DE102004047696B4 - Piezoelektrischer Biegewandler - Google Patents

Abstract

Piezoelektrischer Biegewandler, mit einer Trägerschicht (2), auf der zumindest eine piezokeramische Schicht (3) aufgebracht ist, wobei die piezokeramische Schicht (3) zwischen Kontaktelektroden (4, 5) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– der spezifische Widerstand der piezokeramischen Schicht (3) in einer Größenordnung von 1·10⁸ Ωm bis 1·10¹⁰ Ωm liegt, und
– ein Aktoransteuermittel (6) zum Anlegen einer Ansteuerspannung an die Kontaktelektroden (4, 5) vorgesehen ist und die maximale Ansteuerspannung derart gewählt wird, dass in dem Piezokeramikaktor die maximale mechanische Spannung unterhalb der Koerzitivspannung liegt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischer Biegewandler, mit einer Trägerschicht, auf der zumindest eine Aktorschicht, insbesondere eine piezokeramische Schicht aufgebracht ist, wobei die Aktorschicht zwischen Kontaktelektroden angeordnet ist.
• Es sind Festkörperaktoren und insbesondere piezokeramische Aktoren bekannt, die im einfachsten Fall aus dem Verbund eines Aktormaterials und einer Trägerschicht oder aus einer Vielzahl von beispielsweise gefügten Scheiben aus piezokeramischem Material zusammengesetzt sind. Durch das beidseitige Aufbringen von Kontaktelektroden auf die Aktorschicht bzw. Aktorschichten und das Anlegen einer Spannung an die Kontaktelektroden kann ein elektrisches Feld zwischen diesen aufgebaut werden, so dass auf das piezokeramische Material ein elektrisches Feld einwirkt, das dazu führt, dass das piezokeramische Material eine Längenänderung erfährt.
• Ein piezokeramischer Festkörperaktor in monolithischer Vielschichtbauweise geht beispielsweise aus DE 196 15 695 D1 hervor.
• Der Festkörperaktor kann beispielsweise als piezoelektrischer Biegewandler ausgebildet sein, wie er in der gattungsgemäßen DE 100 17 760 C1 beschrieben ist. Bei diesem im einfachsten Fall als Bimorph bezeichneten Verbund ist die piezokeramische Aktorschicht auf einer nicht-piezoelektrischen bzw, nicht angesteuerten piezoelektrischen Trägerschicht angeordnet, wobei die Aktorschicht in der Regel aus einer PZT-Keramik, das ist dotiertes Bleizirkonattitanat, hergestellt ist. Biegewandler sind üblicherweise einseitig eingespannt, wobei die an dem freien Ende des Festkörperaktors erzeugte Kraft oder Auslenkung als aktorische Eigenschaft genutzt wird. Wird der Biegewandler mit einem elektrischen Feld in Dickenrichtung angesteuert, so ver kürzt sich der Wandler in seiner Querrichtung, wodurch er an seiner Spitze in Richtung der Aktorschicht auslenkt.
• Darüber hinaus sind weitere piezoelektrische Biegewandler bekannt, die sich im Design, in der Art ihres Aufbaus, in der Auswahl des Trägermaterials und anderen Kriterien unterscheiden können. Als Trimorphs bezeichnete Festkörperaktoren bestehen beispielsweise aus zwei piezoelektrischen Aktorschichten, welche mit der Trägerschicht als Mittellage verbunden sind und z.B. wechselseitig angesteuert werden. Darüber hinaus sind auch Multilayer-Biegewandler bekannt, die keine Trägerschicht aufweisen und allein aus einer Vielzahl an piezokeramischen Aktorschichten bestehen. Bei diesen wird jeweils nur eine Hälfte elektrisch angesteuert, um eine Ausbiegung zu erzeugen.
• Aus US 5 796 206 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kontrolle eines piezokeramischen Aktors bekannt. Dabei geht es darum, durch die Beeinflussung verschiedener Parameter, beispielsweise die angelegte Spannung oder die Temperatur, bei der der Aktor betrieben wird, das Auftreten von Rissen oder Brüchen in der Piezokeramik zu vermeiden.
• Die Offenlegungsschrift DE 1 806 082 A1 beschäftigt sich mit einem bestimmten piezokeramischen Material, nämlich dem System Blei-Magnesium-Niob-Zirkonat-Titanat (Pb(Mg_1/3Nb_2/3)_xTi_yZr_zO₃. Dieses Material zeigt halbleitende Eigenschaften.
• Den oben beschriebenen Biegewandlern ist es gemeinsam, dass sie nach einer schnellen, elektrischen Ansteuerung über die Kontaktelektroden eine sofortige, im zeitlichen Verlauf durch die Resonanzfrequenz bestimmte Aktorantwort aufweisen, danach jedoch zusätzlich ein starkes Kriechverhalten zeigen, so dass die Auslenkung bzw. die Kraft über einen langen Zeitraum weiter ansteigen. Dabei kann der Betrag des „Nachkriechens" bis zu 20% der Gesamtauslenkung des Biegewandlers erreichen. Die Dauer des Nachkriechens kann bei entsprechender Ansteuerung Stunden oder auch Tage betragen. In der Praxis besteht hierbei der Nachteil, dass das Kriechen beim Anlegen sowie beim Abschalten einer elektrischen Spannung an die Kontaktelektroden als zusätzliche Toleranz eingeplant werden muss. Als nutzbarer Auslenkungs- oder Krafthub wird deshalb in der Regel nur der kurzzeitige, sofortige Hub ohne zusätzliches Kriechen verwendet.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen piezoelektrischen Biegewandler anzugeben, welcher die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest nur in einem verringerten Maße aufweist.
• Die Aufgabe wird durch piezoelektrische Biegewandler mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
• Es hat sich gemäß einer Variante der Erfindung überraschenderweise herausgestellt, dass das Phänomen des Kriechens signifikant verringert werden kann, wenn die elektrische Leitfähigkeit des die Aktorschicht bildenden Materials gegenüber den üblicherweise verwendeten Materialien, wie z.B. Bleizirkonattitanat (PZT) erhöht bzw. der spezifische Widerstand verringert wird. Erfindungsgemäß liegt der spezifische Widerstand einer solchen Aktorschicht, die insbesondere als piezokeramische Schicht ausgebildet ist, in einer Größenordnung von 1·10⁸ Ωm bis 1·10¹⁰ Ωm liegt. Der spezifische Widerstand einer erfindungsgemäßen Aktorschicht liegt damit um einige Zehnerpotenzen unterhalb des spezifischen Widerstandes für eine typische piezokeramische Schicht. So beträgt der spezifische Widerstand von Weich-PZT ungefähr 1·10¹² Ωm.
• Der durch die Erhöhung der Leitfähigkeit erzielbare Vorteil besteht darin, dass der bei einem konventionellen piezoelektrischen Biegewandler erreichbare Hub oder die erreichbare Auslenkung einschließlich der durch den Kriechvorgang erzielbaren Auslenkung in einer erheblich kürzeren Zeit realisier bar ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass mit dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandler – verglichen mit bisherigen piezoelektrischen Biegewandlern – die gleiche Auslenkung in kürzerer Zeit erzielbar ist, so dass der piezoelektrische Biegewandler mit höheren Taktraten betrieben werden kann. Dies hat einerseits zur Folge, dass als nutzbarer Auslenkungs- oder Krafthub nicht nur der kurzzeitige Hub ohne den zusätzlichen Kriechvorgang, sondern der physikalisch mögliche Hub des piezoelektrischen Biegewandlers verwendet werden kann. Hierdurch vereinfacht sich die Ansteuerung des piezoelektrischen Biegewandlers, da nunmehr das Kriechen beim Anlagen sowie beim Abschalten einer elektrischen Spannung nicht mehr als zusätzliche Toleranz eingeplant werden muss.
• Die gleichen Vorteile lassen sich mit einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandlers erzielen, bei dem ein Aktoransteuermittel zum Anlegen einer Ansteuerspannung an die Kontaktelektroden vorgesehen ist und bei dem die maximale Ansteuerspannung derart gewählt wird, dass in dem piezoelektrischen Biegewandler die maximale mechanische Spannung unterhalb der Koerzitivspannung liegt. Die mechanischen Spannungen liegen bei den in der Regel eingesetzten piezokeramischen Materialien im Bereich der so genannten Koerzitivspannungswerte, bei welchen ein maximales Domänenschalten unter dem Einfluss der mechanischen Spannungen auftritt. Dies wird als so genanntes „ferroelastisches Verhalten" bezeichnet. Dieser zweiten Variante liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass das Kriechen zumindest teilweise durch Domänenschalten oder ferroelastische Prozesse in denjenigen Bereichen des Biegers verursacht wird, in denen die mechanischen Spannungen das Koerzitivspannungsniveau erreichen. Es ist bekannt, dass die mechanischen Spannungen längs der Dicke einer Aktorschicht variieren, während sie in dessen Längsrichtung konstant sind. Die Domänenschaltprozesse sind Keimbildungs- und -wachstumsprozesse und sind durch einen gewissen Zeitbedarf gekennzeichnet. Durch Vermeiden des ferro-elastischen Domänenschaltens wird die Aktivität, d.h. die Biegung, des piezoelektrischen Biegewandlers nicht verzögert.
• Die oben beschriebenen Vorteile der Erfindung lassen sich auch durch einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandler erzielen, bei dem die gemäß der ersten und der zweiten Variante beschriebenen Merkmale miteinander kombiniert sind. Demgemäß zeichnet sich der erfindungsgemäße piezoelektrische Biegewandler gemäß der dritten Variante dadurch aus, dass der spezifische Widerstand der Aktorschicht in einer Größenordnung von 1·10⁸ Ωm bis 1·10¹⁰ Ωm liegt und ein Aktoransteuermittel zum Anlegen einer Ansteuerspannung an die Kontaktelektroden vorgesehen ist und die maximale Ansteuerspannung derart gewählt wird, dass in dem piezoelektrischen Biegewandler die maximale mechanische Spannung unterhalb der Koerzitivspannung liegt.
• Ein mit den obigen Merkmalen versehener piezoelektrischer Biegewandler stellt in einer bevorzugten Ausgestaltung einen piezoelektrischen Biegewandler dar, der mit einem Ende an oder in einem Befestigungsmittel angeordnet ist, so dass lediglich das andere Ende eine Auslenkung erfahren kann.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Zusammenhang zwischen der Ansteuerspannung und der mechanischen Spannung in dem piezoelektrischen Biegewandler durch eine Berechnung ermittelt oder ist in einer Tabelle, z.B. in dem Aktoransteuermittel, gespeichert.
• Die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Materials der Aktorschicht lässt sich gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung durch zusätzliches Dotieren des Aktormaterials mit ein-, zwei- oder dreiwertigen Kationen erzielen. Als Aktor-Ausgangsmaterial wird Bleizirkonattitanat bevorzugt. In einer Ausgestaltung führen die einwertigen Kationen auf dem A-Platz der Perkoswit-Zelle zu einer Akzeptor-Dotierung. In einer anderen Ausgestaltung führen die zwei- oder dreiwertigen Kationen auf dem B-Platz der Perkoswit-Zelle auch zur Akzeptor- Dotierung. Denkbar ist auch eine Kombination der beiden genannten Möglichkeiten der Akzeptor-Dotierung.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist der piezoelektrische Biegewandler als sogenannter Trimorph ausgebildet, bei dem die Trägerschicht zwischen zwei Aktorschichten angeordnet ist.
• In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Trägerschicht als Aktorschicht, insbesondere piezokeramische Schicht, ausgebildet, so dass der piezoelektrische Biegewandler einen Vielschichtaktor aus wenigstens zwei Aktorschichten darstellt.
• In einer anderen Ausgestaltung kann der piezoelektrische Biegewandler eine Vielzahl an Aktorschichten zur Ausbildung eines Vielschichtaktors aufweisen, wobei die im Inneren des Schichtstapels angeordneten Kontaktelektroden durch das Ansteuermittel ebenfalls zur Ausbildung von Äquipotentialflächen angesteuert werden. Die elektrisch gut leitenden, im Inneren des Schichtstapels angeordneten Elektroden sind vorzugsweise aus Silber oder einer Silberlegierung ausgebildet und fungieren dabei als Äquipotentialflächen, so dass diese einen signifikanten Teil der elektrischen Feldverteilung durch entsprechende Ladungen kompensieren. Darüber hinaus diffundiert das Silber der Elektroden in die benachbarten piezokeramischen Aktorschichten, wodurch weitere freie Ladungsträger in der Keramik vorhanden sind, so dass die sich die Leitfähigkeit vorteilhafterweise weiter erhöht. Dieser Effekt ist aufgrund des Vorhandenseins einer Vielzahl an Elektroden besonders ausgeprägt. Ein solchermaßen ausgestalteter Vielschichtaktor weist gegenüber den bislang im Stand der Technik verwendeten piezoelektrischen Biegewandlern die gleichen Vorteile auf, wie sie eingangs beschrieben wurden. Insbesondere ist eine signifikante Reduktion des Kriechvorganges zu beobachten.
• In einer Ausgestaltung weisen die Aktorschichten des Vielschichtaktors eine Dicke im Bereich zwischen 10 μm bis 30 μm, insbesondere 20 μm, auf. Ein Vielschichtaktor mit Aktorschichten der genannten Schichtdicke ist in seiner Gesamtdicke gegenüber den bekannten Vielschichtaktoren unverändert. Mit anderen Worten bedeutet dies somit, dass ein erfindungsgemäßer Vielschichtaktor eine entsprechend größere Anzahl an einzelnen Aktorschichten aufweist, da die Dicken konventioneller Aktorschichten im Bereich von 80 μm und darüber liegen.
• Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandlers werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
• 1 einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandler, der als bimorpher Biegewandler ausgebildet ist,
• 2 ein Diagramm, das die Längenänderung der Schichten des in 1 dargestellten piezoelektrischen Biegewandlers längs der z-Achse zeigt,
• 3 ein Diagramm, welches die mechanische Spannung längs der z-Achse des in 1 dargestellten P piezoelektrischen Biegewandlers zeigt,
• 4 ein Diagramm, das die Auslenkung eines piezoelektrischen Biegewandlers infolge eines Ansteuersignals bei unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten der Aktorschicht des piezoelektrischen Biegewandlers darstellt,
• 5 ein Diagramm, welches eine erfindungsgemäße Ansteuerung eines piezoelektrischen Biegewandlers zeigt, und
• 6 einen erfindungsgemäßen Vielschichtaktor im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Vielschichtaktor.
• In 1 ist ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Biegewandler 1 im Querschnitt dargestellt. Dieser weist eine Trägerschicht 2 aus einem elektrisch isolierenden Material und eine darauf aufgebrachte Aktorschicht 3 aus einem piezokeramischen Material, z.B. Bleizirkonattitanat auf. Beidseitig der Aktorschicht 3 sind Kontaktelektroden 4, 5 angeordnet, an welche eine elektrische Spannung angelegt werden kann, so dass zwischen den Kontaktelektroden 4, 5 ein elektrisches Feld entsteht. Der mechanische Aufbau des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandlers 1 unterscheidet sich prinzipiell nicht von bekannten piezoelektrischen Biegewandlern. Zur Vermeidung eines ausgeprägten Kriechverhaltens beim Anlegen oder Abschalten der elektrischen Spannung werden gegenüber bekannten Anordnungen Änderungen an dem piezokeramischen Material sowie alternativ oder zusätzlich an der Ansteuerung des piezoelektrischen Biegewandlers 1 vorgenommen.
• Durch das Anlegen einer Spannung an die Kontaktelektroden 4, 5 dehnt sich die Aktorschicht 3 entlang ihrer z-Achse aus, während in x-Richtung eine Verkürzung auftritt, so dass sich der piezoelektrischen Biegewandler nach oben verbiegt. Die dabei im Inneren der Trägerschicht und der Aktorschicht 3 stattfindende Längenänderung Δl/l₀ ist in 2 dargestellt. Während die Trägerschicht 2 bis zum Erreichen der so genannten neutralen Faser 7 eine Dehnung erfährt, wird die Aktorschicht 3 gestaucht. Da die Materialeigenschaften der Trägerschicht 2 und der Aktorschicht 3 unterschiedlich sind, erfährt die mechanische Spannung beim Durchlaufen des Null-Punktes eine sprunghafte Änderung.
• Gemäß der in 3 dargestellten Gleichung

  

  wirkt auf den überwiegenden Bereich der Trägerschicht 2 ein Zug, wobei im Inneren der Aktorschicht 3 ein Druck ausgeübt wird. Aufgrund unterschiedlicher Young'scher Module y2 bzw. y3 ergibt sich am Übergang zwischen der Trägerschicht 2 und der Aktorschicht 3 ein Sprung in der Druckbelastung, der sich weiterhin auch in einer geänderten Steigung niederschlägt.
• Über die z-Achse ergibt sich somit eine inhomogene mechanische Spannung, welche eine inhomogene Verteilung des elektrischen Feldes in der Aktorschicht 3 zur Folge hat. Beim Anlegen einer Spannung an die Kontaktelektroden 4, 5 entsteht somit im Inneren der Aktorschicht 3 nicht ein konstantes, homogenes elektrisches Feld, sondern eine lineare Feldabhängigkeit mit parabelförmiger Potentialverteilung. Zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes müssen somit im Inneren der Aktorschicht Ladungen fließen. Dabei hat sich gezeigt, dass der auf den Ladungsausgleich zurückzuführende Teil des Kriechens sich dadurch reduzieren lässt, dass statt einer nach dem Stand der Technik möglichst isolierenden Piezokeramik eine Keramik mit höherer, aber definierter Leitfähigkeit verwendet wird. Im Rahmen weiterer Untersuchungen hat sich dabei ergeben, dass ein spezifischer Widerstand der Aktorschicht 3 in einer Größenordnung von 1·10⁸ Ωm bis 1·10¹⁰ Ωm einen ausreichend schnellen Potentialausgleich zulässt, so dass das Nachkriechen des Biegewandlers 1 aus 1 nahezu vermieden werden kann. Die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Aktorschicht um mehrer Zehnerpotenzen kann in bekannter Weise durch geringe Akzeptor-Dotierungen in dem Material der Aktorschicht erreicht werden, ohne dass gleichzeitig die übrigen piezoelektrischen Eigenschaften verschlechtert werden. Als Ausgangsmaterial für die Aktorschicht bietet sich weiterhin Bleizirkonattitanat an, bei welchem einwertige Kationen auf dem A-Platz der Perkoswit-Zelle, wie z.B. Natrium, Kupfer oder Silber, oder alternativ oder zusätzlich zwei- bzw. dreiwertige Kationen auf dem B-Platz, wie z.B. Chrom, Eisen, Mangan, dotiert sind.
• Die Auswirkungen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeiten der Aktorschichten sind in 4 dargestellt. Zu einem Zeitpunkt t₀ wird an die Kontaktelektroden 4, 5 des Piezo elektrischen Biegewandlers 1 eine Spannung angelegt. Aufgrund dieser erfolgt eine Auslenkung des Biegewandlers. Eine Aktorschicht (Keramik) mit geringer Leitfähigkeit erzeugt dabei die geringste Auslenkung. Eine Keramik mit geringer Leitfähigkeit, wie es piezoelektrische Keramiken nach dem Stand der Technik sind, erreicht zum Zeitpunkt t₁ einen Hub H₁, der sich nunmehr asymptotisch einem Entwert H₃ annähert. Der Anstieg in der Auslenkung über den Wert H₁ hinaus wird dabei als Kriechverhalten bezeichnet. Zum Zeitpunkt t₃ ist hierbei eine Auslenkung H₂ erreicht. Die maximal mögliche Auslenkung H₃ kann lediglich dann erreicht werden, wenn das Ansteuersignal seinen in der Figur gezeigten Wert beibehält. Demgegenüber weist eine Keramik mit hoher Leitfähigkeit gemäß der Erfindung die Auslenkung H₂ zum Zeitpunkt t₁ auf. Die weitere mögliche Auslenkung zwischen H₂ und H₃ ist für die Praxis irrelevant.
• Aus der gezeigten Darstellung geht hervor, dass ein Biegewandler innerhalb der gleichen Zeit eine sehr viel höhere Auslenkung erreichen kann oder alternativ bei einer geforderten Auslenkung in geringerer Zeit getaktet werden kann.
• Mit zusätzlichen freien Ladungsträgern in der Aktorschicht kann somit der Kriecheffekt eines Piezoelektrischen Biegewandlers vermindert werden. Das Kriechen kann jedoch durch einen weiteren Effekt beeinflusst werden, das so genannte Domänenschalten. Das Domänenschalten, d.h. die Richtungsänderung von Elementar-Dipolen kann sowohl elektrisch als auch mechanisch veranlasst werden. Die maximal mögliche mechanische Spannung T_max liegt dabei bei konventionellen piezokeramischen Schichten im Bereich der so genannten Koerzitivspannungswerte, bei welchen das maximale Domänen-Schalten unter dem Einfluss der mechanischen Spannungen auftritt. Dies wird als ferro-elastisches Verhalten bezeichnet. Zur Vermeidung des Einflusses des Domänenschaltens wird deshalb die Ansteuerspannung derart begrenzt, dass in einem angesteuerten Piezoelektrischen Biegewandler die maximalen mechanischen Spannungen deutlich unterhalb der Koerzitivspannungen bleiben (5). Entsprechende Informationen können über eine Berechnung oder abgespeicherte Werte in einem Aktoransteuermittel hinterlegt sein. Denkbar ist auch die Verwendung von anderen Piezokeramiken, welche aufgrund ihrer Materialeigenschaften bereits eine höhere Koerzitivspannung aufweisen. Geeignet sind hierbei solche Materialien, deren Koerzitivspannung höher als 25 MPa ist.
• Ist der piezoelektrische Biegewandler als Vielschichtaktor ausgeführt, so lässt sich das Kriechverhalten bereits durch einen geänderten physikalischen Aufbau erzielen. 6a zeigt einen Vielschichtaktor (bestehend aus drei Schichten 3), wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Jede der Aktorschichten 3 weist dabei eine Schichtdicke von ungefähr 80 μm und darüber auf. Die in dem Schichtstapel angeordneten Elektroden werden durch das Aktoransteuermittel ebenfalls angesteuert.
• Im Gegensatz dazu zeigt 6b einen Vielschichtaktor gemäß der Erfindung, bei dem die Schichtdicken jeweiliger Aktorschichten 3 im Bereich zwischen 10 μm bis 30 μm, bevorzugt 20 μm, liegen. Die im Inneren des Schichtstapels liegenden Elektroden werden durch das Aktoransteuermittel angesteuert und weisen eine Verbindung zu den Kontaktelektroden 4, 5 auf den Außenseiten des Vielschichtaktors auf. Die im Inneren des Vielschichtaktors gelegenen Elektroden, die vorzugsweise aus Silber oder einer Silberlegierung gebildet sind, stellen damit Äquipotentialflächen dar, die den größten Teil der elektrischen Feldverteilung durch entsprechende Ladungen kompensieren können. Darüber hinaus diffundiert das Silber der Elektroden in die benachbarten piezokeramischen Aktorschichten, wodurch weitere freie Ladungsträger in der Keramik vorhanden sind, so dass die sich die Leitfähigkeit vorteilhafterweise weiter erhöht. Dieser Effekt ist aufgrund des Vorhandenseins einer Vielzahl an Elektroden besonders ausgeprägt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass eine Verbesserung des Kriechverhaltens eintritt. Durch eine Kombination mit den oben beschriebenen Verbesserungen lässt sich das Kriechverhalten weiter optimieren.
• Beispiel:
• Am Beispiel eines typischen Biegewandlers sollen die erfindungsgemäßen Überlegungen nochmals veranschaulicht werden. Ein Biegewandler besteht aus zwei Piezokeramikschichten (44 × 7,2 × 0,26 mm³), die beidseitig auf eine isolierende Trägerschicht aufgebracht sind. Wird eine der Aktorschichten mit 200 V angesteuert, so fließt bei einem für Weich-PZT typischen spezifischen Widerstand von 1·10¹² Ωm ein Strom von 0,24 nA. Die Zeitkonstante für innere Umladungsprozesse liegt im Bereich von 1 bis 1000 Sekunden. Erniedrigt man den spezifischen Widerstand des Keramikmaterials durch entsprechende Dotierung um drei Zehnerpotenzen, fällt die für das Kriechen verantwortliche Zeitkonstante in den Millisekunden- bis Sekundenbereich. Gleichzeitig bleibt der Dauerstrom des Biegewandlers noch deutlich unter dem Grenzwert von 1 μA.

Claims (9)

1. Piezoelektrischer Biegewandler, mit einer Trägerschicht (2), auf der zumindest eine piezokeramische Schicht (3) aufgebracht ist, wobei die piezokeramische Schicht (3) zwischen Kontaktelektroden (4, 5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der spezifische Widerstand der piezokeramischen Schicht (3) in einer Größenordnung von 1·10⁸ Ωm bis 1·10¹⁰ Ωm liegt, und – ein Aktoransteuermittel (6) zum Anlegen einer Ansteuerspannung an die Kontaktelektroden (4, 5) vorgesehen ist und die maximale Ansteuerspannung derart gewählt wird, dass in dem Piezokeramikaktor die maximale mechanische Spannung unterhalb der Koerzitivspannung liegt.
2. Piezoelektrischer Biegewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen der Ansteuerspannung und der mechanischen Spannung in dem Piezokeramikaktor (1) in einer Tabelle gespeichert ist oder durch eine Berechnung ermittelt wird.
3. Piezoelektrischer Biegewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die piezokeramische Schicht (3) aus Bleizirkonattitanat (PZT) gebildet ist und zusätzlich mit ein- oder zwei- oder dreiwertigen Kationen dotiert ist.
4. Piezoelektrischer Biegewandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einwertigen Kationen auf dem A-Platz der Perkoswit-Zelle eingebaut sind und eine Akzeptor-Dotierung ergeben.
5. Piezoelektrischer Biegewandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei- oder dreiwertigen Kationen auf dem B-Platz der Perkoswit-Zelle eingebaut sind und eine Akzeptor-Dotierung ergeben.
6. Piezoelektrischer Biegewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) zwischen zwei piezokeramischen Schichten angeordnet ist.
7. Piezoelektrischer Biegewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) als piezokeramische Schicht ausgebildet ist.
8. Piezoelektrischer Biegewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Vielzahl an piezokeramische Schichten (3) zur Ausbildung eines Vielschichtaktors aufweist und die im Inneren des Schichtstapels angeordneten Kontaktelektroden (8) durch das Aktoransteuermittel (6) angesteuert werden zur Ausbildung von Äquipotentialflächen.
9. Piezoelektrischer Biegewandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die piezokeramische Schichten (3) des Vielschichtaktors eine Dicke im Bereich zwischen 10 μm bis 30 μm, insbesondere 20 μm, aufweisen.