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Dokumentenidentifikation DE69118484T2 01.08.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0485995
Titel Laminierter piezoelektrischer Antrieb
Anmelder NEC Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Yamashita, Osamu, c/o NEC Corporation, Tokyo, JP
Vertreter Pätzold, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 82166 Gräfelfing
DE-Aktenzeichen 69118484
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 13.11.1991
EP-Aktenzeichen 911193696
EP-Offenlegungsdatum 20.05.1992
EP date of grant 03.04.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.08.1996
IPC-Hauptklasse H01L 41/08

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen laminierten piezoelektrischen Antrieb nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, in dem eine Vielzahl von Elektrostriktions effekt-Elementen miteinander in ihrer longitudinalen Auslenkungsrichtung verbunden sind.

Herkömmlich wurde, als ein Antrieb der den Elektrostriktionseffekt ausnutzt, ein laminierter piezoelektrischer Antrieb verwendet, der es gestattet, eine große Auslenkung zu erzielen. Dieser Antrieb wurde folgendermaßen hergestellt: Nachdem ein Film eines piezoelektrischen keramischen Materials mit einer Dicke von ungefähr 100 µm gebildet ist und eine elektrisch leitende Paste auf seine Oberfläche gedruckt ist, wird er in eine vorbestimmte Größe zerschnitten, um Schichten zu bilden, die mit 10 bis 100 Schichten laminiert sind. Auf jeder Oberfläche dieser laminierten Struktur ist eine Schicht piezoelektrischen keramischen Materials ohne die elektrisch leitende Paste mit einigen bis 10 Schichten laminiert. Es wird gesintert und poliert, um eine konstante Dicke zu erzielen. Danach werden Schneide- und Isolierungsarbeitsgänge und die Bildung von Leitungen durchgeführt, um so ein Elektrostriktionseffekt-Element zu erzielen, in dem die Distanz zwischen den Elektroden klein ist und die Anzahl der laminierten Schichten groß ist.

Die Auslenkung des so erzielten Elektrostriktionseffekt Elements erreicht ungefähr 10 µm bis 20 µm (wenn 150 V angelegt ist). Falls eine noch größere Auslenkung erzielt werden soll, so ist es möglich, die Anzahl der laminierten Schichten der vorstehenden Schicht zu erhöhen, aber falls die Anzahl der Lagen erhöht wird, kann bei der Sinterung ein Bruch oder eine Ablösung auftreten.

Daher wurden herkömmlich, um eine noch größere Auslenkung zu erzielen, die oben beschriebenen Elektrostriktionseffekt-Elemente mit einem Klebewirkstoff aneinandergeklebt, um eine Schichtung zu bilden, und sie wurden mit einer Umhüllung versiegelt, die aus einem metallischen Gehäuse und metallischen Teilen besteht, um den Antrieb herzustellen.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt, der die Bauweise eines solchen herkömmlichen laminierten piezoelektrischen Antriebs zeigt.

Bezugnehmend auf Fig. 1 sind eine Vielzahl von Elektrostriktionseffekt-Elementen 1 mit einem Klebewirkstoff 11 aneinandergeklebt, um eine Schichtung zu bilden, und die Elektroden dieser Elemente sind mit Leitungsterminals 2a, 2b über die Leitungen 4a, 4b verbunden. Zwei scheibenförmige metallische Teilstücke 3, 6 sind mit öffnungsabschnitten 5a, Sb eines zylindrischen metallischen Gehäuses 5 verbunden. Die oberen und unteren Endabschnitte 1a und 1b der Schichtung des Elektrostriktionseffekt-Elements 1 sind jede mit dem Klebewirkstoff 11 an die Aussparungsabschnitte geklebt, die an der inneren Oberfläche der metallischen Teilstücke 3 und 6 gebildet sind.

Tatsächlich tritt, obwohl im allgemeinen die Auslenkung der Elektrostriktionseffekt-Elemente eine longitudinale Deformation der piezoelektrischen Keramik erzeugt, die von der angelegten Spannung verursacht wird, zur gleichen Zeit auch eine transversale Deformation auf, deren Magnitude proportional zur Stärke des elektrischen Feldes ist. Als Resultat beläuft sich, wenn eine Spannung angelegt ist, die Stärke des elektrischen Feldes der piezoelektrischen Keramik an dem geklebten Abschnitt auf eine Größenordnung vom 1/10 des einen 1/1000 der Stärke des elektrischen Feldes der piezoelektrischen Keramik an dem anderen Abschnitt, und die transversale Deformierung nimmt auch eine ähnliche Differenz an. Um diese Differenz der transversalen Deformierungen über die Gestalt des Elektrostriktionseffekt-Elements zu absorbieren, wird die piezoelektrische Keramik an den geklebten Abschnitten in eine konvexe Form deformiert. Als Konsequenz tendiert, wenn eine Vielzahl von Elementen geklebt sind, die geklebte Oberfläche dazu, jedes Mal, wenn eine Spannung an den piezoelektrischen Antrieb angelegt wird, in eine konvexe Form zu deformieren, wobei eine große Spannung in der Nachbarschaft des geklebten Abschnitts verursacht wird. Wenn daher die Spannung wiederholt an- und abgeschaltet wird, kann eine Abschälung an der geklebten Schicht oder ein Bruch der piezoelektrischen Keramik in der Nachbarschaft der geklebten Schicht auftreten.

Zusätzlich kann in Abhängigkeit des Materials oder der Dicke des klebenden Wirkstoffes die Auslenkung in der Größenordnung von einigen 10% an jeder geklebten Schicht absorbiert und reduziert werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen laminierten piezoelektrischen Antrieb der eingangs genannten Art bereitzustellen bei dem, selbst wenn die Spannung wiederholt an- und abgeschaltet wird, weder eine Abschälung an der geklebten Schicht noch ein Bruch der piezoelektrischen Keramik in der Nachbarschaft der geklebten Schicht auftritt, während eine Reduktion seiner Auslenkung, die von der Verbindung der Elektrostriktionseffekt-Elemente verursacht wird, klein ist.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Antrieb hat ein Merkmal, daß eine Vielzahl von piezoelektrischen Effekt- Elementen in ein röhrenförmiges unterstützendes Bauteil eingesetzt sind, das eine innere Ausbildung hat, die dem Profil der Elemente entspricht und in der Lage ist, die Elemente in ihrer Auslenkungsrichtung zu verbinden und zu positionieren, um so die Elemente ohne einen klebenden Wirkstoff zu verwenden, zu stützen.

Wenn die Vielzahl von Elektrostriktionseffekt-Elementen aufeinander geschichtet werden, werden sie gedrückt und fixiert von einer Springfeder des metallischen Gehäuses 5 in das unterstützende Bauteil eingebracht, so daß, wenn Spannung an den laminierten piezoelektrischen Antrieb angelegt wird, die Deformation der Kontaktabschnitte der Elemente, die von der Differenz zwischen der Stärke des elektrischen Feldes der piezoelektrischen Keramik in der Nachbarschaft der Kontaktabschnitte und der Stärke des elektrischen Feldes der piezoelektrischen Keramik zwischen den internen elektrisch leitenden Schichten, verhindert werden kann, und selbst wenn die Spannung wiederholt an- und abgeschaltet wird, kein Bruch der Keramik oder ein Ablösen der Kontaktabschnitte auftreten kann.

Zusätzlich kann, da kein klebender Wirkstoff für die Verbindung der Elektrostriktionseffekt-Elemente verwendet wird, die Anzahl der Mannstunden, die für die Verbindung benötigt wird, drastisch reduziert werden, und ein Schaden der geklebten Zwischenfläche, der von thermischer Spannung verursacht werden kann, wenn der Klebstoff ausgehärtet wird, kann ebenso effektiv vermieden werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines konventionellen piezoelektrischen Antriebs in einem metallischen Gehäuse;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt eines laminierten piezoelektrischen Antriebs nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Antriebs von Fig. 2; und

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung eines Blockes für die Bildung eines unterstützenden Bauteils, das in einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORTEILHAFTEN AUSFÜHRUNGEN DER ERFINDUNG

Verweisend auf Fig. 2 und 3, ist eine Vielzahl von Elektrostriktionseffekt-Elementen 1 in vertikaler Richtung verbunden gestapelt. Jedes Element 1 ist gebildet, indem eine Vielzahl von Elektrostriktionsmaterial-Schichten und eine Vielzahl von internen Elektrodenschichten alternierend laminiert sind. Das bedeutet, daß die Auslenkungsrichtung jedes Elements 1 vertikal ist. Das Element 1 bildet, wie in Fig. 3 gezeigt, die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds mit quadratischem Querschnitt.

Ein Stapel der Elemente 1 wird mittels einem unterstützenden Bauteil 7 erzielt. Dieses unterstützende Bauteil 7 hat, wie in Fig. 3 gezeigt, im wesentlichen die gleiche Länge wie die gesamte Länge der verbundenen Elemente, und nimmt die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds mit einem Hohlraum an, wobei der Querschnitt seines Hohlraumes einige mm größer als der des Elements ist, und das unterstützende Bauteil 7 aus isolierendem Material hergestellt ist. Zusätzlich sind unter seinen vier lateralen Oberflächen zwei einander gegenüberliegende laterale Oberflächen beide mit einer sich vertikal erstreckenden Einkerbung versehen, so daß Leitungen 4a, 4b des Elements 1 hindurchführen können.

Die oberen und unteren Endabschnitte 1a und 1b des Stapels der Elemente 1 werden von dem unterstützenden Bauteil 7 jedes auf den metallischen Teilstücken 3 und 6 gehalten. Eines der metallischen Bauteile 3 ist im wesentlichen scheibenförmig, und auf seiner unteren Oberfläche ist eine Ausnehmung gebildet, so daß die oberen Endabschnitte la, 7a des unterstützenden Bauteils 7 und der Stapel der Elemente darin aufgenommen werden können. Zusätzlich sind zwei Leitungsterminals 2a, 2b an dem metallischen Teilstück 3 angeordnet, und an diese Terminals sind die Endabschnitte der Leitungen 4a, 4b, die von jedem Element 1 fortführen, über die Lötstellen 101a und 101b verbunden. Das andere metallische Teilstück 6 ist auch im wesentlichen scheibenförmig. An der oberen Oberfläche des metallischen Teilstückes 6 ist eine Ausnehmung derart gebildet, daß die unteren Endabschnitte 1b, 7b des unterstützenden Bauteiles 7 und der Stapel der Elemente darin aufgenommen werden können. Die metallischen Teilstücke 3 und 6 sind aus rostfreiem Stahl hergestellt.

Die äußeren Oberflächen der oben beschriebenen beiden metallischen Teilstücke 3 und 6 sind beide an obere und untere Öffnungsabschnitte 5a und Sb des röhrenförmigen metallischen Gehäuses 5 befestigt. Das metallische Gehäuse 5 ist aus rostfreiem Stahl hergestellt und kann in seiner longitudinalen Ausbildung gedehnt und kontrahiert werden, was bedeutet, daß es in seiner vertikalen Richtung beispielsweise wie gezeigt die Form eines Blasebalgs annimmt. Die Befestigung der metallischen Teilstücke 3 und 6 an das metallische Gehäuse wird mit Schweißen durchgeführt, um so den Stapel der Elemente hermetisch zu versiegeln.

Tatsächlich wird der Stapel der Elemente vorher in vertikaler Richtung um eine vorbestimmte Länge ausgedehnt, und eine Verkleinerungskraft wird von dem metallischen Gehäuse 5 erzeugt und wirkt in vertikaler Richtung und wird auf den oben beschriebenen Stapel der Elemente 1 ausgeübt.

Als nächstes wird ein Verfahren der Herstellung des erfindungsgemäßen Antriebs beschrieben.

Ein organischer Binder wird mit einer festen multikomponenten Keramikpulverlösung vermischt, die eine Perowskitkristallstruktur hat, um eine grüne Schicht (green sheet) mit der Dicke von ungefähr 100 µm zu bilden, auf der ein interner Elektrodensilberleiter in der Form einer Paste aufgebracht wird, und nach der Trocknung wird die Struktur mit mehreren 100 Schichten (z.B. 120 Schichten) laminiert und gesintert, um eine laminierte Struktur zu bilden. Der außenliegende Abschnitt des internen Silberelektrodenleiters wird auf die laterale Oberfläche der laminierten Struktur geführt. Nachdem der außenliegende Abschnitt selektiv mit einem isolierendem Glasfilm bedeckt wird, werden zwei externe Elektroden in der Form eines Kamms gebildet, in dem abwechselnd die internen Silberelektroden mit jeder Schicht verbunden werden. Dann werden die Leitungen 4a, 4b jede an diese beiden externen Elektroden gelötet, und die laterale Oberfläche wird mit Kunstharz bedeckt. Eine Vielzahl der so hergestellten Elemente 1 wird vor der Versiegelung einer Wärmebehandlung bei Temperaturen (beispielsweise 150 bis 170ºC) von oberhalb der Curietemperatur ausgesetzt, die für das keramische Material charakteristisch ist; die Wärmebehandlung wird über einen Zeitraum vorgenommen (beispielsweise 0,5 bis 2 h) indem die Polarisation eliminiert wird, und dann wird der eine Endabschnitt 7a des unterstützenden Gehäuses 7, das einen Hohlraum hat, der einige mm größer ist als das Profil des Elements 1, an die innere Aussparung der Oberfläche des oberen metallischen Teilstückes 3 befestigt, so daß das unterstützende Bauteil 7 errichtet werden kann. Die Elemente 1 werden in das unterstützende Bauteil von seinem anderen Endabschnitt 7b eingesetzt, wobei die Anzahl bis zu der Länge des unterstützenden Bauteiles 7 addiert wird (siehe Fig. 3). Als nächstes werden die Leitungen 4a, 4b jedes Elementes 1 und die internen Endabschnitte der Leitungsterminals 2a, 2b durch Löten verbunden. Als nächstes werden ein Endabschnitt 5b des metallischen Gehäuses 5 und das metallische Teilstück 6 vorher durch Schweißen oder ähnliches versiegelt. Als nächstes wird von dem Öffnungsabschnitt 5a des metallischen Gehäuses 5 der andere Endabschnitt 7b des unterstützenden Bauteils 7, auf dem das metallische Teilstück 3 befestigt ist, eingeführt, um mittels eines Anschlusses befestigt zu werden, so daß der Endabschnitt 1b des Stapels der Elemente 1 nahe an der mit einer Aussparung versehenen Oberfläche des metallischen Teilstückes 6 befestigt ist. Dann wird das metallische Teilstück 3 und der Öffnungsabschnitt 5a des metallischen Gehäuses 5 durch Schweißen oder ähnliches versiegelt, um das Versiegeln zu vervollständigen. Als nächstes wird eine Gleichstromspannung (von beispielsweise 150 V), unter der die Elemente 1 polarisieren können, zwischen die externen Endabschnitte der Leitungsterminals 2a und 2b, die an dem metallischen Teilstück 3 angebracht sind, 10 bis 20 s lang angelegt, um das Element 1 um einen Rest-Polarisationsbetrag auszudehnen. Falls die Federkonstante des metallischen Gehäuses 5 derart eingestellt ist, daß die Verkleinerungskraft des metallischen Gehäuses relativ zur Ausdehnung der Restpolarisierten Komponenten eine Größenordnung von 20 bis 100% (beispielsweise 196.1 bis 490.3 N (20 bis 50 kg f) des Maximalbetrages der von Element 1 erzeugten Kraft hat, kann ein in ein metallisches Gehäuse eingebauter piezoelektrischer Antrieb hergestellt werden, der mit dem vorher mit einer Kraft von 20 bis 100 % des Maximalbetrages der erzeugenden Kraft komprimierten Stapel von Element 1 montiert wurde.

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung eines Blockes für die Bildung eines unterstützenden Bauteils, der in einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Obwohl in der ersten Ausführung der Erfindung das unterstützende Bauteil 7 ein Bauteil ist und seine Länge mit der gesamten Länge der gestapelten Elemente korrespondiert, ist in dieser zweiten Ausführung das unterstützende Bauteil aus einer Vielzahl von Blöcken 17 zusammengesetzt und die Länge jedes Blocks ist im wesentlichen gleichgroß gebildet wie die Länge eines einzelnen Elements, und ein Vorsprung 17a ist an den vier Ecken einer Endoberfläche des Blocks 17 vorgesehen, während korrespondierend mit diesem Vorsprung 17a ein Loch 17b an den vier Ecken der anderen Endoberfläche vorgesehene ist. Die vier Vorsprünge 17a können alle von vier Löchern 17b eines anderen Blocks 17 aufgenommen werden, so daß die Blöcke 17 aufeinanderfolgend in einer gewünschten Anzahl miteinander verbunden werden können, um ein unterstützendes Bauteil mit einer beabsichtigten Länge zu bilden.

Diese Anordnung kann mit einer beliebigen Anzahl von verbundenen Blöcken 17 mit gleicher Länge erzielt werden, die der Anzahl der verwendeten Elemente entspricht.


Anspruch[de]

1. Laminierter piezoelektrischer Antrieb bestehend aus einer Vielzahl von Elektrostriktionseffekt-Elementen (1), die aufeinander gestapelt sind, wobei jedes dieser Elemente die Struktur hat, daß Schichten aus elektrostriktivem Material und interne Elektrodenschichten abwechselnd laminiert sind, einem Gehäuse, das die Elemente abdichtet, wobei das Gehäuse aus einem metallischen Gehäuse (5) mit wenigstens einem metallischen Bauteil (3, 6), das an einer Öffnung (5a, 5b) des Gehäuses befestigt ist, besteht,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Elektrostriktionseffekt-Elementen in einem unterstützenden Bauteil (7) in ihrer longitudinalen Verschieberichtung in einem unterstützenden Bauteil (7) gestapelt sind, wobei das unterstützende Bauteil Einkerbungen auf seinen einander gegenüberliegenden lateralen Oberflächen aufweist, durch die Leitungen (4a, 4b) geführt sind, die die Vielzahl von Elektrostriktionseffekt-Elemente mit einer vertikalen Druckfeder des Gehäuses verbinden, das in seiner longitudinalen Richtung dehnbar und kontraktierbar ist.

2. Laminierter piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, in dem das unterstützende Bauteil (7) die Ausbildung eines röhrenförmigen rechtwinkligen Parallelepiped hat, wobei der Querschnittsbereich seines Hohlraumes etwas größer ist als der der Elektrostriktionseffekt-Elemente, und im wesentlichen die gleiche Länge hat wie die Gesamtlänge der Vielzahl von Elektrostriktionseffekt-Elemente, und das unterstützende Bauteil aus einem isolierenden Material hergestellt ist.

3. Laminierter piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, in dem das unterstützende Bauteil (7) eine Vielzahl von Blöcken (17) beinhält, wobei jeder der Blöcke im wesentlichen die gleiche Länge hat wie die eines einzelnen Elementes der gestapelten Elemente, und an den vier Ecken seines Scheitels Zapfen (17a) und an den vier Ecken seines Bodens Löcher (17b) hat, wobei die Blöcke miteinander verbunden sind, indem aufeinanderfolgend Zapfen in Löcher eines angrenzenden Blocks eingeführt sind.







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