DE10046657A1

DE10046657A1 - Piezoelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10046657A1
Application number: DE10046657A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2002-04-04

Abstract

Es wird ein Piezoelement, beispielsweise für einen Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, und ein Herstellungsverfahren vorgeschlagen, bei dem ein Block (1) aus Piezolagen mit dazwischenliegenden Innenelektroden (2) gebildet wird, bei denen ein neutraler Bereich (3, 4) ohne Innenelektrodenschicht jeweils von Lage zu Lage wechselnd positioniert ist. Die neutralen Bereiche (3, 4) sind jeweils von Lage zu Lage wechselnd so positioniert, dass bei einer nach einer Sinterung folgenden Auftrennung des Blocks (1) in mehrere Piezoelemente (7, 8, 9, 10) der Schnitt senkrecht zum Lagenaufbau innerhalb einer der neutralen Bereiche (3, 4) derart vorgenommen wird, dass im Lagenaufbau wechselnd nur eine Innenelektrodenschicht (11, 13) an die Trennflächen zur Kontaktierung einer der Außenelektroden (12, 14) heranreicht.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Piezoelement, beispielsweise für einen Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, und ein Her stellungsverfahren nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des soge nannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung er folgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebe reiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Aufgrund dieses ex trem schnellen und genau regelbaren Effektes können sol che Piezoaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritz systemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Steuerventils ge nutzt, das wiederum den Hub einer Düsennadel regelt. Ein großer Vorteil der Piezoaktoren ist dabei die Realisie rung präziser und sehr schneller Auslenkungen mit hohen Kräften.

Da die erforderlichen elektrischen Feldstärken zur Betä tigung des Piezoaktors im Bereich von mehreren kV/mm lie gen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, kann der Aufbau dieses Piezo aktors hier in mehreren Schichten erfolgen (Multilayer- Aktoren). Hierzu sind jeweils zwischen den Schichten In nenelektroden vorhanden, die z. B. mit einem Druckverfah ren aufgebracht werden, und es sind Außenelektroden vor handen, über die die elektrische Spannung angelegt wird. Die Keramikschichten werden hierbei elektrisch parallel geschaltet, so dass die notwendige Steuerspannung in Ver gleich zu monolithischen Piezoaktoren bei gleicher Länge und Anzahl der Schichten sinkt.

Aus der EP 0 844 678 A1 ist ein solcher Piezoaktor be kannt, bei dem zwei, an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Piezoaktorblocks angebrachte, Außenelektroden unter schiedlicher Polarität vorhanden sind. Bei einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innen elektroden mit den seitlichen Außenelektroden erfolgt die jeweilige Kontaktierung in dem Bereich, in dem in der je weils benachbarten Schicht keine Innenelektrode an die Außenseite herangeführt ist.

Diese Multilayer-Piezoelemente werden in der Regel durch stehendes Sintern des Aufbaus der einzelnen Lagen herge stellt, was bei den unterschiedlichen Verhältnissen der Querschnitte zu den Längen der Piezoelemente zu Problemen führt.

Vorteile der Erfindung

Das eingangs beschriebene Piezoelement ist, wie erwähnt, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden aufgebaut und mit einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innen elektroden, zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, versehen. Gemäß eines erfindungsgemäßen Verfah rens zur Herstellung eines solchen Piezoelements wird in vorteilhafter Weise ein Block aus Piezolagen mit dazwi schenliegenden Innenelektroden zur gemeinsamen Sinterung mehrerer einzelner Piezoelemente gebildet. Hierbei wird ein neutraler Bereich ohne Innenelektrodenschicht jeweils von Lage zu Lage wechselnd so positioniert, dass bei ei ner Auftrennung des Blocks in mehrere Piezoelemente der Schnitt senkrecht zum Lagenaufbau innerhalb einer der neutralen Bereiche derart vorgenommen wird, dass im La genaufbau wechselnd nur eine Innenelektrodenschicht an die Trennflächen zur Kontaktierung einer der Außenelekt roden heranreicht. An den Trennflächen der Piezoelemente werden dann auf einfache Weise die Außenelektroden an den jeweils an die Trennfläche heranragenden Innelektroden kontaktiert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Block aus Piezolagen so aufgebaut, dass ein neutraler Bereich ohne Innenelektrodenschicht jeweils mittig von einer Seiten fläche zu anderen Seitenfläche verläuft und der neutrale Bereich von Schicht zu Schicht wechselnd jeweils um 90° versetzt angebracht wird.

Der Block als Ausgangsprodukt für die Piezoelemente wird dann in vorteilhafter Weise in dem weiteren Herstellungs schritt jeweils an einer mittig innerhalb der neutralen Bereiche verlaufenden Linie senkrecht zum Lagenaufbau zur Bildung von z. B. vier einzelnen Piezoelementen aufge trennt, vorzugsweise gesägt, und an den Trennflächen der Piezoelemente werden die Außenelektroden an den jeweils an die Trennfläche heranragenden Innelektroden kontak tiert. Die jeweils nicht zu kontaktierenden Innenelektro den sind durch den auch nach dem Schnitt verbleibenden neutralen Bereich an der Trennfläche von der jeweiligen Außenelektrode isoliert.

Mit der Erfindung können auf einfache Weise die Nachteile einer Einzelfertigung von Piezoelementen vermieden wer den. Der gesamte Block kann zunächst stehend in einer stabilen Lage gesintert und danach zerlegt werden. Werden z. B. vier Einzelelemente in einem Block hergestellt, so kann bei jeweils zwei Piezoelementen ein durchgängiger Schnitt gemacht werden. Die Außenelektroden können dann so aufgebracht werden, dass keine Nachbearbeitung der E lemente mehr nötig ist, da die Trennflächen sehr sauber sind und dadurch hervorragend kontaktiert werden können.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoele ments wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Blocks zur Herstellung von vier Piezoelementen mit wechselseitig verschieden an geordneten neutralen Bereichen in den Innenelektro denschichten,

Fig. 2 eine Einzelansicht einer Lage eines Piezoele ments nach dem Auftrennen des Blocks aus der Fig. 1,

Fig. 3 eine Einzelansicht der jeweils anderen Lage eines Piezoelements nach der Fig. 2 nach dem Auf trennen des Blocks aus der Fig. 1 und

Fig. 4 eine Einzelansicht beider Lagen eines Piezo elements nach dem Auftrennen des Blocks aus der Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Block 1 gezeigt, der aus übereinander gestapelten Lagen von Piezokeramik und dazwischen liegen den Innenelektroden gebildet ist. Auf der Vorderseite ist eine metallische Schicht zur Bildung einer Innenelektrode 2 ersichtlich, die in der Mitte einen neutralen nichtme tallisierten Bereich 3 aufweist. Hinter einer Lage aus Piezokeramik ist eine weitere Innenelektrodenschicht mit einem durch eine gestrichelte Line gekennzeichneten neut ralen Bereich 4 angeordnet.

Nach einer Sinterung wird der Block 1 nach dem gezeigten Ausführungsbeispiel an senkrecht zueinander stehenden Li nien 5 und 6 in Richtung des Lagenaufbaus zersägt und es sind dadurch Piezoelemente 7, 8, 9 und 10 gebildet, deren Funktion in der Beschreibungseinleitung näher beschrieben sind.

In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die äußere Innenelekt rodenschicht 11 eines der Piezoelemente (hier beispiels wetse das Element 7) nach der Trennung aus dem Block 1 nach der Fig. 1 gezeigt. An der Schnittkante kann hier eine Außenelektrode 12 zur Kontaktierung angebracht wer den. An der anderen Schnittkante liegt hier ein neutraler Bereich (beispielsweise der Bereich 3 aus der Fig. 1) an. Aus Fig. 3 ist die angrenzende Lage 13 des Aufbaus des entsprechenden Piezoelements erkennbar, wobei hier eine Außenelektrode 14 an der jeweils anderen Schnittkan te angebracht werden kann. Hier liegt an der anderen Schnittkante ebenfalls ein neutraler Bereich (beispiels weise der Bereich 4 aus der Fig. 1) an.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht auf die Gesamtanordnung eines Piezoelementes mit den abwechselnd angebrachten Piezola gen und Innenelektroden 11 und 13 sowie den Außenelektro den 12 und 14.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Piezoelements (7, 8, 9, 10) mit
einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwi schen angeordneten Innenelektroden (11, 13), die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und mit
einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktie rung der Innenelektroden (11, 13) mit mindestens ei ner Außenelektrode (12, 14) für jede Polarität, wobei die Kontaktierung jeweils in dem Bereich erfolgt, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innen elektrode (11, 13) an die Außenseite herangeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Block (1) aus Piezolagen mit dazwischenliegenden Innenelektroden (2) gebildet wird, bei denen ein neutraler Bereich (3, 4) ohne Innenelektrodenschicht jeweils von Lage zu Lage wechselnd positioniert ist, dass
der Block (1) gesintert wird, dass
die neutralen Bereiche (3, 4) jeweils von Lage zu La ge wechselnd so positioniert sind, dass bei einer nachfolgenden Auftrennung des Blocks (1) in mehrere Piezoelemente (7, 8, 9, 10) der Schnitt senkrecht zum Lagenaufbau innerhalb einer der neutralen Bereiche (3, 4) derart vorgenommen wird, dass im Lagenaufbau wechselnd nur eine Innenelektrodenschicht (11, 13) an die Trennflächen zur Kontaktierung einer der Außen elektroden (12, 14) heranreicht und dass
an den Trennflächen der Piezoelemente (7, 8, 9, 10) die Außenelektroden (12, 14) an den jeweils an die Trenn fläche heranragenden Innelektroden (11, 13) kontak tiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein neutraler Bereich (3, 4) ohne Innenelektroden schicht jeweils mittig von einer Seitenfläche zu an deren Seitenfläche des Blocks (1) verläuft und der neutrale Bereich (3, 4) von Schicht zu Schicht wech selnd jeweils um 90° versetzt angebracht wird und dass
der Block (1) jeweils an einer mittig innerhalb der neutralen Bereiche (3, 4) verlaufenden Linie zur Bil dung von vier einzelnen Piezoelementen (7, 8, 9, 10) aufgetrennt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass
der Block (1) durch Sägen zertrennt wird.

4. Piezoaktor, mit
einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwi schen angeordneten Innenelektroden (11, 12), die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und mit
einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktie rung der Innenelektroden (11, 13) mit mindestens ei ner Außenelektrode (12, 14) für jede Polarität, wo bei die Kontaktierung jeweils in dem Bereich er folgt, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innenelektrode (11, 13) an die Außenseite her angeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils ein Piezoelement (7, 8, 9, 10) aus dem Mehr schichtaufbau gebildet ist, bei dem die Außenelekt roden (12, 14) an einer Trennflächen anbringbar sind, an der das jeweilige Piezoelement (7, 8, 9, 10) aus ei nem Block (1) von Piezolagen mit dazwischenliegenden Innenelektroden (2; 11, 13) herausgetrennt worden ist, wobei
ein neutraler Bereich (3, 4) ohne Innenelektroden schicht (11, 13) jeweils an einer Trennfläche ver läuft und der neutrale Bereich (3, 4) von Schicht zu Schicht wechselnd jeweils um 90° versetzt ist.

5. Piezoaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
das Piezoelement (7, 8, 9, 10) Bestandteil eines Blocks (1) aus Piezolagen mit dazwischenliegenden Innen elektroden (11, 12) ist, bei denen ein neutraler Be reich (3, 4) ohne Innenelektrodenschicht (11, 13) je weils mittig von einer Seitenfläche zu anderen Sei tenfläche verläuft und der neutrale Bereich (3, 4) von Schicht zu Schicht wechselnd jeweils um 90° ver setzt angebracht ist und dass
vier Piezoelemente (7, 8, 9, 10) durch eine mittig in nerhalb der neutralen Bereiche senkrecht zum Lagen aufbau verlaufende Trennung (5, 6) heraustrennbar sind.