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1. WO1996041384 - PIEZOELECTRIC BENDING TRANSDUCER

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[ DE ]

Be s ehre ibung

Piezoelektrischer Biegewandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Biegewandler mit einer Piezokeramikschicht, welche auf eine
Trägerschicht aufgebracht ist .

Piezoelektrische Biegewandler werden beispielsweise zur Garn-führung in Webstühlen, in Blindenschrift-Lesegeräten und in Videogeräten eingesetzt. Der Aufbau eines piezoelektrischen Biegewandlers ist beispielsweise in der WO 92/02961 AI beschrieben. Der dort beschriebene Biegewandler umfaßt eine Trägerschicht in Form einer Graphitfaserschicht, die zwischen zwei beidseitig mit Elektroden versehenen
Piezokeramikschichten mit einem Epoxidharz verklebt ist. Die Graphitfaserschicht besitzt dabei eine größere Länge als die beiden Piezokeramikschichten. Auf dem freien Teil der
Graphitfaserschicht ist eine Kupferfolie verklebt, und auf dieser Kupferfolie ist eine Fläche zum Anbringen eines
Lötkontakts vorgesehen. Auf diese Weise ist das Kontaktieren der innen, d.h. zwischen Graphitfaser- und Piezokeramikschicht, liegenden Elektroden vergleichsweise einfach. Anstelle der Graphitfaserschicht ist es bekannt als
Trägerschicht metallische Materialien zu verwenden.

Aus der DE-A 35 18 055 ist auch eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung bekannt, bei der zwischen zwei piezoelektrischen Keramikschichten eine Relaxationsschicht zum Abbau von Spannungen eingelegt ist.

Grundsätzlich besteht bei einem eingangs beschrieben
piezoelektrischen Biegewandler das Problem, daß dieser unter Temperatureinwirkung eine Eigenverbiegung zeigt, die sich störend auf seine Funktion auswirkt, weil es bei einer
Vielzahl von Anwendungen nicht zu einem Driften der Null- punktlage in Abhängigkeit von der Temperatur des Biegewandlers kommen darf .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Biegewandler anzugeben, der nur eine äußerst geringe oder gar keine Eigenverbiegung unter Temperatureinwirkung aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Biegewandler mit einer Piezokeramikschicht, welche auf eine Trägerschicht aufgebracht ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Material der Piezokeramikschicht und das Material der
Trägerschicht im wesentlichen identische thermische
Ausdehnungskoeffizienten haben. Die Trägerschicht dient dabei einerseits zur Stabilisation des Biegewandlers und gewährleistet andererseits eine sichere Übertragung einer mechanischen Verbiegung des Biegewandlers auf ein Steuerelement oder auf ein anderes zu bewegendes Teil des Gerätes, in welchem der Biegewandler eingesetzt ist .

Vorteilhafterweise ist das Material der Piezokeramikschicht eine Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT-Keramik) , wobei das Material der Trägerschicht einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 2 x 10 bis 8 x 10"6 pro Kelvin, vorzugs- weise 3,5 x 10"s bis 5,5 x 10"6 pro Kelvin, besitzt. Auf diese Weise ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Trägerschicht besonders gut an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der polarisierten Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik, welche üblicherweise einen thermischen Ausdeh- nungskoeffizienten von 3 x 10"s bis 7 x 10~6 pro Kelvin aufweist, angepaßt. Die Polarisation dient dabei zur Ausbildung des piezoelektrischen Effekts. Auch Dickentoleranzen der Trägerschicht oder der Piezokeramikschicht bezüglich der thermischen Eigenverbiegung des Biegewandlers sind dann von untergeordneter Bedeutung. Der Biegewandler eignet sich besonders als einlagiger Biegewandler, als sogenannter Unimorph-Bieger .

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung kann das Material der Trägerschicht Silizium, Glas oder eine Oxidkeramik, vorzugsweise Zirkonoxid oder Aluminiumoxid, sein. Die
genannten Materialien sind preiswert und fertigungstechnisch einfach zu handhaben. Dabei kann als Oxidkeramik auch die PZT-Keramik der Piezokeramikschicht gewählt werden.

Die Kontaktierung von Trägerschicht und/oder der der Träger-schicht zugewandten Seite der Piezokeramikschicht wird in besonders einfacher Weise durch eine entsprechende
Metallisierungsschicht erzielt. Solche
Metallisierungsschichten können in besonders vorteilhafter Weise durch Sputtertechnik aufgebracht werden.

Weiter kann es vorgesehen sein, daß auf jeder Seite der
Trägerschicht eine Piezokeramikschicht angeordnet ist, wie dies beispielsweise bei einem Biegewandler für ein Braille-Lesegerät der Fall ist .

Insbesondere dann, wenn die Trägerschicht eine elektrisch nicht-leitende Schicht ist, z. B. eine aus Glas oder Oxidkeramik bestehende Trägerschicht, ist eine Kontaktierung der beidseitig angeordneten Piezokeramikschichten miteinander in besonders vorteilhafter Weise mittels eines um einen Rand der Trägerschicht oder durch eine Bohrung in der Trägerschicht gelegten Kontakts vorgesehen. Auf diese Weise weisen beide der Trägerschicht zugewandten Metallisierungsschichten dasselbe elektrische Potential auf. Ebenso können jedoch im Falle einer elektrisch nicht-leitenden Trägerschicht die beiden innen gelegenen Elektroden auch auf unterschiedliches Potential gelegt werden, so daß eine Ansteuerung des
Biegewandlers auch mit einer antiparallelen Polarisationsrichtung der beiden Piezokeramikschichten erfolgen kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

IG 1 in perspektivischer schematischer Darstellung den
Aufbau eines piezoelektrischen Biegewandlers;
IG 2 eine erste Ausführungsform zur Kontaktierung beidsei- tig aufgebrachter Piezokeramikschichten miteinander;
und
IG 3 eine zweite Ausführungsform zur Kontaktierung beid- seitig aufgebrachter Piezokeramikschichten miteinander.

In den Figuren 1 bis 3 gleiche Teile haben gleiche Bezugszeichen.

In dem in Figur 1 schematisch und perspektivisch im
Ausschnitt dargestellten piezoelektrischen Biegewandler 2 erkennt man eine Trägerschicht 4 und zwei Piezokeramikschichten 6, 8, welche in Form zweier Piezoplättchen 6, 8 mit der
Trägerschicht 4 verbunden sind. Die Piezoplättchen 6, 8 weisen auf der Trägerschicht 4 zugewandten Seite eine dünne Metallisierungsschicht 10 auf. Die Trägerschicht 4 besteht aus einer etwa 200 μm dicken Siliziumschicht. Das Material der Trägerschicht hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 5 x 10~6 pro Kelvin. Dieser thermische
Ausdehnungskoeffizient stimmt damit weitgehend mit dem ther- mischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Piezoplättchen 6, 8 überein. Die Piezoplättchen 6, 8 aus einer Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT-Schicht) . Die
Piezoplättchen 6, 8 weisen eine Dicke von etwa 100 μm auf und besitzen jeweils auf der der Trägerschicht 4 zugewandten Seite eine in Sputtertechnik aufgebrachte
Metallisierungsschicht 10.

Weil die Ausdehnungskoeffizienten von Trägerschicht 4 und Piezoplättchen 6, 8 weitgehend aufeinander abgestimmt sind, zeigt der piezoelektrische Biegewandler 2 unter Temperatureinwirkung nur eine vernachlässigbare thermische Eigenverbiegung. Der piezoelektrische Biegewandler 2 eignet sich des- halb ganz besonders für Anwendungen, bei denen es auf eine exakte NullpunktJustierung über einen weiten Temperaturbereich, beispielsweise von -20 °C bis +80 °C, ankommt.

Die Figuren 2 und 3 zeigen jeweils in seitlicher Ansicht

Ausschnitte von Biegewandlern 12, 14, die prinzipiell wie der piezoelektrische Biegewandler 2 in Figur 1 aufgebaut sind. Der piezoelektrische Biegewandler 12 unterscheidet sich vom Biegewandler 2 dadurch, daß eine Trägerschicht 16 aus Glas vorgesehen ist. Um die Piezoplättchen 6, 8 auf dasselbe elektrische Potential zu ziehen, weist die Trägerschicht 16 in ähnlicher Weise wie die Piezokeramikschichten 6 eine
Metallisierungsschicht 10 auf. Diese Metallisierungsschicht 10 ist als um den Rand der Trägerschicht 16 gelegter Kontakt ausgestaltet.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 weist der piezoelektrische Biegewandler 14 eine Trägerschicht 18 auf, die aus einer Oxidkeramik, hier Zirkonoxid, besteht. Ebensogut könnte die Trägerschicht 18 auch aus Aluminiumoxid bestehen. Weil auch Zirkonoxid, ebenso wie Glas, und auch Aluminiumoxid Isolatoren sind, ist im Auεführungsbeispiel gemäß Figur 3 in der Trägerschicht 18 eine Bohrung 20 vorgesehen, die ebenfalls an den Innenwänden die Metallisierungεschicht 10 aufweist. Auf diese Weise ist auch bei dem piezoelektrischen Biegewandler 14 dafür gesorgt, daß die Piezoplättchen auf ihren der Trägerschicht 18 zugewandten Seite dasselbe elektrische Potential besitzen.

Ebenso wie bei der Trägerschicht 4 ist mit den
Trägerschichten 16, 18 jeweils eine Anpassung an den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten der entsprechenden
Piezokeramikschicht 6, 8 erzielt. Auf diese Weise ist auch die bei den piezoelektrischen Biegewandlern 12, 14
vorkommende thermische Eigenverbiegung in einem weiten Temperaturbereich vernachlässigbar.

ie Erfindung ist prinzipiell bei allen Biegewandlern, insbesondere zum Einsatz in Jacquard- oder Raschelmaschinen oder Braille-Lesegeräten, anwendbar.