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Biegeelement aus Piezokeramik und Verfahren zu seiner Her-
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stellung.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Biegeelement aus Piezokeramik
und auf sein Herstellungsverfahren, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
beschrieben ist.
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Es ist seit langem bekannt, Bimorph-Biegeelemente aus Piezokeramik
herzustellen und zu verwenden. Solche Biegeelemente bestehen aus einer Vielzahl
dünner, aufeinanderliegender, miteinander fest verbundener Lamellen aus Piezokeramik.
Um ein solches Biegeelement mit möglichst geringer elektrischer Spannung betreiben
zu können, hat man solche Elemente mit Lamellen hergestellt, die nur 100 pm Dicke
haben. Selbst bei derart dünnen Lamellen benötigt man jedoch für verwertbare mechanische
Auslenkung elektrische Spannungen in der Höhe von 100 Volt. Mit 200 Volt würde im
übrigen die im Einzelfall vom Keramikmaterial abhängige Grenzfeldstärke von ca.
2 kV/mm erreicht sein. Einzige weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Auslenkung
war bisher, die für die Biegung zur Verfügung stehende Länge der Lamellen zu vergrößern,
was naturgemäß zu vielfach unerwünscht großen Abmessungen der Biegeelemente führt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches piezokeramisches
Biegeelement und das Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, für das nur Niedervoltspannung
zum Betrieb erforderlich ist und dennoch nur geringe Länge des Biegeelements erforderlich
ist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des
entsprechenden Verfahrensanspruches gelöst. Weitere
Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, von dem jahrzehntelang praktizierten
Aufbau des Biegeelementes aus einem Stapel aufeinanderliegender Lamellen, einem
sogenannten Bimorph, abzugehen. Das Biegeelement der vorliegenden Erfindung ist
als monolithischer Körper anzusehen, denn der Bildungsprozeß für die Erzeugung des
Keramikcharakters erfolgt integral für das ganze Biegeelement. Bei der Erfindung
werden schichtenweise Rohkeramikmaterial und Material für Abstandsschichten bzw.
Elektrodenschichten aufeinander angeordnet; erst dann wird das Sintern vorgenommen.
Das Rohkeramikmaterial ist das gegebenenfalls bereits umgesetzte Ausgangsmaterial
der Keramik, das mit Flüssigkeit und gegebenenfalls Bindemittel zu einem Schlicker
verarbeitet ist. Ausgangsmaterial, Herstellung des Schlickers und der gegebenenfalls
bereits durchgeführte Umsatz entsprechen üblicher bekannter Herstellung von Piezokeramik.
Zum Beispiel ist das Ausgangsmaterial Bariumkarbonat und Titandioxid oder Bleioxid,
Zirkonoxid und Titanoxid. Im Falle des bereits durchgeführten umsatzes (prefired)
ist aus diesen Ausgangsstoffen bereits Bariumtitanat bzw. Bleizirkonattitanat entstanden,
das dann wieder gemahlen wird.
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Durch ein Siebdruckverfahren wird die Folge aus Rohkeramikschichten
und Elektrodenschichten bzw. Abstandsschichten in besonders vorteilhafter Weise
erzeugt. Man geht dabei von einer Trägerfolie als Substrat aus, wobei diese Trägerfolie
eine Keramik-Rohfolie aus vorteilhafterweise der gleichen Keramikmasse ist, die
für die einzelnen aufzudruckenden Schichten verwendet wird. Diese Trägerfolie ist
ein passiver Teil des Biegeelementes. Die aufgebrachten Keramikschichten mit dazwischenliegenden
Elektroden bilden da-
gegen den aktiven Teil des Biegeantriebs.
Vorteilhafterweise wird auch das Material dieser Trägerfolie - ebenso wie die piezoelektrisch
aktiven Folien des Elements - elektrisch polarisiert (jedoch im Betrieb elektrisch
nicht angeregt). Dadurch ist sichergestellt, daß die thermische Ausdehnung dieser
Trägerfolie einerseits und des Pakets, bestehend aus den aktiven Folien, andererseits
gleich groß und kompensiert ist.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung werden der Einfachheit halber
an einem Beispiel eines Herstellungsverfahrens eines Biegeelements der Erfindung,
und zwar anhand der beigefügten Figuren, gegeben.
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Fig.1 zeigt einen schematischen Aufbau.
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Fig.2, 3 und 5 zeigen Forgebungen für die Elektroden und Fig .4 zeigt
ein fertiges Biegeelement.
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Fig.1 zeigt einen Querschnitt durch ein bezüglich seiner Länge L abgebrochenes
und bezüglich seiner Breite B unterbrochenes Stück eines erfindungsgemäßen Biegeelementes
1.
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Mit 2 ist die bereits oben angegebene Trägerfolie bezeichnet. Mit
3 sind Keramikschichten bezeichnet, die die aktiven Keramikfolien im fertigen Biegeelement
bilden. Mit 4 sind die ebenfalls bereits oben erwähnten Elektroden bzw. Abstandsschichten
bezeichnet, auf die insbesondere noch näher einzugehen ist. Mit 5 sind jeweilige
Keramik-Randstreifenschichten bezeichnet, die zweckmäßigerweise, jedoch nicht unbedingt
vorgesehen sein müssen. Wie ersichtlich, können bei
den ohnehin
sehr dünnen Elektrodenschichten 4 bzw. bei einer gegenüber der Dicke der Folien
3 sehr viel geringeren Dicke der Abstandsschichten 4 diese Randstreifenschichten
5 auch weggelassen werden, womit dann in diesem zur Breite B ohnehin vergleichsweise
schmalen Randbereich die einzelnen Folien 3 unmittelbar aufeinanderliegen. In diesem
Falle wird bei Herstellung mittels eines Beschichtungsverfahrens im Regelfall die
(aufgedruckte) Schicht, aus der die jeweilige Folie 3 gebildet wird, in diesen Randbereichen
etwas dicker sein, so daß das Biegeelement 1 insgesamt wieder durchwegs angenähert
einheitliche Dicke D haben wird.
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Als Elektrodenschichten 4, die keiner noch weiteren Verfahrensschritte
bedürfen, kann z.B. Platin oder entsprechendes Metall verwendet werden, das gegenüber
dem nachfolgenden Sintern beständig ist.
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Wie bereits erwähnt, eignet sich für die Herstellung eines erfindungsgemäßen
Biegeelementes 1 insbesondere das Siebdruckverfahren. Auf eine beispielsweise bereits
vorhandene Trägerfolie 2 wird zunächst eine erste wenige pm dicke Elektrodenschicht
aus z.B. Platin oder eine erste Abstandsschicht 4 aufgedruckt, für die z.B. eine
Dicke von 2 um bis 10 um vorzusehen ist. Für eine Abstandsschicht 4 eignet sich
als Material insbesondere Graphit mit darin eingelagerten Abstandskörnern aus beispielsweise
Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Zirkondioxid. Beim nachfolgenden Sintern brennt
das Graphit aus und die dem Sinterprozeß gegenüber beständigen Oxid-Körner füllen
nicht mehr vollständig, aber stützen dennoch weiterhin den ursprünglichen Raum.
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Zugleich oder nachfolgend wird - soweit vorgesehen - die erwähnte
Randschicht 5 (mit zu Fig.2 beschriebener Form 5,1
bzw. 5,2) um
die Abstandsschicht 4 herum aufgedruckt. Diese Randschicht 5 besteht vorzugsweise
aus dem gleichen Material bzw. Schlicker, aus dem die für die Folien 3 aufzudruckenden
Schichten bestehen.
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Nachfolgend wird dann die erste Folienschicht 3 aus Rohkeramik aufgedruckt.
Diese Rohkeramik ist ein Schlicker aus bereits umgesetztem Rohkeramikmaterial, sogenannter
grüner Keramik, die noch nicht gesintert ist. Die Dicke dieser Rohkeramikschicht
wird so gewählt, daß die später fertig gesinterte Keramikfolie eine Dicke d von
z.B. 15 bis 50 um, insbesondere zn etwa 30 um, hat.
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Es wird dann die folgende Elektroden- bzw. Abstandsschicht 4 aufgedruckt,
für die die gleiche Dicke wie für die schon ausgeführte Abstandsschicht vorgesehen
ist.
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Das abwechselnde Aufbringen einer jeweils weiteren Elektroden- bzw.
Abstandsschicht 4, ggf. mit Randschicht 5, und einer jeweils weiteren Schicht für
eine Folie 3 wird solange fortgesetzt, bis schließlich die gewünschte Vielzahl von
übereinanderliegenden, als piezoelektrische aktive Schichte dienenden Folien 3 erreicht
ist.
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Ist für die Schichten 4 ein beim Sintern herausbrennendes Material
vorgesehen, d.h. sind Abstandsschichten 4 (mit noch darin enthaltenen Abstandskörnern)
vorgesehen, werden diese z.B. im Vakuum mit Metall, z.B. mit Blei, ausgefüllt. Dieses
Metall bildet dann das Elektrodenmaterial zwischen den piezoelektrisch aktiven Folienschichten
3 des ganzen erfindungsgemäßen Biegeelementes.
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Die Fig.2 und 3 zeigen - vergleichsweise zur Fig.1 in Aufsicht - Elektroden-
bzw. Abstandsschichten 4, und zwar Fig.2
eine solche für eine jeweilige
Elektrode der einen Polarität und Fig.3 eine solche für eine jeweilige Elektrode
der anderen Polarität des mit elektrischer Spannung zu speisenden fertigen Biegeelements.
Mit 5,1 ist eine Form und mit 5,2 ist die andere Form der Keramikrandschichten angegeben.
Im Stapel des fertigen Biegeelementes sind diese beiden verschiedenen Formgebungen
5,1 und 5,2 abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet, so daß die mit 8 und mit
9 bezeichneten Öffnungen am fertigen Element (siehe die noch näher zu beschreibende
Fig.4) nebeneinander bzw. zueinander versetzt angeordnet sind. Die durch die Abstandsschichten
4 gebildeten Hohlräume werden nach dem Verbrennen des beispielsweise verwendeten
Graphits durch die Öffnungen 8 und 9 hindurch im Vakuumverfahren mit niedrigschmelzendem
Metall - wie z.B. Blei, Zinn oder leitfähigem Kunststoff - für die Elektroden 41
und 42 angefüllt. Mit 141 und 142 sind die später als Anschlüsse verwendeten, herausragenden
Fortsätze bezeichnet.
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Fig.4 zeigt ein fertiges erfindungsgemäßes Biegeelement. Die Bezugszeichen
haben die Bedeutung der oben erörterten Einzelheiten. Mit 241 und 242 sind die Anschlußkontakte
des Biegeelementes bezeichnet. Es sind dies Metallbeschichtungen auf den Stirnflächen
der Fortsätze 141 bzw. 142 in den Öffnungen 8 bzw. 9. Diese durch die Bereiche der
Keramikrandschichten 5,1 und 5,2 hindurchragenden Fortsätze bzw. die Unterbrechungen
8 und 9 in diesen Bereichen sind auch dann vorzusehen, wenn solche Keramikrandschichten
weggelassen werden. Auch in diesem Falle ist die Elektroden- bzw. Abstandsschicht
im Sinne der Darstellungen der Fig.2 und 3 an jeweils einer Stelle bis zur Außenoberfläche
des Biegeelementes 1 herauszuführen.
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Nach dem Aufdrucken der einzelnen Schichten 3, 4 und gegebenenfalls
5 wird derentstandene Stapel gepreßt und gesintert.
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Soweit sie noch fehlen, werden dann erforderliche Außenelektroden
auf dem gesinterten Biegeelement 1 angebracht.
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An sich ist das Material der Keramikrandschichten 5 mechanischer Ballast
für das Biegeelement 1. Für Hochleistungselemente empfiehlt es sich daher, einen
Anteil des Material dieser Bereiche 5 nach dem Sintern und dem Vorhandensein des
Elektrodenmaterials in den Abstandsschichten 4 zu entfernen.
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Für die Durchführung der für Piezokeramik erforderlichen elektrischen
Polarisation des gesinterten Keramikmaterials wird so vorgegangen, daß an die beiden
nach außen geführten Anschlüsse 141 und 142 elektrische Polarisationsspannung angelegt
wird, mit der dieser Elektrodenanordnung entsprechend aufeinanderfolgende Folien
3 einander entgegengesetzt gerichtet polarisiert werden. Insbesondere wenn die ursprünglich
vorhandenen Randbereiche 5 entfernt worden sind, wird dieses Polarisieren vorzugsweise
in einem elektrisch isolierenden Medium, wie z.B. in Schwefelhexafluorid-Atmosphäre
durchgeführt. Besonders vorteilhaft kann sein, vor Durchführung dieses Polarisationsverfahrens
zunächst den ganzen Körper mit den darin übereinanderliegend befindlichen Folien
3 bzw. Schichten 4 in nur einer Richtung (Dickenrichtung D) zu polarisieren, und
zwar bevor die Verbindungen der Elektroden 41 einerseits und 42 andererseits durch
das Aufbringen der Anschlüsse 241 bzw. 242 erfolgt ist. Auch diese Polarisation
wird vorzugsweise in elektrischem Isoliermedium durchgeführt. Der Vorzug eines solchen
vorgeschalteten Schrittes ist, daß zunächst ohne größere Gefahr von Überschlagen
eine jeweilige Polarisationsausrichtung des Keramikmaterials des Elementes durchgeführt
wird. Dabei kann auch das Keramikmaterial der Keramikrandschichten 5 mit eingeschlossen
werden. Diese integrale Polarisation aller Keramikanteile bewirkt, daß mechanische
Verspannungen innerhalb der polari-
sierten Keramik auf einem Minimum
gehalten sind. Das nachfolgend durchzuführende Polarisationsverfahren durch Anlegen
elektrischer Spannung zwischen den Anschlüssen 241 und 242 führt zum Umpolen der
Polarisation der jeweils zweiten Folie 3. Es sei darauf hingewiesen, daß für das
jeweilige Umpolen der Polarisation im Material einer der Keramikfolien 3 geringere
Polarisationsspannung bzw. Polarisationsfelstärke erforderlich ist als für eine
erstmalige Polarisation. Die Umpolarisierung erzeugt im übrigen auch keine zusätzliche
mechanische Verspannung des Keramikmaterials.
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Es ist sinnvoll, die Trägerfolie aus den obengenannten Gründen mitzupolarisieren,
obwohl sie im späteren Betrieb piezoelektrisch nicht angeregt wird. Die Polarisation
des Materials der Trägerfolie dient ebenfalls der Verringerung mechanischer Verspannungen
und der Verhinderung von störenden Temperatur-Ausdehnungseffekten im keramischen
Material des Biegeelementes 1.
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Fig.5 zeigt eine Variante der Form der im endgültigen erfindungsgemäßen
Biegelement vorgesehen Elektroden. Die Fig.5 zeigt vergleichsweise zur Fig.2 eine
Abstandsschicht 54 mit einer Keramikrandschicht 55, die Stege 155 und 255 besitzt.
Der innerhalb der Keramikrandschicht 55 und den Stegen 155 und 255 freie Raum 54
ist durch Verwendung herausbrennenden Materials, wie z.B. Graphit, und gegebenenfalls
zusätzlicher Verwendung von Abstandskörnern hergestellt bzw.
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erzeugt. Dieser Innenraum ist im fertigen erfindungsgemäßen Biegeelement
mit Elektrodenmetall ausgefüllt. Die spiegelsymmetrische Form erhält die der Fig.3
entsprechende Gegenelektrode des Biegeelementes dieser Variante. Alle übrigen zu
den Fig.1 bis 4 angegebenen Einzelheiten gelten sinngemäß für eine Variante mit
Elektrodenform nach Fig.5. Die Stege 155 und 255 bewirken, daß entsprechend schmale,
zur Längen-
abmessung L quer verlaufende Zonen in den einzelnen
Keramikfolien 3 vorhanden sind, in denen keine elektrische Anregung des Keramikmaterials
dieser Folien im Betriebsfall eintritt. Mit dieser für Bimorph-Biegelemente an sich
schon bekanntgewordenen Maßnahme läßt sich die Querdeformation des erfindungsgemäßen
Biegeelementes verringern, womit eine Vergrößerung der nutzbringenden Auslenkung
zu erreichen ist.
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Es sei noch auf den Vorteil eines erfindungsgemäßen Biegeelementes
hingewiesen, der darin besteht, daß bei erfindungsgemäßem Aufbau die die piezoelektrische
Biegung bewirkenden, piezoelektrisch anzuregenden Folien 3 mit sich ergebender hoher
elektrischer Feldstärke angeregt werden können, die gleichsinnig der piezoelektrischen
Polarisation des Keramikmaterials gerichtet ist und dementsprechend keine Depolarisation
durch die Betriebsspannung bewirkt werden kann.
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Das Vorhandensein der Körner in den Abstandsschichten hat für das
damit versehene Biegeelement besondere Bedeutung.
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Sie bewirken eine Stützfunktion zwischen den Folien 3. Die Oxidkörner
sintern an die Keramik an und bilden auch gegen Biegungskräfte beständige Stützen.
Es ist vorteilhaft, wenn z.B. 10-30% des Volumens der Abstandsschichten 4 von solchen
Oxidkörner-Stützen eingenommen werden.