DE69821969T2

DE69821969T2 - Piezoelektrischer antrieb betriebsfähig in elektrolytischer flüssigkeit

Info

Publication number: DE69821969T2
Application number: DE69821969T
Authority: DE
Inventors: William Ormerod; R. Robert TIPTON
Original assignee: Deka Products LP
Current assignee: Deka Products LP
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1998-11-10
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2018-11-11
Also published as: DE69821969D1; JP2001523052A; WO1999025033A1; ATE260512T1; US6316864B1; EP1029374B1; EP1029374A1; US6118207A; JP4527277B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Betätigungsglieder und insbesondere auf piezoelektrische Biegevorrichtungen, die in elektrolytischen Fluiden, z. B. Wasser, betreibbar sind.
STAND DER TECHNIK
Eine übliche Anwendung von piezoelektrischen Betätigungsgliedern betrifft das Steuern eines Fluidflusses durch ein Ventil. Piezoelektrische Betätigungsglieder wie z. B. Biegevorrichtungen werden typischerweise aus Schichten eines piezokeramischen Materials (z. B. Bleizirconattitanat) hergestellt, die zwischen leitende Elektroden, üblicherweise Metall, gestapelt sind, über die zum Erzeugen elektrischer Felder über die piezokeramischen Schichten elektrische Potentiale angelegt sind.
Wenn piezoelektrische Biegevorrichtungen zum Steuern eines Fluidflusses verwendet werden, sind sie üblicherweise von dem Fluid isoliert, um eine Korrosion und einen chemischen Angriff des Fluids auf die Metall- und piezokeramischen Schichten zu verhindern. Ein Schadensbild von piezoelektrischen Biegevorrichtungen, die in Wasser getaucht sind, ist das Wachstum von metallischen Dendriten durch die keramischen Schichten mit einem anschließenden Kurzschließen der leitenden Schichten miteinander. Auch wenn die Biegevorrichtung beschichtet ist, kann Wasser auf korrodierende Weise mit der Beschichtung interagieren und ihre Zersetzung bewirken.
Dementsprechend ist es wünschenswert, eine Konfiguration zu entwickeln, die ermöglicht, daß ein piezoelektrisches Betätigungsglied arbeitet, wenn es in Wasser oder ein anderes elektrolytisches Fluid eingetaucht ist.
Die EP 322899 beschreibt ein piezoelektrisches Schwingungselement in einer Elastomerschicht.
Die US 4553059 beschreibt ein piezoelektrisches Betätigungsglied in einem mit Silikonöl gefüllten abgedichteten Gehäuse.
Die JP 61-046082 beschreibt ein mit isolierendem Harz beschichtetes piezoelektrisches Betätigungsglied.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung auf ein piezoelektrisches Betätigungsglied gerichtet, das in einem Fluid betreibbar ist, wie in Patentanspruch 1 dargelegt ist. Das piezoelektrische Betätigungsglied kann eine erste und eine zweite elektrische Anschlußleitung, eine leitfähige Schicht, die das piezoelektrische Element umgibt, und eine Abdichtung umfassen, die für das Fluid, das das piezoelektrische Element umgibt, im wesentlichen undurchlässig ist. Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die leitfähige Schicht elektrisch geerdet sein und kann die leitfähige Schicht entweder mit der ersten oder mit der zweiten elektrischen Anschlußleitung gekoppelt sein. Bei weiteren alternativen Ausführungsbeispielen können die leitfähige Schicht und die im wesentlichen undurchlässige Abdichtung durch ein einziges Material bereitgestellt werden, und die leitfähige Schicht kann durch die im wesentlichen undurchlässige Abdichtung umschlossen sein.
Das in einem Fluid betreibbare piezoelektrische Betätigungsglied kann ein piezoelektrisches Element umfassen, das Außen- und Innenelektroden aufweist, wobei die Außenelektroden elektrisch geerdet sind. Das piezoelektrische Betätigungsglied weist auch eine Abdichtung auf, die das piezoelektrische Element umgibt, wobei die Abdichtung für das Fluid im wesentlichen undurchlässig ist. Die Außenelektroden können elektrisch geerdet sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine Seitenansicht einer nicht-aktivierten piezoelektrischen Biegevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1B ist eine Seitenansicht der in 1A gezeigten piezoelektrischen Biegevorrichtung, wenn sie aktiviert ist.
2 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt der piezoelektrischen Biegevorrichtung der 1A darstellt und die Verbindung von Elektroden mit Außenkontakten zeigt.
3A–C sind eine Drauf-, eine Seiten- bzw. eine Endansicht einer piezoelektrischen Biegevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG SPEZIFISCHER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1A–B veranschaulichen eine piezoelektrische Biegevorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung. Die Biegevorrichtung 10, wie in 1A gezeigt ist, ist entspannt und deaktiviert, wohingegen die 1B die Biegevorrichtung 10 in ihrem aktivierten bzw. gebogenen Zustand zeigt. Das Biegen wird durch das Anlegen eines elektrischen Feldes über Schichten eines piezoelektrischen Materials erreicht, wie nun unter Bezugnahme auf 2 erörtert wird. Wie in 2 gezeigt ist, umfaßt die piezokeramische Biegevorrichtung 10 ein piezokeramisches Material 8, das von einer Mehrzahl von Elektrodenschichten 11, die in einem abwechselnden Muster ausgerichtet sind, durchsetzt ist. Die Elektrodenschichten 11 sind aus einem leitenden Material, üblicherweise Metall, hergestellt, dessen Anlegen an das piezokeramische Material 8 in der Technik hinreichend bekannt ist. Bei einer Anordnung der Elektrodenschichten 11, die hier lediglich beispielhaft gezeigt ist, ist eine obere Gruppe 12 von Elektroden elektrisch miteinander verbunden, ebenso wie eine untere Gruppe 14 von Elektroden und ebenso wie eine dritte und innere Gruppe 16 von Elektroden. Die Elektroden greifen derart ineinander, daß eine Elektrode von der inneren Gruppe 16 zwischen zwei beliebigen benachbarten Elektroden sowohl der oberen Gruppe 12 als auch der unteren Gruppe 14 angeordnet ist. Ein Beispiel einer piezoelektrischen Biegevorrichtung, die die gezeigte Elektrodenkonfiguration aufweist, ist die Biegevorrichtung von Phillips mit der Modellnummer P/N 9922 531 50026, die von Phillips Components in Roermond, Niederlande, hergestellt wird. Die zuvor erwähnte Biegevorrichtung von Phillips weist zweiundzwanzig (22) aktive Piezoelektrodenschichten auf. Ein leitfähiger Kontakt 120 ist mit allen Elektroden der oberen Gruppe 12 elektrisch gekoppelt, während ein leitfähiger Kontakt 140 mit allen Elektroden der unteren Gruppe 14 elektrisch gekoppelt ist. Desgleichen ist ein leitfähiger Kontakt 160 mit allen Elektroden der inneren Gruppe 16 elektrisch gekoppelt. Die leitfähigen Kontakte 120, 140 und 160 liefern eine Verbindung der jeweiligen Elektroden mit einer externen Schaltungsanordnung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können zwei piezoelektrische Schichten als Doppelschicht konfiguriert sein, wobei Elektroden zwischen den zwei piezoelektrischen Schichten und außerhalb jeder der Schichten angeordnet sind. Dementsprechend umfaßt der Begriff „Mehrschicht" bzw. „mehrschichtig", wie er bei dieser Beschreibung und in jeglichen beigefügten Patentansprüchen verwendet wird, jegliche Anzahl von Schichten aus einem piezoelektrischen Material, die größer ist als Eins. Eine Verwendung einer einzigen Schicht aus einem piezoelektrischen Material für ein in einem Fluid betreibbares Betätigungsglied fällt ebenfalls in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.
Bei einem bekannten Betriebsmodus der Biegevorrichtung 10 sind die Kontakte 120 und 160 mit Masse verbunden, und der Kontakt 140 kann entweder zu einem 60 V-Potential oder zu Masse geschaltet sein, in beiden Fällen über einen strombegrenzenden Serienwiderstand 180. Wenn der Kontakt 140 mit Masse verbunden ist, befindet sich die piezoelektrische Biegevorrichtung 10 in ihrem nicht-aktivierten Zustand (1A), in dem die Biegevorrichtung 10 im wesentlichen parallel zu einer Längsachse 190 bleibt. Wenn der Kontakt 140 mit dem 60 V-Potential verbunden wird, wird die piezoelektrische Biegevorrichtung 10 aktiviert und bezüglich der Längsachse 190 auf die in 1B gezeigte Weise gebogen.
Falls die piezoelektrische Biegevorrichtung Wasser oder einem anderen polaren Fluid ausgesetzt wird, kann das Fluid aufgrund von an die Biegevorrichtungselektroden angelegten Potentialen elektrolysiert werden. Dementsprechend ist es wünschenswert, jegliches Fluid, das unmittelbar an die Außenoberfläche der piezoelektrischen Biegevorrichtung angrenzt, gegen elektrische Felder, die in der Biegevorrichtung erzeugt werden, abzuschirmen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist über der Gesamtheit der Biegevorrichtung 10 eine leit fähige Beschichtung 18 vorgesehen, um eine Faraday-Abschirmung zu erzeugen. Eine Faraday-Abschirmung ist, wie Fachleuten auf dem Gebiet der Elektrizitätstechnik bekannt ist, eine leitende Einfassung, die dank ihrer Äquipotentialfläche ihr Äußeres gegen die Wirkung jeglicher Feldquellen innerhalb der leitenden Einfassung abschirmt. Somit liegt aufgrund von Potentialen, die in der leitfähigen Beschichtung 18 angelegt sind, in der Region 20 außerhalb der leitfähigen Beschichtung 18 kein elektrisches Feld vor. Jegliche leitfähige Beschichtung 18, die unter Verwendung einer beliebigen Abscheidungstechnik aufgebracht wird, fällt in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung. Die leitfähige Beschichtung 18 ist vorzugsweise nicht-porös, so daß kein Fluid in die durch die leitfähige Beschichtung eingefaßte Region eindringen kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die leitfähige Beschichtung 18 wiederum durch eine weitere Beschichtung eines nicht-porösen Materials beschichtet sein, um ein Eindringen von Fluid in die durch die leitfähige Beschichtung eingefaßte Region zu verhindern.
Die Zusammensetzung der leitfähigen Beschichtung 18 kann eine Metallegierung, ein Gel oder ein beliebiges anderes leitfähiges Material sein. Wie oben erörtert wurde, kann um die Beschichtung 18 eine Schicht einer Fluidbarriere, beispielsweise einer hydrophoben Zusammensetzung wie z. B. Parylen, aufgebracht werden, um zu verhindern, daß Fluid in die Region innerhalb der Faraday-Abschirmung eindringt.
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 sind gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung die äußersten Elektroden, die mit dem Kontakt 160 verbunden sind, bei jeglicher Konfiguration der Biegevorrichtungselektroden, die eine durch vier teilbare Anzahl von Piezoschichten aufweisen, Außenelektroden, in dem Sinne, daß keine andere Elektrode zwischen der Außenelektrode und jeglichem umgebenden Medium liegt. Somit wird durch ein Erden des Kontakts 160 eine elektrische Abschirmung bezüglich zweier Flächen der Biege vorrichtung erreicht. Jedoch können trotzdem elektrische Randfelder von den Kanten der Piezobiegevorrichtung in die Fluidregion entweichen.
3A–C veranschaulichen eine Drauf-, eine Seiten- und eine Endansicht der piezoelektrischen Biegevorrichtung 10 der 2. Die Kontakte 120, 140 und 160, die, wie oben beschrieben wurde, mit der oberen Gruppe 12, der unteren Gruppe 14 bzw. der inneren Gruppe 16 von Elektroden verbunden sind, sind, wie in 2 dargestellt ist, gezeigt, wie sie außerhalb der Biegevorrichtungsanordnung auftreten. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die mit der inneren bzw. der oberen Gruppe von Elektroden verbundenen Kontakte 160 und 120 beide geerdet. Somit werden elektrische Felder, die zwischen Elektroden des Betätigungsglieds erzeugt werden, innerhalb des Bauelements beendet, und zwar aus anderen Gründen als Randeffekten bzw. Fringing-Effekten. Das umgebende Medium wird dadurch effektiv gegen Felder, die in der Betätigungsvorrichtung erzeugt werden, abgeschirmt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Kontakte 120 und 160 anhand einer bekannten Einrichtung zum Erzeugen einer leitenden Beschichtung ausgedehnt werden, um die gesamte Außenfläche des piezoelektrischen Betätigungsglieds zu bedecken. Dies hat die Wirkung des Erzeugens einer Faraday-Abschirmung, die das gesamte Bauelement einfaßt, wie oben erörtert wurde. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Mittel vorgesehen, um eine mit dem Kontakt 140 verbundene Anschlußleitung herauszuführen, um ein Spannungspotential bezüglich der gemeinsamen Masseverbindung der Kontakte 120 und 160 anzulegen. Da innerhalb des Betätigungsglieds erzeugte elektrische Felder auf die beschriebene Weise gegen das umgebende Medium abgeschirmt sind, kann auf eine Elektrolyse des Mediums verzichtet werden, wodurch das Ausmaß der Korrosion an dem Bauelement verringert wird.
Damit die leitfähige Beschichtung 18 als Faraday-Abschirmung fungiert, die elektrische Felder davor abschirmt, in das umgebende Fluid einzudringen, ist es wichtig, das Fluid von der Region, die sich innerhalb der leitfähigen Beschichtung befindet, fernzuhalten. Folglich kann eine im wesentlichen nicht-poröse Beschichtung vorgesehen sein, um ein Fluid von dem Inneren der Abschirmung fernzuhalten. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die elektrisch leitfähige Beschichtung 18 als die nicht-poröse Beschichtung agieren. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch eine Schicht einer Fluidbarriere, beispielsweise einer hydrophoben Zusammensetzung wie z. B. Parylen, um die Beschichtung 18 herum aufgebracht werden, um ein Lecken oder Wandern von Wasser zum Inneren der leitfähigen Beschichtung weiter zu verhindern.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit spezifischen Ausführungsbeispielen derselben beschrieben wurde, versteht es sich, daß sie weiter modifiziert werden kann. Insbesondere kann jeder der Kontakte zu einer Position entlang der Biegevorrichtung 10 bewegt werden, die sich von der z. B. in 3A–C gezeigten unterscheidet, um ein Beschichten der Biegevorrichtung mit der nicht-porösen hydrophoben Zusammensetzung zu ermöglichen. Modifikationen bei der Zusammensetzung der Beschichtung oder bei der Anzahl von Beschichtungen können ebenfalls vorgenommen werden. Ferner fällt die Verwendung des piezoelektrischen Elements als Sensor in den Schutzumfang der Erfindung und der beigefügten Patentansprüche.

Claims

Ein piezoelektrisches Betätigungsglied (10), das in einem Fluid betreibbar ist, wobei das Betätigungsglied folgende Merkmale aufweist: ein piezoelektrisches Element; eine Abschirmeinrichtung (18) zum Bereitstellen einer elektrischen Abschirmung um das piezoelektrische Element; und eine Abdichteinrichtung (18) zum Abdichten des piezoelektrischen Elements gegen ein Fluid, das das piezoelektrische Element umgibt.
Ein piezoelektrisches Betätigungsglied gemäß Anspruch 1, bei dem ein einziges Material (18) die Abschirmeinrichtung und die Abdichteinrichtung liefert.
Das piezoelektrische Betätigungsglied gemäß Anspruch 1, bei dem die Abdichteinrichtung die Abschirmeinrichtung gegen ein Fluid, das die Abschirmeinrichtung umgibt, abdichtet.
Das piezoelektrische Betätigungsglied gemäß Anspruch 1, bei dem das piezoelektrische Element eine erste und eine zweite elektrische Anschlußleitung umfaßt; die Abschirmeinrichtung eine leitfähige Schicht, die das piezoelektrische Element umgibt, umfaßt; und die Abdichteinrichtung eine Abdichtung umfaßt, die das piezoelektrische Element umgibt, wobei die Abdichtung für das Fluid im wesentlichen undurchlässig ist.
Ein piezoelektrisches Betätigungsglied gemäß Anspruch 4, bei dem die leitfähige Schicht (18) elektrisch geerdet ist.
Ein piezoelektrisches Betätigungsglied gemäß Anspruch 4, bei dem die leitfähige Schicht (18) entweder mit der ersten oder der zweiten elektrischen Anschlußleitung elektrisch gekoppelt ist.
Ein piezoelektrisches Betätigungsglied gemäß Anspruch 4, bei dem die leitfähige Schicht (18) und die im wesentlichen undurchlässige Abdichtung durch ein einziges Material bereitgestellt werden.
Ein piezoelektrisches Betätigungsglied gemäß Anspruch 4, bei dem die leitfähige Schicht (18) durch die im wesentlichen undurchlässige Abdichtung umschlossen ist.