DE10141820A1

DE10141820A1 - Piezomotor mit Kupferelektroden

Info

Publication number: DE10141820A1
Application number: DE10141820A
Authority: DE
Inventors: Bjoern Magnussen; Erick Davidson; Benjamin Hagemann; Peter Varadi
Original assignee: Elliptec Resonant Actuator AG
Current assignee: Pantec GmbH
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2003-03-20
Also published as: EP1425805A2; WO2003019689A3; AU2002337017A1; WO2003019689A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezomotor mit mindestens einem piezoelektrischen Bauelement, das in monolithischer Vielschichtbauweise aus einem Stapel aus mindestens zwei Keramikschichten und jeweils einer zwischen zwei Keramikschichten angeordneten Elektrodenschicht gefertigt ist, wobei die Elektrodenschicht Kupfer enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezomotor mit mindestens einem piezoelektrischen Bauelement, das in monolithischer Vielschichtbauweise aus einem Stapel aus mindestens zwei Keramikschichten und jeweils einer zwischen zwei Keramikschichten angeordneten Elektrodenschicht gefertigt ist, wobei die Elektrodenschicht Kupfer enthält.
Piezomotoren stellen ein alternatives Antriebskonzept zu kleinen elektromagnetischen Motoren dar, die in der Regel zu laut und zu teuer sind. Diese Piezomotoren weisen mindestens ein piezoelektrisches Bauelement auf, mit dem Schwingungen erzeugt werden, die beispielsweise durch einen Resonanzkörper verstärkt werden. Die bisher verfügbaren Piezomotoren haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht im Bereich der Resonanzfrequenzen mit der für das Piezomaterial maximal möglichen Feldstärke betreibbar sind, wenn diese oberhalb 15 kHz liegt, ohne daß sich deren Leistungsfähigkeit bei diesen Frequenzen gegebenenfalls irreversibel reduziert. Des weiteren weisen die piezoelektrischen Bauelemente oftmals eine vergleichweise hohe spezifische Dichte auf, so daß sich in Kombination mit Resonanzkörpern aus Aluminium ungünstige Schwingungseigenschaften ergeben. Weiterhin sollen die piezoelektrischen Bauelemente bei Piezomotoren gemäß dem Stand der Technik so eingebaut werden, daß sie möglichst geringen Biegemomenten ausgesetzt sind, was die Herstellung der Piezomotoren aufwendiger gestaltet und die Gestaltung des Resonanzkörpers konstruktiv einschränkt.
Es stellte sich deshalb die Aufgabe, einen Piezomotor zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Piezomotor mit mindestens einem piezoelektrischen Bauelement, das in monolithischer Vielschichtbauweise aus einem Stapel aus mindestens zwei Keramikschichten und jeweils einer zwischen zwei Keramikschichten angeordneten Elektrodenschicht gefertigt ist, wobei die Elektrodenschicht Kupfer enthält.
Ein Piezomotor im Sinne der Erfindung treibt ein Körper rotatorisch und/oder translatorisch, vorzugsweise bidirektional an und/oder versetzt diesen in Schwingungen oder verändert die Reibungskraft zwischen dem angetriebenen Körper und dem Piezomotor.
Erfindungsgemäß ist jedes piezoelektrische Bauelement für den erfindungsgemäßen Motor geeignet, das in monolithischer Vielschichtbauweise aus einem Stapel aus mindestens zwei Keramikschichten und jeweils einer zwischen zwei Keramikschichten angeordneten Elektrodenschicht gefertigt ist, wobei die Elektrodenschicht Kupfer enthält. Vorzugsweise beträgt der Kupferanteil der Elektrodenschicht 20 bis 100 Gew.-%, besonders bevorzugt 75 bis 99,7 Gew.-%.
Ebenfalls bevorzugt werden piezoelektrische Bauelemente eingesetzt, die in der DE 100 62 672 A1 beschreiben sind. Diese Offenlegungsschrift wird hiermit als Referenz eingeführt und gilt somit als Teil der Offenbarung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das piezoelektrische Bauelement 3-5000, vorzugsweise 4-370 und ganz besonders bevorzugt 50-300 Elektrodenschichten auf.
Ebenfalls bevorzugt beträgt die Schichtdicke der Elektrodenschichten jeweils 0,2-100 µm, ganz besonders bevorzugt 0,5-6 µm.
Vorzugsweise schwingt das piezoelektrische Bauelement mit einer Frequenz von 15 kHz-2 MHz, besonders bevorzugt 15 kHz-750 kHz und ganz besonders bevorzugt 30 kHz-110 kHz.
Weiterhin bevorzugt ist das piezoelektrische Bauelement so in dem erfindungsgemäßen Piezomotor angeordnet, daß die Elektrodenschichten zumindest teilweise in Kontakt zu mindestens einer metallischen Fläche stehen. Diese metallische Fläche kann zum einen als elektrischer Kontakt und zum anderen zur Wärmeableitung genutzt werden.
Das piezoelektrische Bauelement kann in jeden beliebigen Piezomotor eingebaut werden. Vorzugsweise erfolgt dieser Einbau durch Form-, Kraft- und/oder Stoffschluß.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Motor einen Resonanzkörper auf, der mit dem piezoelektrischen Bauelement zusammenwirkt und den Resonanzkörper in Schwingungen versetzt und der vorzugsweise aus Metall, besonders bevorzugt aus Aluminium gefertigt ist. Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Bauelemente mit dem Resonanzkörper durch Form-, Kraft- und/oder Stoffschluß verbunden, wobei sowohl die Keramikschichten als auch die Elektrodenschichten mit dem Resonanzkörper in Verbindung stehen können. Ganz besonders bevorzugt werden die piezoelektrischen Bauelemente in eine Öffnung des Resonanzkörpers gepreßt. Vorteilhafterweise werden die Elektrodenschichten bei dem Einbau in den Resonanzkörper plastisch und/oder elastisch verformt, so daß die Kraft- und Momentübertragung zwischen Bauelement und Resonanzkörper verbessert wird und sowohl das piezoelektrische Bauelement als auch der Resonanzkörper vorgespannt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Wärme, die in dem piezoelektrischen Bauelement entsteht mit einem Kühlkörper abgeführt. Dieser Kühlkörper kann mit den Keramik- und/oder den Elektrodenschichten zusammenwirken. Vorzugsweise weist der Kühlkörper Kühlrippen auf, die vorteilhafterweise an die Elektrodenschichten angelötet sind. Weiterhin bevorzugt ist ein Kühlkörper, der mit einem Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Wasser arbeitet.
Vorzugsweise stehen die Elektrodenschichten mit mindestens einer metallischen Fläche in Verbindung. Vorzugsweise ist diese metallische Fläche ein Teil des Resonanzkörpers, so daß über den Resonanzkörper Wärme aus dem piezoelektrischen Bauelement abgeleitet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Resonanzkörper eine Kontaktfläche auf, die mit einem anzutreibenden Körper zusammenwirkt und diesen antreibt. Vorzugsweise schwingt diese Kontaktfläche asymmetrisch in mehrere Richtungen unabhängig davon, ob sie mit dem anzutreibenden Körper in Kontakt steht oder nicht. Ganz besonders bevorzugt führt die Kontaktfläche eine elliptische Bewegung aus. Ebenfalls bevorzugt schwingt diese Kontaktfläche bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen in unterschiedliche Richtungen unabhängig davon, ob sie mit dem anzutreibenden Körper in Kontakt steht oder nicht und führt besonders bevorzugt eine elliptische Bewegung aus.
Der erfindungsgemäße Piezomotor kann jede dem Fachmann geläufige Gestaltungsform aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um einen Piezomotor wie er in der WO 01/41228 A1 oder in der Parallelanmeldung mit dem Aktenzeichen PCT/EP 01/03245 beschrieben ist. Diese Patentanmeldungen werden hiermit als Referenz eingeführt und gelten somit als Teil der Offenbarung.
Vorzugsweise wandelt der erfindungsgemäße Piezomotor bei gleichem Wirkungsgrad mehr elektrische Energie in mechanische Schwingungen um, als ein baugleicher Piezomotor mit silber-palladium-Eletrodenschichten.
Ebenfalls bevorzugt ist der erfindungsgemäße Piezomotor mit höheren Strömen betreibbar, als einen baugleicher Piezomotor mit Elektrodenschichten aus Silber- Palladium.
Der erfindungsgemäße Piezomotor hat den Vorteil, daß er einfacher herzustellen ist. Der erfindungsgemäße Piezomotor kann bei seiner Resonanzfrequenz mit deutlich höheren Feldstärken an dem piezoelektrischen Material betrieben werden als Piezomotoren gemäß dem Stand der Technik, auch wenn diese Resonanzfrequenz >15 kHz ist, ohne daß sich seine Leistungsfähigkeit bei diesen Frequenzen irreversibel reduziert. Damit kann dieser Piezomotor bei gleichem Wirkungsgrad mehr elektrische Energie in mechanische Schwingungen umsetzen, als ein baugleicher Piezomotor mit silber-palladium-Eletrodenschichten. Der Piezomotor kann mit einem Resonanzkörper aus Metall insbesondere Aluminium ausgestattet werden, ohne daß sich dadurch ungünstige Schwingungseigenschaften ergeben. Bei dem erfindungsgemäßen Piezomotor kann eine sehr gute mechanische Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Resonanzkörper erzielt werden und das piezoelektrische Bauelement muß nicht so in den Piezomotor eingebaut werden, daß es möglichst geringen Biegemomenten ausgesetzt sind, was die Herstellung der Piezomotoren vergleichsweise einfach macht. Das piezoelektrische Bauelement des erfindungsgemäßen Motors kann mit größeren Maßtolleranzen gefertigt werden. Insbesondere Winkelabweichungen des piezoelektrischen Bauelementes können besser ausgeglichen werden. Weiterhin ist bei dem erfindungsgemäßen Piezomotor eine Wärmeabfuhr, die in dem piezoelektrischen Bauelement entsteht, wesentlich besser möglich als bei Piezomotoren gemäß dem Stand der Technik. Der erfindungsgemäße Piezomotor hat den Vorteil, daß man ihn mit höheren Strömen betreiben kann, als einen Piezomotor mit Silber-Palladium Elektrodenschichten. Daraus ergibt sich außerdem der Vorteil, daß der Motor bei Verringerung der Keramikschichtdicken weniger Effizienzeinbuße hat als Motoren mit Silber-Palladium Elektrodenschichten.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrische Element, daß zusätzliche metallische Kühlflächen aufweist, die in die Elektrodenschichten integriert werden. Diese Kühlflächen haben bei der elektrischen Felderzeugung nur eine untergeordnete Bedeutung. Vorzugsweise sind die Kühlflächen aus Silber-Palladium oder Kupfer. Vorzugsweise wird die Elektrodenschicht und damit auch die Kühlflächen in einem Prozeßschritt, vorzugsweise im Siebdruckverfahren, hergestellt. Vorzugsweise sind die Kühlflächen mit einer Sammelelektrode verbunden. Vorzugsweise sind die Elektrodenschichten und/oder die Kühlflächen zumindest teilweise aus Kupfer. Dieses piezoelektrische Element hat den Vorteil, daß die entstehende Wärme besser abgeführt wird. Des weiteren fällt die Oberfläche des piezoelektrischen Bauelements ebener aus, so daß ein Glätten der Oberfläche entfallen kann und ein großflächiger Kontakt zwischen piezoelektrischem Material und dem Resonanzkörper entsteht. Der Fachmann erkennt, daß die Vorteile betreffend die Ebenheit der Oberfläche und/oder den guten Kontakt zwischen piezoelektrischem Material und dem Resonanzkörper auch mit nicht metallischen Flächen erreicht wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von den Fig. 1-3 erläutert. Diese Erläuterungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Piezomotor.
Fig. 2 zeigt ein piezoelektrisches Bauelement gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes piezoelektrisches Bauelement.
Fig. 1 zeigt ein System 20 bestehend aus einem Piezomotor 26 und einem angetriebenen Körper 42. Der Piezomotor 26 weist ein piezoelektrisches Bauelement 22 auf, das elektrische Energie in mechanische Vibrationen umwandelt. Die elektrische Energie wird über die Kabel 30 zu dem Bauelement 22 geleitet. Das piezoelektrische Bauelement weist in monolithischer Vielschichtbauweise einen Stapel von 150 Keramikschichten auf. Jeweils zwischen zwei Keramikschichten ist eine Elektrodenschicht angeordnet, die Kupfer enthält. Die Schichtdicke der Elektrodenschichten beträgt jeweils 2 µm. Die Keramikschichten bestehen aus Vibrit®, einem Produkt der Siemens AG, München, Bundesrepublik Deutschland. Hinsichtlich der Herstellung der piezoelektrischen Bauelemente wird auf die DE 100 62 672 A1 verwiesen. Das piezoelektrische Bauelement schwingt mit 30-80 kHz. Das piezoelektrische Bauelement 22 ist mit der Schraube 32 in dem Resonanzkörper 24 verspannt. Der Fachmann erkennt, daß das piezoelektrische Bauelement 22 auch in den Resonanzkörper 24 eingepreßt sein kann. Beim Einspannen bzw. Einpressen verformen sich die Elektrodenschichten plastisch und/oder elastisch, wodurch ein sehr intensiver Kontakt zwischen piezoelektrischem Bauelement und dem Resonanzkörper entsteht. Dieser Kontakt ermöglicht eine gute Übertragung der Schwingungen und eine gute Ableitung der Wärme, die in dem piezoelektrischen Material entsteht. Der Resonanzkörper 24 ist an einem federnden Element 50 gelagert, das sich an dem Lager 50a abstützt. Das federnde Element drückt die Kontaktfläche 44 gegen den anzutreibenden Stab 42. Durch die Schwingungen des piezoelektrischen Bauelementes angeregt, vollführt die Kontaktfläche 44 elliptische Bewegungen 100a oder 100b, die den Stab 42 translatorisch bidirektional antreiben. Der Stab 42 ist auf Rollen 46 gelagert.
Fig. 2 zeigt ein piezoelektrisches Bauelement 22 gemäß dem Stand der Technik. Das Bauelement ist in monolithischer Vielschichtbauweise aus einem Stapel aus einer Vielzahl von Keramikschichten 4 gefertigt. Zwischen jeweils zwei Keramikschichten ist eine Elektrodenschicht 1 angeordnet. Die Elektrodenschichten sind jeweils im Wechsel mit der linken Sammelelektrode 5 bzw. mit der rechten Sammelelektrode 6 verbunden. Der Isolationsbereich 7 muß so groß gewählt werden, daß eine sichere Isolation gewährleistet ist. Nachteilig an diesen piezoelektrischen Elementen ist die schlechte Wärmeleitung und die unregelmäßige Formgebung, die sich in Form von fertigungsbedingten Erhöhungen der Flächen 2, 3 zeigt.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes piezoelektrisches Bauelement 22. Das Bauelement ist in monolithischer Vielschichtbauweise aus einem Stapel aus einer Vielzahl von Keramikschichten 4 gefertigt. Zwischen jeweils zwei Keramikschichten ist eine Elektrodenschicht 1 angeordnet. Die Elektrodenschichten 1 sind jeweils durch den Isolationsbereich 7 in die Teilstücke 1' und 1" unterbrochen. Die Elektroden sind jeweils mit der Sammelelektrode 5 und 6 verbunden. Die Teilstücke 1' dienen hauptsächlich der Kühlung sowie dem Schichtdickenausgleich und nicht der elektrischen Felderzeugung. Die Länge der Teilstücke 1' kann aufgrund von Fertigungstoleranzen variieren. Die Elektrodenschicht 1 und damit auch deren Teilstücke 1' und 1" sind aus Kupfer gefertigt. Das erfindungsgemäße Bauelement weist eine sehr gute Wärmeableitung auf hat sehr ebene Flächen 2, 3, so daß eine Glättung dieser Flächen entfallen kann.

Claims

1. Piezomotor (26) mit mindestens einem piezoelektrischen Bauelement (22), das in monolithischer Vielschichtbauweise aus einem Stapel aus mindestens zwei Keramikschichten und jeweils einer zwischen zwei Keramikschichten angeordneten Elektrodenschicht gefertigt ist, wobei die Elektrodenschicht Kupfer enthält.

2. Piezomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferanteil der Elektrodenschicht 20 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 75 bis 99,7 Gew.-% beträgt.

3. Piezomotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Resonanzkörper (24) aufweist, der mit dem Bauelement (22) zusammenwirkt und von diesem in Schwingungen versetzt wird.

4. Piezomotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (22) mit dem Resonanzkörper (24) durch Form-, Stoff- und/oder Kraftschluß verbunden ist.

5. Piezomotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (22) in den Resonanzkörper (24) eingepreßt ist.

6. Piezomotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht beim Einbau plastisch und/oder elastisch verformt wird.

7. Piezomotor nach einem der Ansprüche 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkörper (24) eine Kontaktfläche (44) aufweist, die mit einem anzutreibenden Körper (42) zusammenwirkt und diesen antreibt.

8. Piezomotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens zwei Betriebsfrequenzen aufweist, bei denen zumindest zwei unterschiedliche Bewegungen erzeugt werden.

9. Piezomotor nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche elliptisch (100a, 100b) schwingt.

10. Piezomotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement 3 bis 5000, bevorzugt 4 bis 370, besonders bevorzugt 50 bis 300 Elektrodenschichten aufweist.

11. Piezomotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement mit einer Frequenz von 15 kHz bis 2 MHz, bevorzugt 15 kHz bis 750 kHz, ganz besonders bevorzugt 30 kHz bis 110 kHz schwingt.

12. Piezomotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement, vorzugsweise die Elektrodenschichten, mit mindestens einer Metallfläche in Verbindung steht.

13. Piezomotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfläche ein Teil des Resonanzkörper ist.

14. Piezomotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Elektrodenschicht 0,2-100 µm, vorzugsweise 0,5-6 µm beträgt.

15. Piezomotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er bei gleichem Wirkungsgrad mehr elektrische Energie in mechanische Schwingungen umwandelt, als ein baugleicher Piezomotor mit silberpalladium-Eletrodenschicht.

16. Piezoelektrisches Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß es im Bereich der Elektrodenschichten (1) Kühlflächen (1') aufweist.

17. Piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen Kupfer aufweisen.