DD288485A5 - Elektromechanisches biegeelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Biegeelement, das aus mindestens drei Lamellen besteht und findet z. B. Anwendung bei Praezisionsgeraeten. Erfindungsgemaesz uebt die innere, aus ferroelektrischem Material bestehende Lamelle auf die aeuszeren, aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material bestehenden Lamellen eine Druckspannung aus. Zur Ausgestaltung der Erfindung werden Varianten der Polarisierung der einzelnen Lamellen angegeben. Fig. 1{Biegeelement, elektromechanisch; Lamellen; Praezisionsgeraet; Lamelle, innen, ferroelektrisch; Lamellen, auszen, piezoelektrisch, elektrostriktiv; Druckspannung}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Bauelemente. Sie betrifft ein elektromechanisches Biegeelement, das aus mindestens zwei äußeren Lamellen und mindestens einer inneren Lamelle besteht, zwischen denen Elektroden angeordnet sind, wobei alle Lamellen flächig und deckungsgleich miteinander verbunden sind. Das Biegeelement wird insbesondere für den Einbau in Präzisionsgeräte angewendet.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Elektromechanische Biegeelemente sind in vielfältigen Konstruktionsformen bekannt. So werden beispielsweise Streifen aus piezoelektrischem Material, die entsprechend mit Elektrodenschichten versehen sind, miteinander flächig vorklebt. Dieser Streifenverbund wird zumeist einseitig eingespannt (DE 3240884). Die einzelnen Streifen sind entsprechend polarisiert, damit beim Anlegen einer elektrischen Spannung die gewünschte Verbiogung erzielt wird.

Um bei einer vorgegebenen Konstruktion hohe Werte für die Verbiegung bzw. die Stellkraft zu erzielen, müssen Werkstoffe mit hohen piezoelektrischen Deformationskonstanten senkrecht zum angelegten Feld (Querdeformation) eingesetzt werden. Gerade die Biegeelemente aus solchen Werkstoffen mit einer maximalen Querdeformation, weisen aber sehr geringe Zugspannungsfestigkeiten auf, so daß es zum Zerreißen der aktiven Keramiklamelle kommen kann, insbesondere dann, wenn das Biegeelement mechanisch belastet wird, also gegen eine äußere Kraft arbeiten muß. Diese Tatsache, steht dem Einsatz von Werkstoffen mit sehr großer Querdaformation entgegen bzw. beschränkt deren Einsatz auf kleine Verbiegungen und kleine Kräfte.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein elektromechanisches Biegeelement zu realisieren, das bei Verwendung eines piezoelektrischen oder elektrostriktion Werkstoffes mit großen Querdeformat^!onen im Betriebszustand, einen breiteren Einsatz ermöglicht, auch wenn große auftretende Zugspannungen dem entgegenstehen.

Darlegung den Wesens der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein elektromechanisches Biegeelement zu schaffen, dessen neuartiger Aufbau es

gewährleistet, daß das Ziel der Erfindung erreicht wird.

Das elektromechanische Biegeelement besteht aus mindestens zwei äußeren Lamellen und mindestens einer inneren Lamelle,

zwischen denen Elektroden angeordnet sind. Alle Lamellen sind flächig und deckungsgleich miteinander verbunden.

Erfindungsgemäß übt die innere, aus ferroelektrischem Material bestehende Lamelle auf die äußeren, aus piezoelektrischem

oder elektrostriktivem Material bestehenden Lamellen eine Druckspannung aus.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die innere Lamelle erst nach Herstellung des Verbundes mit den äußeren polarisierten

piezoelektrischen oder elektrostriktiven Lamellen polarisiert.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß alle Lamellen erst im Verbund polarisiert sind. Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt das erfindungsgemäße Biegeelement in einer Prinzipskizze.

Ein Biegerstreifen mit einer Länge I = 50mm und einer Breite b «= 5,5mm wird aus zwei äußeren Lamellen 2 mit einer Dicke von

jeweils 0,3mm aus einer polarisierten (Pfeile 6,7) piezoelektrischen Keramik (z.B. Ba- oder Sr-modifizierte PZT-Keramlk) mit einem Großslgnalquerdeformationsmodul d₃₎ = 5 · 10"'°mm · V^-1 und einer inneren Lamelle 1 aus unpolarisierter

piezoelektrischer Keramik (z.B. PZT-Keramik) mit einer remanenten Kontraktion beim Polarisieren von ΔΙ/Ι = 1 · 10~³, zusammengeklebt. Die einzelnen Lamellen sind mit den entsprechenden Elektroden 3 versehen.

Nach dem Aushärten des Klebers wird die innere Lamelle 1 mit einer elektrischen Feldstärke von 2... 3 kV · mm"¹ polarisiert. Die Pfeile 4 zeigen die Richtung der Polarisation an. Dies bewirkt eine Stauchung (Pfeile 5) des gesamten Biegers um ca. 20pm und

damit die erfindungsgemäße Druckvorspannung der äußeren Lamellen.

Eine zweite Variante geht von derselben Gestaltung des Biegeelementes, wie oben beschrieben, aus, mit dem Unterschied, daß

auch die äußeren Lamellen 2 unpolarisiert sind, bevor sie mit der inneren Lamelle 1 verklebt werden. Erst dann wird der gesamte

Verbund durch Anlegen der Polungsspannung U_B an die Außenelektroden der äußeren Lamellen 2 vollständig polarisiert. Da das

piezoelektrische Material der äußeren Lamellen 2 einen wesentlich größeren Querdeformationsmodul (d₃₁ = 5 · 10~'°m · V~¹) und eine wesentlich kleinere remanente Kontraktion ΔΙ/Ι = 0,5 · 10~⁴ besitzt als das Material der inneren Lamelle 1 (d₃, = 3· 10~^l0m -ν',ΔΙ/Ι = 1 · 1O^-3), treten bei Anlegen der Polarisationsspannung nur geringe Ausdehnungsunterschiede der verschiedenen Lamellen auf. Wird die Polarisationsspannung abgeschaltet, werden die äußeren Lamellen 2 infolge der viel größeren remanenten Kontraktion der inneren Lamelle 1 auf Druck vorgespannt.

Der Nachteil einer geringeren Druckvorspannung als bei der zuerst beschriebenen Variante wird dadurch gemindert, daß das Polarisieren der äußeren Lamellen vor dem Verkleben, das eine große Bruchgefahr beinhaltet, entfallen kann.

Claims (3)

1. Elektromechanisches Biegeelement, bestehend aus mindestens zwei äußeren Lamellen und mindestens einer inneren Lamelle, zwischen denen Elektroden angeordnet sind, wobei alle Lamellen flächig und deckungsgleich miteinander verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, daß die innere, aus ferroelektrischem Material bestehende Lamelle (1) auf die äußeren, aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material bestehenden Lamellen (2) sine Druckspannung ausübt.

2. Elektromechanisches Biegelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die innere Lamelle (1) nach Herstellung des Verbundes mit den äußeren polarisierten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Lamellen (2) polarisiert ist.

3. Elektromechanisches Biegeelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß alle Lamellen (1,2) erst im Verbund polarisiert sind.