen 32 mit abwechselnder Polarität sind an die aktiven Lagen 34 durch ein leitfähiges Klebe- bzw. Adhäsionsmit tel 36 gebunden, so daß beim Anlegen der Spannung ein elektrisches Feld von den Elektrodensubstratlagen 32 auf gebracht wird, und zwar durch das Klebemittel 36 und durch die optionalen dünnen Metallagen auf die elektrisch aktiven Keramiklagen 34. Wie in der Figur gezeigt, ver wenden benachbarte aktive Keramiklagen 34 gemeinsam eine Zwischenelektrodensubstratlage 32, wobei somit eine Elek trodenlage dazwischen eliminiert wird, beispielsweise im Vergleich zu den gestapelten oben beschriebenen THUNDER- Vorrichtungen des Standes der Technik. Die gemeinsame Verwendung von Elektroden und abwechselnde Polarität eli miniert auch die Notwendigkeit zur Isolation einer Lage zwischen ungleichen Elektroden, wie in den gestapelten THUNDER-Vorrichtungen.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung können die dünnen leitenden Metallbeschich tungen, die auf den entgegenweisenden Oberflächen 40a, 40b der Keramiklagen 34 aufgebracht werden, als die Elek troden zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den akti ven Lagen 34. Zu diesem Zweck kann jede der Oberseiten 40a mit einer positiven Polarität versehen werden, und jede der Unterseiten 40b kann im Gegensatz dazu mit einer negativen Polarität versehen werden. Ein nicht leitendes Substratmaterial 32 und/oder ein nicht leitendes Klebe- bzw. Adhäsionsmittel 36 kann dann verwendet werden, um zwischen den gestapelten ungleichen Polen der Oberseite 40a von einer aktiven Lage 34 und der Unterseite 40b von einer benachbarten aktiven Lage 34 zu isolieren. Auch zu diesem Zwecke können abwechselnde aktive Lagen 34 die dünnen Metallelektroden Lagen haben, die einer umgekehr ten Polung unterworfen sind, so daß sich gleiche Pole einander zwischen den benachbarten aktiven Lagen 34 ge genüberliegen, was somit die Notwendigkeit zur Isolation dazwischen eliminiert. Folglich können die Klebelagen 36 und die Substratmaterialien 32 aus leitenden oder nicht leitenden Materialien aufgebaut sein.

Um die integral gebundene laminierte piezoelektrische Vorrichtung 30 der vorliegenden Erfindung herzustellen, wird ein Stapel aus sich wiederholenden Lagen von Substratmaterial 32, der Klebe- bzw. Adhäsivlage 36, der aktiven Keramiklage 34, der Klebelage 36 geformt. Die An zahl der sich wiederholenden Lagen hängt von der er wünschten Kraft bei der letztendlichen Betätigungsvor richtung 30 ab. Der Stapel kann mit einer dünnen Span nungsableitungslage 38 abgeschlossen bzw. bedeckt werden, falls erwünscht. Die gestapelten Materialien werden dann alle auf eine erhöhte Temperatur gebracht, bei der die Klebelagen 36 beginnen, zu fließen, wobei die Temperatur von dem speziell verwendeten Klebe- bzw. Adhäsivmaterial abhängig ist und typischerweise im Bereich von ungefähr 100°C bis ungefähr 300°C liegt.

Die gesamte gestapelte Anordnung wird dann langsam auf Umgebungstemperatur abgekühlt, wodurch sich das Klebemit tel erneut setzt und das gestapelte Material miteinander verbindet. Die Differenz der thermischen Ausdehnungskoef fizienten der Materialien wird eine leichte Kuppelbildung der Betätigungsvorrichtung während des Abkühlens bewirken und große innere Spannungen zur Folge haben. Wenn die Substratlagen leiten, wird jede andere Lage umgekehrt ge polt, und die Substratlagen 32 sind mit einer Spannungs quelle verbunden. Alternativ sind die dünnen Metallagen auf den entgegenweisenden Oberflächen der aktiven Kerami klagen mit einer Spannungsquelle verbunden, und wenn die Substratlagen 32 nicht leiten, wird jede weitere bzw. folgende aktive Lage einer umgekehrten Polung der dünnen Metallelektrodenlagen unterworfen.

Ein typischer Stapel von unimorphen Betätigungsvorrich tungen des Standes der Technik weist mehrere laminierte Scheiben auf, wobei jede Scheibe eine einzige piezoelek trische Lage besitzt, wobei jede Scheibe ein Klebe- bzw. Adhäsivmittel besitzt, eine Isolierlage, die sie mit der nächsten Scheibe verbindet, wie bei den gestapelten THUNDER-Vorrichtungen der Fig. 1. Bei der vorliegenden Er findung werden mehrfache piezoelektrische Lagen anfäng lich miteinander verbunden, um eine einzige integral ge stapelte Vorrichtung zu formen. Eine Vorrichtung der vor liegenden Erfindung mit mehreren piezoelektrischen Lagen von gleicher Dicke wie bei einer THUNDER-Betätigungsvor richtung mit mehreren gestapelten Scheiben wird eine dün nere Vorrichtung bilden. Aufgrund der mehrfachen Laminat lagen der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung weiterhin weniger empfindlich auf Temperaturveränderungen sein, während sie immer noch die niedrige Betriebsspan nung einer Vorrichtung mit dünneren Lagen bietet.

Industrielle Anwendbarkeit

Mit Bezug auf die Zeichnungen und im Betrieb wird eine einzige piezoelektrische gestapelte Vorrichtung aus sich wiederholenden Lagen von Substratmaterial 32, einer Adhä siv- bzw. Klebelage 36, einer aktiven Keramiklage 38 und einer Klebelage 36 geformt. Der Stapel kann mit einer dünnen Spannungsentlastungslage 38 bedeckt werden, falls erwünscht. Die gestapelten Materialien werden dann auf eine ausreichende Temperatur aufgeheizt, um zu bewirken, daß die Klebelagen 36 fließen. Die gesamte gestapelte An ordnung wird dann langsam auf Umgebungstemperatur abge kühlt, wodurch sich das Klebemittel setzt und integral die gestapelten Materialien miteinander verbindet. Die unterschiedlichen thermischen Kompressionsraten der Mate rialien, die die Vorrichtung aufbauen, wird eine gering fügige Kuppelbildung der Betätigungsvorrichtung während des Abkühlens bewirken und große innere Spannungen zur Folge haben. Somit wird eine gestufte Biegebetätigungs vorrichtung durch simultane Laminierung von einer Viel zahl von piezoelektrischen Lagen und Substratlagen zu ei ner integral gebundenen Struktur geformt, im Gegensatz zu den piezoelektrischen Stapeln des Standes der Technik, die individuelle piezoelektrische Vorrichtungen mit ein zelaktiven Lagen aufweisen, die getrennt in Tandemanord nung miteinander verbunden sind, wobei jede einzelne Vor richtung elektrisch von den benachbarten Vorrichtungen in dem Stapel isoliert ist.

In dem Fall, daß die Substratlagen leitend sind, kann je de nächste Lage umgekehrt gepolt sein, und die Substrat lagen 32 sind mit einer Spannungsquelle verbunden. Alter nativ sind dünne Metallagen auf den sich entgegen weisen den Oberflächen 40a, 40b der aktiven Keramiklagen 34 mit einer Spannungsquelle verbunden. In dem Fall, daß die Substratlagen 32 nicht leitend sind, ist jede andere bzw. nächste aktive Lage 34 einer umgekehrten Polung der dün nen Metallelektrodenlagen unterworfen, so daß gleiche Po le zueinander hinweisen.

Beim Anlegen einer Spannung an den Elektroden wird ein elektrisches Feld an den piezoelektrischen Lagen aufge bracht, was eine Expansion oder Kontraktion der Lagen mit einer großen Dehnung (Auslenkung) bewirkt, und zwar ähn lich jener, die von den vorgespannten unimorphen Vorrich tungen mit indirekter Betriebsweise erzeugt werden, und auch mit einer großen Kraftausgabe ähnlich jener, die von den Betätigungsvorrichtungen mit direktem Betrieb erzeugt werden, und zwar mit geringer thermischer Empfindlich keit. Somit zeigen im Gebrauch die piezoelektrischen Be tätigungsvorrichtungen eine Kombinationen von Kraftvor teilen in einer gestapelten Konstruktion mit den Ausdeh nungs- bzw. Verschiebungsvorteilen der Biegebewegung, die mit unimorphen und bimorphen Vorrichtungen assoziiert sind.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Er findung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Of fenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Vor richtungen, das folgende Schritte aufweist:
Stapeln von sich abwechselnden Lagen eines Substrat material und einer elektrisch aktiven Keramik mit einer thermisch aktivierten Adhäsiv- bzw. Klebelage zwischen jeder abwechselnden Lage, wobei zumindest eine der abwechselnden Lagen mit einer Spannungs quelle zu verbinden ist, um ein elektrisches Feld mit mindestens einer elektrisch aktiven Keramiklage vorzusehen;
Aufheizung der abwechselnden und adhäsiven bzw. an haftenden Lagen zur Aktivierung der Klebelagen; und Abkühlung der abwechselnden Klebelagen,
wodurch die Aufheiz- und Kühlschritte simultan die gestapelten Lagen miteinander verbinden, um ein in tegral gebundenes Laminat mit einer Vielzahl von elektrisch aktiven Keramiklagen zu bilden, und wodurch die Aufheiz- und Kühlschritte Spannungen in die Lagen einleiten, um eine Kuppelbildung des Lami nates zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substratmateri al und das Adhäsiv- bzw. Klebematerial elektrisch leitend sind, wobei es weiter eine umgekehrte Polung von jeder anderen bzw. nächsten Substratmateriallage aufweist, wodurch die Substratmateriallagen sich zwischen positiver und negativer Polarität abwech seln, und wodurch zwei benachbarte Substratmate riallagen mit einer Spannungsquelle zu verbinden sind, um ein elektrisches Feld an einer dazwischen liegenden elektrisch aktiven Keramiklage vorzusehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrisch ak tiven Keramiklagen sich entgegenweisende Oberflä chenelektroden aufweisen, die mit einer Spannungs quelle zu verbinden sind, um ein elektrisches Feld bei den elektrisch aktiven Keramiklagen vorzusehen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Substratmate riallagen und Klebelagen leitend sind, wobei es wei ter die umgekehrte Polung der sich entgegenweisenden Oberflächenelektroden von jeder nächsten elektrisch aktiven Keramiklage aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Substratmate riallagen und Klebelagen nicht leitend sind, und wo bei die sich entgegenweisenden Oberflächenelektroden ähnlich wie jede elektrisch aktive Keramiklage ge polt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrisch ak tive Keramik ein piezoelektrisches Material ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrisch ak tive Keramik ein elektrostriktives Material ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter das Anordnen einer Spannungsentlastungslage auf den gestapelten Lagen vor dem Aufheizen aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Aufheizschritt die Aufheizung der Lagen auf eine Temperatur von un gefähr 100°C bis ungefähr 300°C aufweist.

10. Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die folgen des aufweist:
abwechselnde Lagen von leitendem Substratmaterial und eine elektrisch aktive Keramik, wobei jede ab wechselnde Lage an der nächsten mit einer dazwischen liegenden leitenden thermisch aktivierten Klebelage anhaftet, um ein gebundenes Laminat zu formen,
wobei die leitenden Substratlagen sich zwischen po sitiver und negativer Polarität abwechseln, so daß die Substratlagen Elektroden sind, die ein elektri sches Feld für jede der Keramiklagen vorsehen kön nen.

11. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die elektrisch aktive Keramik ein piezoelektrisches Ma terial ist.

12. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrisch aktive Keramik ein elektrostriktives Ma terial ist.

13. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das gebundene Laminat weiter eine oben liegende Span nungsentlastungslage aufweist.

14. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das gebundene Laminat eine bogenförmige Struktur hat.

15. Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die folgen des aufweist:
sich abwechselnde Lagen von leitendem Substratmate rial und einer elektrisch aktiven Keramik mit sich entgegenweisenden Oberflächenelektroden, wobei jede sich abwechselnde Lage an der nächsten mit einer da zwischenliegenden leitenden thermisch aktivierten Adhäsiv- bzw. Klebelage anhaftet, um ein gebundenes Laminat zu bilden,
wobei jede Keramiklage eine gegenüberliegende Ober flächenelektrode von positiver Polarität und eine gegenüberliegende Oberflächenelektrode von negativer Polarität besitzt, wobei jede mit einer Spannungs quelle zu verbinden ist, um dadurch ein elektrisches Feld an jeder der Keramiklagen vorzusehen.

16. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Substratmaterial und/oder das Klebemittel nicht lei tend ist, und wobei die gegenüberliegenden Oberflä chenelektroden für jede elektrisch aktive Keramikla ge ähnlich gepolt sind.

17. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Substratmaterial und das Klebemittel leitend sind, und wobei die gegenüberliegenden Oberflächenelektro den für jede andere bzw. nächste elektrisch aktive Keramiklage umgekehrt gepolt sind.

18. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die elektrisch aktive Keramik ein piezoelektrisches Ma terial ist.

19. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die elektrisch aktive Keramik ein elektrostriktives Ma terial ist.

20. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das gebundene Laminat weiter eine oben liegende Span nungsentlastungslage aufweist.

21. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das gebundene Laminat eine bogenförmige Struktur hat.