DE102005028970A1

DE102005028970A1 - Piezoakter mit gesteigertem Hubvermögen

Info

Publication number: DE102005028970A1
Application number: DE102005028970A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Lampenscherf; Andreas Wolff
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2006-12-28
Also published as: CN101203967B; WO2006136492A1; US20100079039A1; EP1894259A1; CN101203967A

Abstract

Die vorliegende Erfindung liefert einen Piezoaktor 1 mit einem gesteigerten Hubvermögen aufgrund der Ausnutzung der Verformungseigenschaften von speziell strukturierten piezokeramischen Schichten 10 unter dem gleichzeitigen Einfluss einer mechanischen Vorspannung und eines elektrischen Feldes. Zudem liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieser Piezoaktoren 1. Die Piezoaktoren eignen sich für Niederspannungsbetrieb, beispielsweise im Bereich der Bio- und Medizintechnik (Mikropumpen, Mikroventile), der Industrieelektronik (pneumatische Ventile) und der Mikroaktorik und -motorik.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Piezoaktoren, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung ein bestimmtes Dehnungsverhalten in Abhängigkeit von dieser elektrischen Spannung zeigen.
Piezoaktoren finden in verschiedensten Gebieten der Technik Anwendung. Sie werden beispielsweise in Vielschichtbauweise hergestellt. Diese Vielschicht-Piezoaktoren werden zur Ansteuerung von Einspritzventilen in Brennkraftmaschinen, von Positioniertischen oder in der Feingerätetechnik eingesetzt, um nur einige Beispiele zu nennen.

US 6,274,967 offenbart einen Piezoaktor in Vielschichtbauweise, der mit einer Vorspannvorrichtung zur Krafteinleitung in die piezoelektrischen Schichten ausgestattet ist. Mit Hilfe der Vorspannvorrichtung werden die piezoelektrischen Schichten mit einer einachsigen Druckspannung entlang der Stapelrichtung des Piezoaktors beaufschlagt.

WO 2004/015789 A2 offenbart einen Piezoaktor mit mindestens einem stapelförmigen Piezoelement. Das durch Elektroden eingefasste Piezoelement ist in einer Vorspannvorrichtung derart gehalten, dass eine Krafteinleitung in ein Teilvolumen der piezoelektrischen Schicht erfolgt. Die in die piezoelektrische Schicht eingebrachte mechanische Vorspannung erzeugt in Kombination mit einem in der piezoelektrischen Schicht wirkenden elektrischen Feld eine gesteigerte Dehnung des Piezoaktors im Vergleich zu herkömmlichen Piezoaktor-Konstruktionen. Trotz dieses Dehnungsverhaltens bzw. dieses Hubvermögens des Piezoaktors fordern verschiedene Bereiche der Technik, wie beispielsweise die Mikromechanik, eine weitere Hubvergrößerung bzw. ein verbessertes Dehnungsverhalten von Piezoaktoren.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Piezoaktor mit gesteigertem Hubverhalten im Vergleich zum Stand der Technik bereitzustellen.

Die obige Aufgabe wird durch einen Piezoaktor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 gelöst.

Der erfindungsgemäße Piezoaktor umfasst die folgenden Merkmale: Mindestens eine piezoelektrische Schicht mit mindestens einer Aufwölbung, die zwischen zwei gegenüberliegenden Elektrodenschichten zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, und eine Vorspannvorrichtung, mittels derer über die mindestens eine Aufwölbung eine mechanische Verspannung in der piezoelektrischen Schicht einstellbar ist, so dass bei Erzeugen eines elektrischen Feldes in der vorgespannten piezoelektrischen Schicht die mechanische Verspannung ein Dehnungsverhalten des Piezoaktors unterstützt.

Basierend auf der vorliegenden Erfindung wird eine Hubvergrößerung von Piezoaktoren durch Ausnutzung der Verformungseigenschaften von speziell strukturierten oder profilierten piezokeramischen Schichten erzielt. Zu diesem Zweck wird die piezoelektrische Schicht im Gegensatz zu ebenen piezoelektrischen Schichten in Vielschicht-Aktoren mit mindestens einer Aufwölbung versehen. Nach dem Polen der piezoelektrischen Schicht wird diese mit Hilfe einer Vorspannvorrichtung über die mindestens eine Aufwölbung mechanisch vorgespannt. Wird die polarisierte und mechanisch vorgespannte piezoelektrische Schicht nun mit einem elektrischen Feld belastet, überlagern sich piezoelektrische und ferroelektrische Dehnungsanteile innerhalb der piezoelektrischen Schicht, die zu ihrer Verformung und zu einer Hubvergrößerung des Piezoaktors im Vergleich zu bekannten Aktoren des Standes der Technik führen.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die piezoelektrische Schicht des Piezoaktors eine Mehrzahl von regelmäßig und/oder unregelmäßig angeordneten Aufwölbungen. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die piezoelektrische Schicht des Piezoaktors eine Mehrzahl von gleich und/oder ungleich geformten Aufwölbungen aufweist.

In Abhängigkeit von der Form, Anzahl und Anordnung der Aufwölbungen wird das Hubvermögen des Piezoaktors unterschiedlich stark gesteigert. So werden beispielsweise Kalotten oder kegelstumpfähnliche Aufwölbungen in regelmäßiger Anordnung in die piezoelektrische Schicht eingeprägt. Es ist ebenfalls bevorzugt, sich über die ganze Breite der piezoelektrischen Schicht erstreckende sinusförmige Wellenformen in die piezoelektrische Schicht einzuprägen, um mit dieser periodischen Struktur das Hubvermögen des Piezoaktors zu verbessern. Die piezoelektrische Schicht weist dann eine einem Wellblech ähnliche Form auf.

Die vorliegende Erfindung offenbart ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors, das die folgenden Schritte aufweist: Gießen und Trocknen einer Folie aus piezoelektrischem Material auf einer Trägerfolie, Auslegen der Folie aus piezoelektrischem Material auf einer Oberfläche mit mindestens einer Unebenheit, um mindestens eine Aufwölbung in die Folie einzuprägen, Sintern der Folie auf der Oberfläche mit der mindestens einen Unebenheit und Aufbringen von Elektroden auf die gegenüberliegenden Seiten der Folie und Einspannen der Folie in einer Vorspannvorrichtung.

Zunächst werden piezoelektrische Grünfolien auf der Grundlage bekannter Verfahren hergestellt. Nachfolgend werden diese Folien aus piezoelektrischem Material auf einer Oberfläche ausgelegt, deren Unebenheiten bestimmte Verformungen in diese Folie einprägen. Diese Unebenheiten werden beispielsweise durch Kugeln, Kegelstümpfe oder sich über die ganze Breite der Oberfläche erstreckende Stäbe oder Erhebungen gebildet.

Entsprechend der gewünschten Form und Anordnung der Aufwölbungen in der piezoelektrischen Folie werden die Unebenheiten auf der Oberfläche in einem unregelmäßigen und/oder einem regelmäßigen Muster angeordnet. Des Weiteren ist es bevorzugt, eine Mehrzahl von gleich und/oder ungleich geformten Unebenheiten auf der Oberfläche zu verwenden.

Bevorzugte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung sowie in den anhängenden Ansprüchen beschrieben. Die begleitenden Zeichnungen zeigen:
1 die schematische Darstellung der Oberfläche einer Sinterunterlage mit Unebenheiten, auf der die Folie aus piezoelektrischem Material ausgelegt ist,
2 eine bevorzugte Ausführungsform des Piezoaktors unter mechanischer Vorspannung, und
3 eine bevorzugte Ausführungsform des Piezoaktors der vorliegenden Erfindung unter der Wirkung eines elektrischen Feldes.
Der erfindungsgemäße Piezoaktor 1 weist mindestens eine piezoelektrische Schicht 10 auf, in die mindestens eine Aufwölbung 20 eingeprägt ist (vgl. 2 und 3). Zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrische Schicht 10 sind an ihren gegenüberliegenden Seiten Elektrodenschichten 30 zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in der piezoelektrischen Schicht 10 angeordnet. Die aufgrund der Aufwölbungen 20 unebene oder strukturierte piezoelektrische Schicht 10 wird mit Hilfe einer Vorspannvorrichtung 40 mechanisch verspannt. Die Vorspannvorrichtung 40 übt Druck auf die mindestens eine Aufwölbung 20 der piezoelektrischen Schicht 10 aus, wodurch die Verspannungen der piezoelektrischen Schicht 10 erzielt werden. Erzeugt ein elektrisches Feld in der piezoelektrischen Schicht 10 eine Dehnung, so führt die Überlagerung von piezoelektrischen und ferroelektrischen Dehnungsanteilen mit mechanischen Verspannungsbedingungen zu einem gesteigerten Hubvermögen des Piezoaktors 1 im Vergleich zu Piezoaktoren des Standes der Technik.
Gemäß der folgenden bevorzugten Schritte wird der Piezoaktor 1 hergestellt. Zunächst wird gemäß bekannter Verfahren eine Folie oder Grünfolie aus piezoelektrischem Material durch Gießen und Trocknen auf einer Trägerfolie hergestellt. Diese Folie aus piezoelektrischem Material bildete nach Abschluss des Herstellungsverfahrens die piezoelektrische Schicht 10.
Nachfolgend wird die Folie aus piezoelektrischem Material auf einer Oberfläche 50 mit mindestens einer Unebenheit 60 ausgelegt (vgl. 1). Die Oberfläche 50 wird bevorzugt durch die Sinterunterlage gebildet, auf der gezielt mindestens eine oder eine Mehrzahl von Unebenheiten 60 angeordnet ist. Die Folie aus piezoelektrischem Material wird durch die Schwerkraft auf die Oberfläche 50 und die dort angeordneten Unebenheiten 60 gedrückt, so dass die Unebenheiten jeweils eine Aufwölbung 20 in die Folie einprägen.
Die Unebenheiten 60 sind gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen regelmäßig und/oder unregelmäßig auf der Oberfläche 50 angeordnet. Zudem ist es bevorzugt, dass die Unebenheiten 60 gleiche oder ungleiche Formen aufweisen. Diese Unebenheiten 60 haben beispielsweise die Form einer Kugel, einer Halbkugel, eines Zapfens, eines Kegelstumpfs, einer eckigen Erhebung, einer wulstähnlichen Erhebung oder einer langgestreckten fingerähnlichen Erhebung. Wie oben bereits erläutert, prägen die Unebenheiten 60 komplementär oder ähnlich geformte und angeordnete Aufwölbungen 20 in die Folie ein. Auf diese Weise entsteht eine Folie aus piezokeramischem Material, die regelmäßig und/oder unregelmäßig angeordnete Aufwölbungen 20 aufweist, die zudem gleiche und/oder ungleiche Formen umfassen können.
Basierend auf der Vielfalt der Strukturierung der piezokeramischen Schicht 10 ist es bevorzugt, eine regelmäßige Anordnung von stangenähnlichen Unebenheiten 60 auf der Oberfläche 50 zu nutzen. Diese stangenähnlichen Unebenheiten 60 erstrecken sich parallel und in gleichen Abständen zueinander über die gesamte Breite der Oberfläche 50. Prägt sich diese Struktur der Oberfläche 50 und Unebenheiten 60 in die piezokeramische Schicht 10 ein, entsteht bevorzugt ein periodisch-wellenförmiges Profil innerhalb der piezokeramischen Schicht 10. Diese ist schematisch in 3 dargestellt.
Nachdem eine bestimmte Struktur in die Folie aus piezoelektrischem Material eingebracht worden ist, wird diese Folie auf der Oberfläche 50 mit der mindestens einen Unebenheit 60 gesintert. Nach dem Sintern werden auf den beiden gegenüberliegenden großflächigen Seiten der piezokeramischen Schicht mit Hilfe von bekannten Verfahren Elektrodenschichten 30 aufgebracht. Diese Elektrodenschichten 30 dienen dem nun stattfindenden Polarisieren der piezoelektrischen Schicht 10. Eine elektrische Spannung wird an die Elektrodenschichten 30 angeschlossen und dadurch ein elektrisches Feld in der piezoelektrischen Schicht 10 erzeugt.
Nach dem Polarisieren wird die strukturierte piezoelektrische Schicht 10 in die Vorspannvorrichtung 40 eingespannt, um bestimmte Vorspannungen in der piezokeramischen Schicht 10 zu erzeugen. Die Vorspannvorrichtung 40 besteht aus einer ersten Platte 42, die oberhalb der piezokeramischen Schicht 10 angeordnet ist, und aus einer zweiten Platte 44, die unterhalb der piezokeramischen Schicht 10 angeordnet ist (vgl. 2 und 3). Indem die beiden Platten 42 und 44 aufeinander zu bewegt werden, werden mechanische Spannungen über die Aufwölbungen 20 in die piezokeramische Schicht 10 eingeleitet. Die piezokeramische Schicht 10 wird durch die Vorspannvorrichtung 40 zusammengedrückt.
Mit Hilfe der oben beschriebenen Verfahrensschritte wird der Piezoaktor 10 hergestellt, der die gewünschte Hubvergrößerung von Piezoaktoren 1 durch Ausnutzung der Verformungseigenschaften von speziell strukturierten piezokeramischen Schichten zeigt. Die Strukturierung der piezoelektrischen Schicht 1 besteht in der Einprägung einer oder mehrerer Aufwölbungen 20 gemäß 1, so dass diese auf mindestens einer Seite über die Oberfläche der piezokeramischen Schicht 10 erhaben sind.
Im Piezoaktor 1 gemäß 3 führt die mechanische Vorspannung der Vorspanneinrichtung 40 zum teilweisen Eindrücken der Aufwölbungen 20, die mit Tellerfedern vergleichbar sind. Die eingebrachte mechanische Vorspannung steht im Gleichgewicht mit der elastischen Dehnungsverteilung in der piezokeramischen Schicht 10. Nach Anlegen der elektrischen Spannung über die Elektrodenschichten 30 an die piezokeramische Schicht 10 entstehen zusätzliche piezoelektrische und ferroelektrische Dehnungsanteile. Entsprechend der äußeren mechanischen Ein-/Vorspannungsbedingungen stellt sich im Gleichgewicht eine andere Verformung der mindestens einen Aufwölbung 20 oder der Mehrzahl von Aufwölbungen 20 ein als bei herkömmlichen ebenen piezoelektrischen Schichten von Vielschichtaktoren. Aufgrund des stark nicht linearen Zusammenhangs zwischen Dehnungszustand und Höhe der Schichtaufwölbung kann pro piezokeramischer Schicht 10 eine deutlich größere Hubveränderung erreicht werden, als es mit der im konventionellen Stapelaktoren ausgenutzten Dickenänderung der piezokeramischen Schichten möglich ist. Die gezielt eingebrachten Aufwölbungen 20 der piezokeramischen Schicht 10 stellen somit einen Übersetzungsmechanismus dar, um die durch piezoelektrische und/oder ferroelektrische Effekte verursachten Veränderungen im Dehnungszustand der piezokeramischen Schicht 10 in Kraft- und Verformungskomponenten senkrecht zur Schicht 10 umzuwandeln.
Durch Variation von Form, Größe, Anzahl und Anordnung der Aufwölbungen 20 sowie durch Stapelung mehrerer strukturierter Schichten 10 lassen sich großhubige Piezoaktoren 1 mit einer breiten Anwendungsvielfalt herstellen. Mit der Wahl der Vorkraft bzw. mechanischen Vorspannung steht zusätzlich eine Möglichkeit zur Verfügung, den Hub und die Steifigkeit der beschriebenen Piezoaktoren 1 einzustellen. Bei entsprechend hoher mechanischer Vorspannung kann es zu einer Entstehung ferroelastischer Verformungsanteile kommen (z.B. durch Umklappen ferroelektrischer Domänen in die Schichtebene, d.h. parallel zu den Platten 42, 44 der Vorspannvorrichtung), die durch die elektrische Ansteuerung wieder zurückgeschaltet werden können. Dadurch kann zusätzlich die Dehnungsamplitude und damit auch der Hub des Piezoaktors 1 vergrößert werden.
Der Vorteil liegt somit in der gezielten Kombination der piezoelektrischen, ferroelektrischen und ferroelastischen Effekte mit den Verformungseigenschaften von Schichtaufwölbungen, um Piezoaktoren 1 mit einem deutlich größeren Hub als konventionelle Stapelaktoren herzustellen. Durch die Kombination von piezokeramischer Multilayertechnologie, Mikrostrukturierung und Mikromechanik lassen sich mit der oben beschriebenen Methode kostengünstige neue Massenanwendungen für Niederspannungsbetrieb, beispielsweise im Bereich der Bio- und Medizintechnik (Mikropumpen, Mikroventile), der Industrieelektronik (pneumatische Ventile) und der Mikroaktorik und -motorik.

Claims

Piezoaktor (1), der die folgenden Merkmale umfasst: a. mindestens eine piezoelektrische Schicht (10) mit mindestens einer Aufwölbung (20), die zwischen zwei gegenüberliegenden Elektrodenschichten (30) zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in der piezoelektrischen Schicht (10) angeordnet ist, und b. eine Vorspannvorrichtung (40), mittels derer über die mindestens eine Aufwölbung (20) eine mechanische Verspannung der piezoelektrischen Schicht (10) einstellbar ist, so dass bei Erzeugen eines elektrischen Feldes in der vorgespannten piezoelektrischen Schicht (10) die mechanische Verspannung ein Dehnungsverhalten des Piezoaktors (1) unterstützt.
Piezoaktor (1) gemäß Anspruch 1, dessen piezoelektrische Schicht (10) eine Mehrzahl von regelmäßig und/oder unregelmäßig angeordneten Aufwölbungen (20) aufweist.
Piezoaktor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, der eine Mehrzahl von gleich und/oder ungleich geformten Aufwölbungen (20) aufweist.
Piezoaktor (1) gemäß Anspruch 1, dessen piezoelektrische Schicht (10) ein periodisch wellenförmiges Profil aufweist.
Piezoaktor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Vorspannvorrichtung (40) eine erste Platte (42) und eine zweite Platte (44) umfasst, mit denen die mindestens eine Aufwölbung (20) der piezoelektrischen Schicht (10) komprimierbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors (1), das die folgenden Schritte aufweist: a. Gießen und Trocknen einer Folie aus piezoelektrischem Material auf einer Trägerfolie, b. Auslegen der Folie aus piezoelektrischem Material auf einer Oberfläche (50) mit mindestens einer Unebenheit (60), um mindestens eine Aufwölbung (20) in die Folie einzuprägen, c. Sintern der Folie auf der Oberfläche (50) mit der mindestens einen Unebenheit (60) und d. Aufbringen von Elektroden auf die gegenüberliegenden Seiten der Folie und Einspannen der Folie in einer Vorspannvorrichtung.
Verfahren gemäß Anspruch 6, das weiterhin aufweist: Anordnen einer Mehrzahl von Unebenheiten (60) auf der Oberfläche (50) in einem unregelmäßigen und/oder einem regelmäßigen Muster.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, das weiterhin aufweist: Anordnen einer Mehrzahl von gleich und/oder ungleich geformten Unebenheiten (60) auf der Oberfläche (50).