DE20202297U1 - Flacher Aktor oder Sensor mit interner Vorspannung - Google Patents
Flacher Aktor oder Sensor mit interner VorspannungInfo
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- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
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Description
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2 Beschreibung
3 Flacher Aktor oder Sensor mit interner Vorspannung
s Die Erfindung bezieht sich auf ein flaches, mehrschichtiges, insbesondere tempe-
6 raturkompensiertes, sowie elektrisch ansteuerbares Bauelement mit interner Vor-
7 spannung zum Einsatz als Aktor oder Sensor.
9 Flache Aktoren und Sensoren sind unter der Bezeichnung Bimorph oder Biege-
10 wandler bekannt. Sie bestehen üblicherweise aus zwei miteinander verbundenen
11 aktiven Schichten, insbesondere aus Keramik auf der Basis von Blei-Zirkonat- Ti-
12 tanat. Als Mittellage kann ein inertes Material, beispielsweise ein Metall oder ein
13 faserverstärkter Kunststoff, eingesetzt werden. Wird eine Schicht derart ange-
14 steuert, dass sich diese in ihrer Länge verkürzt und wird gleichzeitig die andere
is Schicht nicht angesteuert oder durch die Ansteuerung gelängt, so ergibt sich auf-
16 grund der innigen Schichtenverbindung eine Verbiegung des gesamten Verbun-
17 des. Da diese Konstruktion zur Mittellage symmetrisch ist heben sich Unter-
18 schiede in der thermischen Dehnung auf und der Verbund verändert seine Form ig nicht mit der Temperatur.
21 In der US 5,632,841 und in der US 6,060,811 ist eine asymmetrische, gekrümmte
22 Anordnung beschrieben, bei der durch die Unterschiede in der thermischen Deh-
23 nung ein flacher Verbund aus einem Metall und einer aktiven Keramik, insbeson-
24 dere Piezokeramik auf der Basis von Blei-Zirkonat- Titanat, vorgespannt wird. Der
25 Verbund wird bei hoher Temperatur gefügt. Nach dem Erstarren des für die Ver-
26 bindung eingesetzten Polymers entstehen in der Keramik und im Metall aufgrund
27 deren unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten mechanische Spannungen, so
28 dass die Keramik unter Druck gesetzt wird.
30 Bei einem aus der US 5,632,841 bekannten Herstellungsverfahren wird ein zwei-
31 lagiger Verbund mittels eines zusätzlichen Formträgers ("mold") mit gebogener
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Oberfläche in eine gekrümmte Form gebracht, wobei eine Erwärmung mit anschließender Ankühlung eine Vorspannung induziert.
Die US 6,060,811 beschreibt ein gekrümmtes Element mit schichtartigem Aufbau, wobei die durch deren Krümmung vorgespannten, einzelnen Bestandteile nach der aus der US 5,632,841 bekannten Methode miteinander verbunden werden.
In der US 5,849,125 wird ein Verfahren zur Herstellung eines gekrümmten, elektrisch aktivierbaren Verbundelementes beschrieben, bei dem gekrümmte Elemente in einer ebenfalls gekrümmten Form unter Druck und bei einer bestimmten Temperatur gefügt werden.
Aus der US 6,030,480 ist ein aus einer Keramik und aus bis zu drei Metalllagen bestehendes flaches Bauelement bekannt. Eine zwischen der Keramik und einem aus Stahl bestehenden Metallträger vorgesehene Metalllage, die größer als der Metallträger ist, dient zur Fixierung des Lagen- oder Schichtaufbaus des Verbundes in einer Presse.
In der US 5,471,721 wird als "Rainbow" ein Aktor beschrieben, der durch partielle chemische Reduktion einen inneren Schichtaufbau hat, wobei die reduzierte Schicht die Funktion des Metalls bei anderen Konstruktionen erfüllt.
Der gemeinsame Vorteil dieser bekannten Konstruktionen besteht darin, dass durch die thermische Vorspannung die Effektivität der Keramik und deren Widerstand gegen Brüche gesteigert wird, da diese mit einer Druckspannung beaufschlagt wird. Nachteilig an diesen Konstruktionen ist jedoch, dass durch die Unterschiede der thermischen Dehnung nicht nur bei der elektrischen Ansteuerung, sondern auch bei einer Änderung der Umgebungstemperatur eine Änderung der Form auftritt. Diese Änderung ist in der gleichen Größenordnung wie die Formänderung aufgrund der elektrischen Ansteuerung. Dadurch ist entweder der Temperaturbereich, in dem die Bauelemente oder Wandler eingesetzt werden können,
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&igr; stark eingeschränkt, oder es sind zusätzliche Maßnahmen zur Kompensation not-
2 wendig.
4 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement anzugeben, das unter
5 Vermeidung der genannten Nachteile einen einfachen Aufbau und eine innere
&bgr; Vorspannung aufweist, insbesondere entsprechend einem asymmetrischen EIe-
7 ment.
9 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
10 1. Dazu ist ein flaches, mehrschichtiges Bauelement zum Einsatz als Aktor oder
11 Sensor vorgesehen, das aus einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht und
12 einer zweckmäßigerweise passiven Mittellage aus einem Material mit einem im
13 Vergleich zur aktivierbaren Materialschicht hohen thermischen Ausdehnungs-ko-
14 effizienten sowie einer weiteren, ebenfalls passiven Materialschicht besteht, deren is linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest annähernd ähnlich dem
16 Ausdehnungskoeffizienten der aktiverbaren Materialschicht ist. Die elektrisch
17 aktivierbare Materialschicht ist vorzugsweise eine Piezokeramik.
19 Diese Konstruktion ermöglicht, die Änderung der Form des Bauelementes mit der
20 Temperatur definiert einzustellen. Diese Eigenschaft ist insbesondere vorteilhaft
21 für die bestimmungsgemäße Anwendung des Bauelementes, da Veränderungen
22 der Umgebung, z. B. eines das Bauelement aufnehmenden Gehäuses, durch den
23 Einfluss der Umgebungstemperatur ausgeglichen werden können. Ein weiterer
24 Vorteil besteht darin, durch Änderung der Prozessparameter die Form des Bau-
25 elementes bei Raumtemperatur beeinflussen zu können.
27 Die beiden nicht aktiven (passiven) Schichten, nämlich die Mittellage und die wei-
28 tere Materialschicht, sind vorzugsweise ein durch Walzen oder einen anderen in-
29 dustriellen Prozess hergestelltes metallisches Verbundelement, insbesondere ein so Thermobimetall.
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Durch diese Anordnung mit einer aktivierbaren und zwei passiven Schichten oder Lagen wird erreicht, dass der daraus gebildete Verbund unter dem Gesichtspunkt der thermischen Dehnungen symmetrisch aufgebaut ist. Als zusätzliche Elektrode kann auf der freien Oberfläche der aktiven oder aktivierbaren Materialschicht eine weitere Metallschicht angebracht sein, deren Dicke im Vergleich zu den anderen Schichten sehr dünn ist.
Die Herstellung eines derartigen Bauelementes erfolgt dadurch, dass der Verbund zum Fügen zwischen zwei im Wesentlichen ebenen Platten auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur eines Klebers erwärmt wird. Dabei wird Druck orthogonal zur Hauptebene des Verbundes aufgebracht, wobei unter Druck der Verbund bis unterhalb der Erweichungstemperatur abge- kühlt wird.
Wird als passive Schicht ein fester Verbund zweier Metalle mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizient verwendet, so erfolgt während der Erwärmung des Verbundes unter Druck eine zumindest teilweise plastische Deformation der passiven Schicht. Der dadurch geänderte innere Spannungszustand bewirkt eine Änderung des statischen Spannungszustandes und damit der Form des Bauelementes. Dadurch wird die Herstellung eines flachen, ebenen Bauelementes ermöglicht.
Die Dimensionierung der Schichten und die Auswahl der Materialien kann mittels der technischen Mechanik, insbesondere analog zur Berechnung der Thermobimetalle hergeleitet werden. Berechnungsbeispiele finden sich unter anderem in der Darstellung der Laminatgruppentheorie von Timoshenko, "Analysis of Bi-metal Thermostats", Journal of Optical Society of America, Vol. 2, pp. 233-255, 1925, und der erweiterten Laminatgruppentheorie nach Arndt Stephan, "Thermische Verformung von unsymmetrischen Mehrschichtverbundwerkstoffen", VDI-Reihe 2, Nr. 500, Düsseldorf (DE), 1999.
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&igr; Wird als Material der weiteren Schicht ein Metall gewählt, so kann dies auf die
2 Mittellage oder -schicht aufgeklebt werden. Vorteilhafter ist jedoch die Verwen-
3 dung einer metallischen Verbindung, insbesondere durch walzen, da ein solches
4 Verbundmetall vorteilhafterweise bereits als Endprodukt (Thermobimetall) erhält-
5 lieh ist. Der Einsatz eines solchen Thermobimetalls stellt insbesondere eine deut-
6 liehe Vereinfachung bei der Herstellung dar.
&bgr; Eine andere mögliche Konstruktion ist die Verwendung von elektrisch leitenden
9 Fasern in einer Kunststoff matrix als Mittellage. Für die Verwendung als zusätz-
10 liehe Materialschicht ist der Einsatz von Fasern ebenfalls möglich, wenn auch -
11 aufgrund der Druckbelastung -nicht unbedingt optimal.
13 Bei einer weiteren möglichen Konstruktion wird ein nichtmetallischer Werkstoff mit
14 einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z. B. Aluminiumoxid, als is äußere inaktive Materialschicht verwendet.
17 Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung
is näher erläutert. Darin zeigen:
20 Fig. 1 schematisch in einem Schnitt bzw. einer Seitenansicht ein erfindungs-
21 gemäß dreischichtiges Bauelement mit zusätzlicher Elektrodenschicht
22 in ungefügtem Zustand,
23 Fig. 2 schematisch einen Fertigungsschritt mit erwärmungsbedingt gewölbtem
24 passivem Verbundmaterial und daran anliegender aktiver Material-2s schicht,
26 Fig. 3 schematisch eine Anordnung zur Messung der Auslenkung unter-
27 schiedlicher Bauelemente, und
28 Fig. 4 in einem Auslenkungs-ZTemperaturdiagramm die unterschiedlichen
29 Auslenkungen in Abhängigkeit der Temperatur.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Herstellung des nachfolgend auch als Verbund bezeichneten Bau- oder Verbundelementes 1 erfolgt durch Fügen unter Druck F und Temperatur. Dazu werden Materialien in Form einer Keramik 2 und einer Mittellage 3 sowie einem Zusatzmaterial 4, soweit die Mittellage 3 und das Zusatzmaterial 4 nicht bereits durch andere Methoden zu einem Verbundmaterial 5 miteinander verbunden sind, mit einem Klebstoff 6 beschichtet. Auf der dem Verbundmaterial 5 abgewandten freien Oberfläche der aktiven Materialschicht oder Keramik 2 kann mittels eines Klebstoffs 6' als zusätzliche Elektrode eine weitere Material- oder Metallschicht angebracht sein.
Die Keramik 2 ist ein aus elektrisch aktivierbarem z.B. piezoelektrischem, elektrostriktivem oder magnetostriktivem Material bestehendes Plättchen. Vorzugsweise wird eine Piezokeramik auf der Basis Blei-Zirkonat- Titanat (PZT) eingesetzt. Die Keramik 2 kann auf zumindest einer der großen Flächen 2a,2b -entsprechende der Notwendigkeit zur Ansteuerung eines elektroaktiven Materials -mit einer Metallschicht 9 versehen sein. Diese kann durch sputtern oder aufdampfen, Siebdruck oder andere Methoden aufgebracht sein.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines mehrschichtigen Bauelementes als aktivierbare Schicht. Diese in der Technik als Multilayer bekannten Elemente weisen einen inneren Aufbau aus mehreren dünnen Schichten aktivierbaren Materials mit dazwischenliegenden Elektroden auf. Die Elektroden können in der Ebene der aktivierbaren Schicht unter Nutzung des Längseffektes oder quer dazu unter Nutzung des Dickeneffektes liegen.
Der aus der Keramik 2, der Mittellage 3 sowie dem Zusatzmaterial 4 -bzw. dem Verbundmaterial 5 -und gegebenenfalls der zusätzlichen Metallschicht 7 gebildete Verbund 1 inklusive des Klebstoffs 6, 61 wird zum Fügen zwischen zwei im
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Wesentlichen ebenen Platten P1 und P2 auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Klebers 6,6' erwärmt. Dabei wird eine Druckkraft F orthogonal zur Hauptebene des Verbundes 1 aufgebracht. Unter dem Druck F wird dann der Verbund 1 bis unterhalb der Erweichung- oder Reaktionstemperatur abgekühlt.
Die passive oder inaktive Mittellage 3 weist einen größeren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als die Materialien der beiden benachbarten Schichten, d. h. der aktiven Keramik 2 einerseits und der weiteren, passiven oder inaktiven Materialschicht 4 andererseits. Als Klebstoff 6, 6' besonders geeignet sind thermoplastische Kunststoffe (z.B. Polyimide) oder noch nicht ausgehärtete duroplastische Kunststoffe (z.B. Epoxyharze) mit einer möglichst hohen Erweichungs- bzw. Reaktionstemperatur. Andere Verfahren zum Fügen flächiger Elemente (z.B. Löten) sind ebenfalls möglich.
Auch kann zwischen die Platte P1 und die Keramik 2, wenn die zusätzliche Metallschicht 7 nicht vorhanden ist, eine nachgiebige Schicht eingebracht werden, um eventuell vorhandene Unterschiede in der Dicke des Verbundes 1 auszugleichen.
Wird als Verbundmaterial 5 ein handelsüblicher Thermobimetall eingesetzt, so wird der fertigungstechnische Vorteil erzielt, dass sich bei Erwärmung des Verbundes 1 vor dem Aufbringen der Druckkraft bzw. des Drucks F das Verbundmaterial oder Substrat 5 stark wölbt. Durch ein vorheriges Biegen des Substrates 5 kann diese Durchbiegung reduziert werden. In jedem Fall wird nur das Substrat 5, nicht aber die Keramik 2 gebogen.
Wie in Fig. 2 angedeutet ist, hat diese Wölbung des Verbundmaterial 5 zur Folge, dass die aktivierbare Materialschicht oder Keramik 2 lediglich an einer linienförmigen Berührungsstelle 8 an der Mittelage 3 und damit am Verbundmaterial 5 aufliegt, das die Mittellage 3 und die weitere Materialschicht 4 umfasst. Beim an-
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schließenden Aufbringen des Drucks F wird das Verbundmaterial 5 flachgedrückt, so dass die Keramik 2 in einer aufrollartigen Bewegung auf die durch die entsprechende Schicht des Verbund metalls 5 gebildete Mittellage 3 gefügt wird. Dadurch wird eine sehr gleichmäßige Verbindung innerhalb des Verbundes 1 erreicht.
Beim Aufbringen des Drucks F und dem Aufschmelzen bzw. der Reaktion des Klebers 6,6' wird der bei entsprechend hoher Temperatur herrschende Spannungszustand eingefroren. Da die Materialien 2,3,4 sich beim weiteren Abkühlen nicht mehr gegeneinander bewegen können, führen die inneren Spannungen durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien 2, 3, 4 zu der gewünschten mechanischen Vorspannung. Dabei kann es zu einer teilweisen plastischen Verformung einzelner Schichten, insbesondere der unter Zugspannung stehenden Mittelschicht 3 und der zusätzlichen Elektrodenschicht 7, kommen.
Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion 1 ist somit eine zusätzliche Materialschicht 4 vorgesehen. Diese, zweckmäßigerweise auf der der Keramik 2 abgewandten Seite aufgebrachte zusätzliche Materialschicht 4 ist in deren Dicke und deren Elastizitäts- oder &Egr;-Modul sowie deren thermischen Ausdehnung derart auf die als Trägermetall wirksame Mittellage 3 und die Keramik 2 abgestimmt, dass durch Änderung der Temperatur eine mechanische Spannung induziert wird, welche die Biegung aufhebt oder auf einen in Betrag und Richtung gewünschten Wert einstellt. Durch den dann symmetrischen Aufbau der inneren Spannungen tritt nach außen keine Biegung auf, auch wenn die Keramik 2, das Metall 3 und die zusätzliche Materialschicht 4 unter mechanischer Spannung stehen.
Praktisch muss dabei gelten, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Trägermetalls und damit der Mittellage 3 größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient sowohl der Keramik 2 als auch des Zusatzmaterials der Materialschicht 4. Die Dicke der Keramik 2 und der Mittellage 3 sowie des Zusatzmaterials 4 und der zusätzlichen Elektrodenschicht 7 kann aufgrund deren E-Module
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&igr; und deren thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart gewählt werden, dass
2 bei einer gegebenen Temperaturdifferenz in der Keramik 2 und in der Material-
3 schicht 4 die gleiche mechanische Dehnung entsteht und daher nach außen keine
4 Biegung des Verbundes 1 erfolgt.
6 Die den eigentlichen Träger der Keramikschicht 2 bildenden Materialien, d. h. die
7 Mittellage 3 und das Zusatzmaterial 4, sind zweckmäßigerweise bereits ein Ver-&bgr; bund- oder Bimetall, d. h. bimetallartig gefügt oder aufeinandergewalzt.
10 Anhand der Figuren 3 und 4 werden nachfolgend die Ergebnisse einer Messung
11 und Untersuchung der Eigenschaften unterschiedlicher Bauelemente beschrieben
12 und erläutert.
14 In einem ersten Beispiel wurden Bau- oder Verbundelemente 1 in der Dimension
is 37mm &khgr; 13mm &khgr; 0,4mm (Länge, Breite, Dicke) hergestellt. Dabei wurde eine han-
16 delsübliche Keramik 2 (Pl Ceramic, PIC 255) der Dicke 0,2mm mit einem Ther-
17 mobimetall 5 (TP 155/78, Aurhammer Metallwerke) mit der Dicke 0,2mm verklebt.
is Das Ergebniss einer Vermessung der Formänderung durch die Temperatur ist in
20 Fig. 4 durch die Kurve A dargestellt. Dazu wurde ein Messaufbau gemäß Figur 3
21 realisiert, bei dem das Verbundelement 1 mit dem Thermobimetall 5 auf zwei
22 Auflagen 10 und 11 ruht. Dabei wurde zur besseren Vergleichbarkeit die Spann-
23 weite a zwischen den Auflagen 10 und 11 bei allen Beispielen auf einem Wert a =
24 30 mm konstant gehalten. Die Auslenkung b wurde in der Mitte zwischen den bei-
25 den Auflagen 10,11 -beginnend bei Raumtemperatur -gemessen. Eine Auslen-
26 kung oder Änderung b der Wölbung nach oben ist dabei -gemäß der Pfeilrich-tung
27 R- als positivaufgetragen.
29 In einem zweiten Beispiel wurden Bau- oder Verbundelemente 1 in der Dimension
so 62 mm &khgr; 15 mm &khgr; 0,65 mm aus den gleichen Materialien mit einer Keramik 2 der
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Dicke 0,45 mm hergestellt. Das Ergebniss einer Vermessung der Formänderung durch die Temperatur ist in Fig. 4 durch die Kurve B dargestellt.
Zum Vergleich wurden Bauelemente mit der gleichen Keramiken 2 in den Dicken 0,2 mm und 0,45 mm mit einem Stahl 1.4310 mit der Dicke 0,20 mm verklebt, so dass diese Elemente der Beschreibung der US 5,632,841 und der US 6,060,811 entspricht. Nachfolgend werden diese Elemente als "konventionelle Elemente" bezeichnet. Zusätzlich wurde auf die Keramik 2 eine Aluminiumfolie 9 mit einer Dicke von 1 &Ogr;&mgr;&igr;&tgr;&igr; geklebt. Die Verklebung 6,6' erfolgte mit einem Polyimide mit einer Erweichungstemperatur Tg von 26O0C. Das Ergebniss einer Vermessung der Formänderung durch die Temperatur ist in Fig. 4 durch die Kurve C für die Keramik 2 der Dicke 0,2 mm und durch die Kurve D für die Keramik 2 der Dicke 0,45 mm dargestellt.
Theoretische Berechnungen zeigen für das Beispiel gemäß der Kurve A, dass eine Keramik 2 der Dicke 0,15mm bei Verwendung des Thermobimetalls TB 155/78 die Durchbiegung aufgrund der unterschiedlichen thermischen Dehnungen exakt ausgleicht.
Die konventionellen Elemente gemäß den Kurven C und D haben eine in Abhängigkeit von deren Geometrie -in dem dargestellten Beispiel der Dicken der verwendeten Materialien -unterschiedlich starke Abnahme der Wölbung, d. h. eine Änderung b der Wölbung nach unten und damit entgegen der Richtung R bei zunehmender Temperatur. Die erfindungsgemäß hergestellten Bauelemente zeigen dagegen gemäß der Kurven A eine positive Änderung b der Wölbung mit der Temperatur in Richtung R oder gemäß der Kurve B eine zumindest nur sehr geringe negative Änderung b der Wölbung mit der Temperatur.
Die Vermessung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften zeigte, dass sich die Auslenkung des erfindungsgemäßen Bauelementes 1 um etwa 20% und
(\\STELLA\USR\TEXTDAN\01735G-1 .foti ^efc&$peichQr&e$ "ft, Jifli
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&igr; dessen Steifigkeit um nahezu 80% im Vergleich zum konventionellen Element 2 gleicher Dimension erhöht.
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Claims (5)
1. Flaches mehrschichtiges Bauelement (1) zum Einsatz als Aktor oder Sensor, mit einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht (2), vorzugsweise einer Piezokeramik, und einer passiven Mittellage (3) sowie einer weiteren passiven Materialschicht (4), wobei die Mittellage (3) einen größeren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Materialien der beiden benachbarten Schichten (2, 4).
2. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die beiden inaktiven Schichten (3, 4) ein metallisches Verbundelement (5), insbesondere ein Thermobimetall, sind.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf der aktivierbaren Materialschicht (2) eine zusätzliche Metallschicht (7) angebracht ist.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die aktivierbare Materialschicht (2) eine innerer Struktur in Form mehrerer Lagen aufweist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die aktivierbare Materialschicht (2) eine Piezokeramik ist, deren zumindest eine Oberfläche (2a, 2b) zumindest teilweise mit einer Metallschicht (9) bedeckt ist.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005028976A1 (de) * | 2005-06-22 | 2006-12-28 | Siemens Ag | Piezoaktor mit gesteigertem Hubvermögen |
| DE102006036408A1 (de) * | 2006-08-02 | 2008-02-07 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Verfahren zur Fertigung eines Messgerätes und entsprechendes Messgerät |
| DE102011078706B4 (de) * | 2011-07-05 | 2017-10-19 | Airbus Defence and Space GmbH | Verfahren und herstellungsvorrichtung zur herstellung eines mehrschichtigen aktuators |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050012434A1 (en) * | 2003-03-26 | 2005-01-20 | Continuum Photonics, Inc. | Robust piezoelectric power generation module |
| DE102004031889B4 (de) * | 2004-06-30 | 2012-07-12 | Infineon Technologies Ag | Halbleiterbauteil mit einem Gehäuse und einem teilweise in eine Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung desselben |
| US20060132027A1 (en) * | 2004-12-22 | 2006-06-22 | Zhanjun Gao | Method and display element with reduced thermal stress |
| AU2007266831B2 (en) * | 2006-05-27 | 2012-05-31 | Bae Systems Plc | A bonding tool and method |
| DE102006047411A1 (de) * | 2006-09-29 | 2008-04-03 | Technische Universität Dresden | Verfahren zur Herstellung von Wandlerwerkstoff-Modulen und Wandlerwerkstoff-Module |
| US7834490B1 (en) * | 2006-12-28 | 2010-11-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Bimetallic strips for energy harvesting, actuation and sensing |
| WO2013054801A1 (ja) * | 2011-10-11 | 2013-04-18 | 株式会社村田製作所 | 流体制御装置、流体制御装置の調整方法 |
| US9448628B2 (en) | 2013-05-15 | 2016-09-20 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Localized key-click feedback |
| US9514902B2 (en) | 2013-11-07 | 2016-12-06 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Controller-less quick tactile feedback keyboard |
Family Cites Families (35)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2836738A (en) * | 1956-05-02 | 1958-05-27 | Joseph W Crownover | Prestressed piezo crystal |
| US3437849A (en) * | 1966-11-21 | 1969-04-08 | Motorola Inc | Temperature compensation of electrical devices |
| US3683211A (en) * | 1971-04-05 | 1972-08-08 | Rca Corp | Ferro-electric transformers with means to supress or limit resonant vibrations |
| US3916348A (en) * | 1975-01-31 | 1975-10-28 | Rca Corp | Temperature-compensated surface-propagated wave energy device |
| US4078160A (en) * | 1977-07-05 | 1978-03-07 | Motorola, Inc. | Piezoelectric bimorph or monomorph bender structure |
| JPS6048112B2 (ja) * | 1979-05-02 | 1985-10-25 | ソニー株式会社 | 電気・機械変換素子 |
| US4541731A (en) * | 1983-04-21 | 1985-09-17 | Technar, Incorporated | Temperature sensitive transducer with a resonant bimetal disk |
| JPS61295025A (ja) | 1985-06-25 | 1986-12-25 | Mitsubishi Petrochem Co Ltd | 薄膜フイルムの接着方法 |
| US5481184A (en) | 1991-12-31 | 1996-01-02 | Sarcos Group | Movement actuator/sensor systems |
| US5148076A (en) * | 1991-04-09 | 1992-09-15 | Honeywell Inc. | Apparatus for thermal tuning of path length control drivers |
| US5231326A (en) * | 1992-01-30 | 1993-07-27 | Essex Electronics, Inc. | Piezoelectric electronic switch |
| JP3238492B2 (ja) * | 1992-10-19 | 2001-12-17 | 株式会社タイセー | 圧電センサ |
| US5471721A (en) | 1993-02-23 | 1995-12-05 | Research Corporation Technologies, Inc. | Method for making monolithic prestressed ceramic devices |
| JP3471447B2 (ja) * | 1994-11-16 | 2003-12-02 | 日本碍子株式会社 | セラミックダイヤフラム構造体およびその製造方法 |
| US5632841A (en) * | 1995-04-04 | 1997-05-27 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Thin layer composite unimorph ferroelectric driver and sensor |
| DE19520796A1 (de) * | 1995-06-07 | 1996-12-12 | Siemens Ag | Piezoelektrischer Biegewandler |
| DE29623089U1 (de) * | 1996-05-23 | 1997-12-11 | Siemens AG, 80333 München | Piezoelektrisches Element |
| WO1998003134A1 (en) * | 1996-07-19 | 1998-01-29 | Neukermans Armand P | Biocompatible, implantable hearing aid microactuator |
| US5831371A (en) * | 1996-11-22 | 1998-11-03 | Face International Corp. | Snap-action ferroelectric transducer |
| US5849125A (en) | 1997-02-07 | 1998-12-15 | Clark; Stephen E. | Method of manufacturing flextensional transducer using pre-curved piezoelectric ceramic layer |
| US6213564B1 (en) * | 1997-04-15 | 2001-04-10 | Face International Corp | Anti-lock brake system with piezoelectric brake actuator |
| US6060811A (en) | 1997-07-25 | 2000-05-09 | The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration | Advanced layered composite polylaminate electroactive actuator and sensor |
| US6030480A (en) | 1997-07-25 | 2000-02-29 | Face International Corp. | Method for manufacturing multi-layered high-deformation piezoelectric actuators and sensors |
| DE19732513C2 (de) | 1997-07-29 | 2002-04-11 | Eurocopter Deutschland | Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur |
| US6140745A (en) | 1998-10-16 | 2000-10-31 | Face International Corp. | Motor mounting for piezoelectric transducer |
| WO2000044054A1 (en) * | 1999-01-22 | 2000-07-27 | Kansai Research Institute | Piezoelectric thin film device, its production method, and ink-jet recording head |
| DE19920576C1 (de) | 1999-05-04 | 2000-06-21 | Siemens Ag | Piezoelektrischer Biegewandler |
| WO2000071345A1 (en) * | 1999-05-24 | 2000-11-30 | Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. | Ink jet head and method of manufacture thereof |
| DE19948359A1 (de) | 1999-10-07 | 2001-01-11 | Siemens Ag | Aktoreinheit mit Keramikelement zur Temperaturkompensation |
| US6392329B1 (en) * | 1999-10-12 | 2002-05-21 | Face International Corp. | Piezoelectric vibrating apparatus |
| WO2001048834A2 (de) * | 1999-12-23 | 2001-07-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Piezoelektrisches element |
| DE10008752B4 (de) | 2000-02-24 | 2005-07-28 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Piezoelektrischer Aktor |
| US6512323B2 (en) | 2000-03-22 | 2003-01-28 | Caterpillar Inc. | Piezoelectric actuator device |
| DE10023556A1 (de) | 2000-05-15 | 2001-11-29 | Festo Ag & Co | Piezo-Biegewandler sowie Verwendung desselben |
| CN1483225A (zh) * | 2000-09-27 | 2004-03-17 | ���µ�����ҵ��ʽ���� | 电介质薄膜元件及使用它的执行元件、喷墨头和喷墨记录装置 |
-
2002
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005028976A1 (de) * | 2005-06-22 | 2006-12-28 | Siemens Ag | Piezoaktor mit gesteigertem Hubvermögen |
| DE102006036408A1 (de) * | 2006-08-02 | 2008-02-07 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Verfahren zur Fertigung eines Messgerätes und entsprechendes Messgerät |
| DE102006036408B4 (de) | 2006-08-02 | 2020-04-23 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Verfahren zur Fertigung eines Messgerätes und entsprechendes Messgerät |
| DE102011078706B4 (de) * | 2011-07-05 | 2017-10-19 | Airbus Defence and Space GmbH | Verfahren und herstellungsvorrichtung zur herstellung eines mehrschichtigen aktuators |
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| DE102005052714B4 (de) | Piezoaktor und Verfahren zur Herstellung desselben |
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