DE10112588C1 - Piezoactuator has metallisation that is short in comparison to its associated electrode layer so that only part of electrode layer is connected to metallisation - Google Patents
Piezoactuator has metallisation that is short in comparison to its associated electrode layer so that only part of electrode layer is connected to metallisationInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoaktor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9.The present invention relates to a piezo actuator according to the Preamble of claim 1 and a method for Manufacture of a piezo actuator according to the preamble of Claim 9.
Piezoaktoren können als Vielschichtbauelemente mit einer Anzahl von jeweils alternierend angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten und Elektrodenschichten ausgebildet sein und gewinnen in der modernen Elektrotechnik immer mehr an Bedeutung. Beispielsweise werden Piezoaktoren als Stellantriebe, in Verbindung mit Ventilen und dergleichen eingesetzt.Piezo actuators can be used as multilayer components with a Number of alternately arranged piezoelectric ceramic layers and electrode layers be trained and win in modern electrical engineering more and more important. For example, piezo actuators as actuators, in connection with valves and the like used.
Ein bekannter Piezoaktor ist beispielsweise in der DE 196 46 676 C1 ausführlich beschrieben. Bei derartigen Piezokeramiken wird der Effekt ausgenutzt, daß diese sich unter einem mechanischen Druck, beziehungsweise Zug, aufladen und andererseits bei Anlegen einer elektrischen Spannung entlang der Hauptachse der Keramikschicht ausdehnen. Zur Vervielfachung der nutzbaren Längenausdehnung werden monolithische Vielschichtaktoren verwendet, die aus einem gesinterten Stapel dünner Folien aus Piezokeramik (beispielsweise Bleizirkonattitanat) mit eingelagerten metallischen Innenelektroden bestehen. Die Innenelektroden sind wechselseitig aus dem Stapel herausgeführt und über Außenelektroden elektrisch parallel geschaltet. Auf den beiden Kontaktseiten des bis zu circa 40 mm hohen Stapels ist hierzu jeweils eine streifen- oder bandförmige, durchgehende Außenmetallisierung (im weiteren Verlauf der Beschreibung werden solche Außenmetallisierungen als Metallisierung bezeichnet) aufgebracht, die mit allen Innenelektroden (die im weiteren Verlauf der Beschreibung als Elektrodenschichten bezeichnet werden) gleicher Polarität verbunden ist. Zwischen der Metallisierung und den elektrischen Anschlüssen wird häufig noch eine in vielen Formen ausführbare Weiterkontaktierung, beispielsweise ein Cu-kaschierter Kaptonfolienstreifen, aufgebracht. Legt man eine elektrische Spannung an die Außenkontaktierung, so dehnen sich die Piezofolien in Feldrichtung aus. Durch die mechanische Serienschaltung der einzelnen Piezofolien wird die Nenndehnung des gesamten Stapels schon bei relativ niedrigen elektrischen Spannungen erreicht.A known piezo actuator is, for example, in DE 196 46 676 C1 described in detail. With such piezoceramics the effect is exploited that this is under one mechanical pressure, or train, charge and on the other hand when an electrical voltage is applied along the main axis of the ceramic layer. to Multiplication of the usable linear expansion monolithic multilayer actuators used, which consist of a sintered stack of thin foils made of piezoceramic (e.g. lead zirconate titanate) with embedded metallic inner electrodes exist. The internal electrodes are mutually led out of the stack and over External electrodes electrically connected in parallel. On the both contact sides of the stack, which is up to approximately 40 mm high a strip-like or ribbon-shaped, continuous one External metallization (in the further course of the description such external metallizations are called metallization referred to) applied with all internal electrodes (the in the further course of the description as electrode layers same polarity. Between the metallization and the electrical connections often one that can be executed in many forms Further contacting, for example a copper-clad Kapton film strips, applied. If you put an electric Voltage on the external contact, so the stretch Piezo foils in the field direction. By mechanical Series connection of the individual piezo foils is the Nominal elongation of the entire stack even at relatively low electrical voltages reached.
Derartige Aktoren sind durch den mechanischen Hub einer erheblichen Belastung ausgesetzt. Von entscheidender Bedeutung für die Lebensdauer von Multilayeraktoren im dynamischen Betrieb ist, zur Erzielung hoher Zyklenzahlen und hoher Zuverlässigkeit, die elektrische Außenkontaktierung. Multilayeraktoren aktueller Bauform enthalten bis zu mehreren hundert Elektrodenschichten, die beispielsweise durch Siebdrucken einer Silber-Palladium-Paste und anschließendes Co-Firing mit den Keramikschichten erzeugt werden. Diese Elektrodenschichten müssen zuverlässig und dauerhaft mit dem externen elektrischen Anschluß verbunden werden.Such actuators are one by the mechanical stroke exposed to considerable stress. Of crucial Significance for the lifespan of multilayer actuators in is dynamic operation, to achieve high numbers of cycles and high reliability, the electrical external contact. Current multilayer actuators contain up to several hundred electrode layers, for example, by Screen printing a silver-palladium paste and then Co-firing can be created with the ceramic layers. This Electrode layers must be reliable and durable with the external electrical connection.
Die aus der DE 196 46 676 C1 bekannte Kontaktierungslösung, die auch in Fig. 1 dargestellt ist, erfolgt durch Einbringung von Isolationszonen in den Aktor mittels eines speziellen Elektrodenlayouts. In diesen Isolationszonen können die Elektroden gleicher Polarität separat durch eine vertikale, streifenförmige Metallisierung miteinander verbunden werden. Diese Metallisierungsbahnen werden meistens noch mit einer Weiterkontaktierung, beispielsweise seitlich am Stapel überstehende Kontaktfahnen, und/oder weiteren Anschlußelementen versehen, um die Außenkontaktierung des Aktors zu vervollständigen.The contacting solution known from DE 196 46 676 C1, which is also shown in FIG. 1, is made by introducing insulation zones into the actuator by means of a special electrode layout. In these isolation zones, the electrodes of the same polarity can be connected to one another separately by means of a vertical, strip-shaped metallization. These metallization tracks are usually also provided with further contacting, for example contact tabs projecting laterally on the stack, and / or further connection elements in order to complete the external contacting of the actuator.
In den piezoelektrisch inaktiven Isolationszonen, die bisher in den Multilayeraufbau eingebracht werden, entstehen bei Ansteuerung des Piezoaktors mechanische Spannungen, die besonders im dynamischen Betrieb zu Delaminationsrissen und im weiteren Verlauf zu Kontaktunterbrechungen führen. Eine sukzessive Verringerung der erreichten Auslenkung, beziehungsweise ein kompletter Ausfall des Aktors, ist die Folge. Die Ausführung der elektrischen Kontaktierung von piezokeramischen Vielschichtaktoren stellt somit ein entscheidendes Designkriterium zur Erzielung hoher Zuverlässigkeiten des gesamten Bauteils dar.In the piezoelectrically inactive isolation zones that used to be are incorporated into the multilayer structure Control of the piezo actuator mechanical voltages especially in dynamic operation for delamination cracks and lead to contact interruptions in the further course. A successive reduction of the deflection achieved, or a complete failure of the actuator is Episode. The execution of the electrical contacting of Piezoceramic multi-layer actuators thus set decisive design criterion for achieving high Reliability of the entire component.
Um einen hinsichtlich der genannten Problematik verbesserten Piezoaktor zu schaffen, ist in dem von der Anmelderin eingereichten älteren, nicht veröffentlichten Patent 199 45 933 ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise mit isolationszonenfreier elektrischer Kontaktierung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben. Bei diesem Piezoaktor erstrecken sich die einzelnen Elektrodenschichten isolationszonenfrei über den gesamten Stapelquerschnitt bis zu den seitlichen Oberflächen des Stapels. Dort ist für jede Elektrodenschicht separat eine horizontale, an der jeweiligen Elektrodenschicht mindestens über einen Teil des Stapelumfangs entlang laufende Metallisierung aufgebracht.To an improved with regard to the problems mentioned To create a piezo actuator is that of the applicant submitted older, unpublished Patent 199 45 933 a piezo actuator in Multi-layer construction with electrical insulation free of insulation zones Contacting and a process for its manufacture described. With this piezo actuator, the individual electrode layers free of insulation zones over the entire stack cross section to the side surfaces of the stack. There is a separate one for each electrode layer horizontal, at least on the respective electrode layer running along part of the stack circumference Metallization applied.
Durch ein solches Innenelektrodenlayout ohne inaktive Isolationszonen kann die Entstehung inhomogener mechanischer Spannungen im Aktor bereits weitestgehend verhindert werden. Die Möglichkeit zur separaten Kontaktierung jeder einzelnen Innenelektrode an der Aktoroberfläche wird durch horizontale, hinsichtlich elektrischer Überschläge ausreichend zueinander beanstandete Einzelmetallisierungen geschaffen.Such an internal electrode layout without inactive Isolation zones can create inhomogeneous mechanical Tensions in the actuator can already be largely prevented. The possibility of contacting each one separately Internal electrode on the actuator surface is replaced by horizontal, with regard to electrical arcing enough to each other disputed individual metallizations created.
Aus der US-A-5,087,848 ist eine weitere Lösung für einen Piezoaktor beschrieben, bei dem die einzelnen Elektrodenschichten jeweils einzeln über eine Weiterkontaktierung mit einem Anschlußelement verbunden sind, wobei dieses Anschlußelement Schlitze aufweist, in die die Weiterkontaktierungen eingesteckt und dort anschließend befestigt werden.Another solution for one is known from US-A-5,087,848 Piezo actuator described in which the individual Electrode layers individually one over each Further contacts are connected to a connection element, wherein this connector has slots into which the Plugged in further and then there be attached.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Piezoaktor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, bei dem die isolationszonenfreie Kontaktierung weiter optimiert werden kann.Based on the state of the art, the present invention the object of a Piezo actuator and a method for its production to be specified at which the isolation zone-free contacting can be further optimized.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Piezoaktor gemäß Patentanspruch 1 sowie das Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors gemäß Patentanspruch 9. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Piezoaktor beschrieben sind, gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors, und umgekehrt.This object is achieved by the Piezo actuator according to claim 1 and the method for Manufacture of a piezo actuator according to claim 9 Advantages, characteristics, details, aspects and effects of Invention result from the dependent claims, the Description as well as the drawings. Features and details that in connection with the piezo actuator according to the invention are of course also valid in Connection with the inventive method for Manufacturing a piezo actuator, and vice versa.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise bereitgestellt, bei dem alternierend immer eine piezoelektrische Keramikschicht und eine Elektrodenschicht zur Bildung eines Stapels übereinander angeordnet ist, bei dem jeweils wenigstens eine erste Elektrodenschicht und wenigstens eine im Stapel darauffolgende, zur ersten Elektrodenschicht benachbarte zweite Elektrodenschicht zur elektrischen Kontaktierung in alternierender Polarität jeweils mit zumindest einer seitlich am Stapel aufgebrachten Metallisierung verbunden ist, wobei jede Metallisierung wiederum elektrisch leitend über wenigstens ein Verbindungsmittel mit einer Weiterkontaktierung, die mit einem freien Endabschnitt über den Stapel hinausragt, verbunden ist, bei dem sich jede Elektrodenschicht isolationszonenfrei über den gesamten Stapelquerschnitt bis zu jeder seitlichen Oberfläche des Stapels erstreckt und bei dem dort für jede Elektrodenschicht separat eine Metallisierung aufgebracht ist. Der Piezoaktor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß jede Metallisierung im Vergleich zu der ihr zugeordneten Elektrodenschicht kurz ausgebildet ist, so daß nur ein Teilbereich der Elektrodenschicht mit der Metallisierung verbunden ist, daß jede Metallisierung in einem Bereich des Stapels vorgesehen ist, in dem der freie Endabschnitt der Weiterkontaktierung über den Stapel hinausragt und daß jede Metallisierung in bezug auf die ihr zugeordnete Elektrodenschicht zumindest im wesentlichen parallel zu dieser ausgerichtet ist.According to the first aspect of the invention, a piezo actuator in Multi-layer construction provided, alternating always a piezoelectric ceramic layer and one Electrode layer to form a stack on top of one another is arranged, in each case at least a first Electrode layer and at least one in the stack subsequent, adjacent to the first electrode layer second electrode layer for electrical contacting in alternating polarity with at least one on each side metallization applied to the stack is connected, wherein each metallization in turn is electrically conductive at least one connecting means with one Further contacting with a free end section over protrudes from the stack, is connected, in which each Electrode layer free of insulation zones over the entire Stack cross section to any side surface of the Stack extends and where there for each electrode layer a metallization is applied separately. The piezo actuator is characterized in that each Metallization compared to that assigned to it Electrode layer is short, so that only one Part of the electrode layer with the metallization is connected that each metallization in a region of the Stack is provided in which the free end portion of the Further contact protrudes beyond the stack and that each Metallization with respect to its associated Electrode layer at least essentially parallel to this is aligned.
Durch den erfindungsgemäßen Piezoaktor wird eine optimale, isolationszonenfreie Kontaktierungsmöglichkeit der einzelnen Elektrodenschichten geschaffen. Der erfindungsgemäße Piezoaktor geht dabei von dem in der DE 199 45 933.9 beschriebenen Piezoaktor aus, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung miteinbezogen wird.An optimal, isolation zone-free contact possibility of the individual Electrode layers created. The invention Piezo actuator is based on that in DE 199 45 933.9 described piezo actuator, the disclosure content so far in the description of the present invention is involved.
In Weiterbildung des in dem Patent 199 45 933 beschriebenen Piezoaktors weist der vorliegende erfindungsgemäße Piezoaktor gemäß einem Grundgedanken der Erfindung zunächst das Merkmal auf, daß jede Metallisierung im Vergleich zu der ihr zugeordneten Elektrodenschicht kurz ausgebildet ist, so daß nur ein Teilbereich der Elektrodenschicht mit der Metallisierung verbunden ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, daß in der Praxis nicht selten auftretende Parallelitätsabweichungen der einzelnen Strukturen zueinander nicht zum elektrischen Versagen des Bauteils führen können.In a further development of that described in the patent 199 45 933 Piezo actuator has the present piezo actuator according to the invention according to a basic idea of the invention, first the feature on that any metallization compared to yours associated electrode layer is short, so that only a partial area of the electrode layer with the Metallization is connected. This can prevent it become that that occur not infrequently in practice Deviations in parallelism between the individual structures cannot lead to electrical failure of the component.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung ist vorgesehen, daß jede Metallisierung in einem Bereich des Stapels vorgesehen ist, in dem der freie Endabschnitt der Weiterkontaktierung über den Stapel hinausragt. Das bedeutet, daß die Gefahr von Kurzschlußbrücken zwischen dem freien Endabschnitt der Weiterkontaktierung und der Oberfläche des Piezoaktors gering gehalten werden kann, da sich die Weiterkontaktierung nur über einen kurzen Bereich auf der Aktoroberfläche befindet.According to a further basic idea of the invention provided that each metallization in an area of the Stack is provided in which the free end portion of the Further contact protrudes beyond the stack. That means, that the risk of shorting bridges between the free End section of the further contact and the surface of the Piezo actuator can be kept low, since the Further contact only over a short area on the Actuator surface.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß jede Metallisierung in bezug auf die ihr zugeordnete Elektrodenschicht zumindest im wesentlichen parallel zu dieser ausgerichtet ist. Dadurch kann der Anforderung an eine Einzelkontaktierung von Elektrodenschichten Rechnung getragen werden, daß nämlich die aufgebrachten Metallisierungen exakt parallel und mittig über der Elektrodenschicht geführt werden müssen, um Kurzschlüsse zu den benachbarten, entgegengesetzt geladenen Elektrodenschichten zu vermeiden. Gleiches gilt selbstverständlich ebenso für die Aufbringung der Weiterkontaktierung auf der Metallisierung.According to a further basic idea, the invention provided that any metallization with respect to your assigned electrode layer at least essentially is aligned parallel to this. This allows the Requirement for an individual contact from Electrode layers are taken into account, namely that applied metallizations exactly parallel and in the middle the electrode layer must be led to short circuits to the neighboring, oppositely charged Avoid electrode layers. same for of course also for the application of the Further contact on the metallization.
Die Zuverlässigkeit der Verbindung der Weiterkontaktierung mit der jeweiligen Metallisierung bleibt durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Piezoaktors unbeeinflußt, da die bei Auslenkung des Aktors auftretende Biegung der Weiterkontaktierung zu Zug- und Scherspannungen vor allem im Einmündungsbereich der Weiterkontaktierung in das Verbindungsmittel zwischen Weiterkontaktierung und Metallisierung führt. Die gleichzeitig bei Auslenkung des Aktors auftretende direkte Zugdehnung der Weiterkontaktierung dagegen ist sehr gering, so daß die dadurch in das Verbindungsmittel eingebrachten Zug- und Scherspannungen auch von kleinflächigen Kontaktierungspunkten sicher verkraftet werden können. Beispielsweise kann die Stromtragfähigkeit im Bereich des Verbindungsmittels, beispielsweise eine Ag-Ag- Pd-Kontaktstelle, bei einer Elektrodenschichtdicke um 3 µm ab einer Kontaktstellenlänge von 1 mm als ausreichend angesehen werden.The reliability of the connection of further contact with the respective metallization remains through the Design of the piezo actuator according to the invention unaffected, since the bending of the actuator that occurs when the actuator is deflected Further contact to tensile and shear stresses, especially in Junction area of further contact in the Liaison between further contact and Metallization leads. The same time when the Actual direct extension of the further contact occurring on the other hand, is very small, so that the result in the Lanyards introduced tensile and shear stresses too coped with by small-area contact points can be. For example, the current carrying capacity in the Area of the connecting means, for example an Ag-Ag Pd contact point, with an electrode layer thickness of 3 µm from a contact point length of 1 mm as sufficient be considered.
Vorteilhaft kann das Verbindungsmittel gleich groß oder kleiner als die Metallisierung ausgebildet sein. Ähnlich wie im Zusammenhang mit der Metallisierung kann damit in der Praxis auftretenden Paralellitätsabweichungen Rechnung getragen werden, die im schlimmsten Fall zum elektrischen Versagen des gesamten Piezoaktors führen könnten.The connecting means can advantageously be the same size or be smaller than the metallization. Similar to in connection with the metallization Paralelty deviations occurring in practice to be worn, in the worst case for electrical Failure of the entire piezo actuator could result.
Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Konfiguration des Piezoaktors beziehungsweise des Keramikschicht- Elektrodenschicht-Stapels beschränkt. Vorteilhaft kann der Stapel jedoch eine eckige Konfiguration aufweisen. In diesem Fall kann beispielsweise jede Metallisierung im Bereich einer Seitenkante des Stapels vorgesehen sein. Wenn die einzelnen Metallisierungen soweit wie möglich in die Nähe der Seitenkanten des Piezoaktors verlegt werden, kann die weiter oben bereits skizzierte Gefahr von Kurzschlußbrücken zwischen dem freien Endabschnitt der Weiterkontaktierung und der Aktoroberfläche gering gehalten werden.The invention is not limited to any particular configuration of the Piezo actuator or the ceramic layer Electrode layer stack limited. It can be advantageous However, stacks have an angular configuration. In this For example, any metallization in the area of a Side edge of the stack may be provided. If the individual Metallizations as close as possible to the The side edges of the piezo actuator can be moved further The risk of short-circuit bridges between the free end section of the further contact and the Actuator surface can be kept low.
In weiterer Ausgestaltung kann die Metallisierung als wenigstens ein Metallisierungspunkt oder als Metallisierungslinie aufgebracht sein. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Designs der Metallisierungen beschränkt. Wichtig ist lediglich, daß die Metallisierungen so kurz wie möglich gehalten werden, um die weiter oben beschriebenen, nachteiligen Effekte zu vermeiden.In a further embodiment, the metallization can be used as at least one metallization point or as Metallization line can be applied. The invention is not limited to certain designs of the metallizations. It is only important that the metallizations as short as can be kept to the above described to avoid adverse effects.
Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Metallisierungen pro Elektrodenschicht beschränkt. Grundsätzlich ist wenigstens eine Metallisierung pro Elektrodenschicht vorgesehen. Es sind jedoch auch Ausgestaltungsvarianten des Piezoaktors denkbar, bei denen mehr als eine Metallisierung pro Elektrodenschicht vorgesehen ist.In addition, the invention is not limited to any one Limited number of metallizations per electrode layer. Basically there is at least one metallization per Electrode layer provided. However, there are also Design variants of the piezo actuator conceivable in which more than one metallization is provided per electrode layer is.
Wenn der Stapel eine eckige Konfiguration aufweist, kann vorteilhaft jede Metallisierung der wenigstens einen ersten Elektrodenschicht und der wenigstens einen zweiten Elektrodenschicht mit unterschiedlicher Polarität auf ein und derselben Seite des Stapels aufgebracht sein. Dies führt zu einer Reihe von Vorteilen im Zusammenhang mit der Herstellung eines solchen Piezoaktors. Beispielsweise vereinfachen sich eine Reihe von Prozeßschritten erheblich, was nicht zuletzt auch zu deutlichen Kostenvorteilen führt. So kann beispielsweise der Schleifvorgang im Bereich der Kontaktierungszonen, insbesondere bei Verwendung von As- Fired-Oberflächen, vereinfacht werden. Ebenso wird das Aufbringen der Metallisierungen sowie das Aufbringen der Weiterkontaktierungen sowie deren Verbindung mit den Metallisierungen wesentlich vereinfacht. Dies wird unter anderem im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter unten näher erläutert.If the stack has an angular configuration, can advantageously any metallization of the at least one first Electrode layer and the at least one second Electrode layer with different polarity on one and be applied to the same side of the stack. this leads to a number of manufacturing advantages of such a piezo actuator. For example, simplify a number of process steps significantly, not least also leads to significant cost advantages. So can for example the grinding process in the area of Contacting zones, especially when using As- Fired surfaces, are simplified. Likewise it will Application of the metallizations and application of the Further contacts and their connection with the Metallizations considerably simplified. This is under other in connection with the inventive method explained in more detail below.
Weiterhin lassen sich bei Verwendung dieser vorteilhaften Anbringung der Weiterkontaktierungen am Piezoaktor neue Weiterkontaktierungsdesigns realisieren, mit beispielsweise alternativer Anordnung von Kontaktierelementen, größeren freien Längen der Weiterkontaktierungen, was zu geringeren zyklischen Materialbelastungen führt, und dergleichen.Furthermore, when using this advantageous Attach the further contacts to the piezo actuator new Realize further contact designs, for example with alternative arrangement of contact elements, larger free lengths of further contacts, resulting in lower cyclic material loads, and the like.
Vorzugsweise kann jede Weiterkontaktierung, die mit einer Metallisierung einer Elektrodenschicht gleicher Polarität verbunden ist und die mit einem freien Endabschnitt über den Stapel hinausragt, über den Endabschnitt mit einem gemeinsamen Anschlußelement mechanisch und elektronisch verbunden sein. Dabei kann die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Metallisierungen und den Anschlußelementen je nach den Gegebenheiten unterschiedlich vorgenommen werden. Die zuvor beschriebene Ausführung ist besonders gut zum Auffangen mechanischer Spannungen geeignet.Preferably, each further contact with a Metallization of an electrode layer of the same polarity is connected and with a free end portion over the Pile protrudes beyond the end section with a common connection element mechanically and electronically be connected. The mechanical and electrical Connection between the metallizations and the Connection elements vary depending on the circumstances be made. The embodiment described above is particularly well suited to absorbing mechanical stresses.
Vorteilhaft kann das Anschlußelement als, vorzugsweise vertikaler, Anschlußstift ausgebildet sein. Die Weiterkontaktierungen können beispielsweise in Form von Drähten vorliegen. The connecting element can advantageously, as, preferably vertical, pin be formed. The Further contacts can be in the form of Wires are present.
Vorzugsweise kann das Verbindungsmittel als Lötverbindung oder Schweißverbindung ausgebildet sein. Wenn die Weiterkontaktierung mittels einer Lötverbindung an der Metallisierung befestigt wird, kann dieser Lötprozeß beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, mittels einer Bügellötanlage, einer Laserlötanlage oder dergleichen durchgeführt werden. Selbstverständlich sind auch andere Verbindungsarten zwischen der Weiterkontaktierung und der Metallisierung möglich. Die Auswahl der geeigneten Verbindungsart und damit des geeigneten Verbindungsmittels ergibt sich aus der Auswahl der jeweiligen Materialien für die Weiterkontaktierung und die Metallisierung.The connecting means can preferably be a soldered connection or welded connection. If the Further contact by means of a solder connection on the Metallization is attached, this soldering process for example, but not exclusively, by means of a Iron soldering system, a laser soldering system or the like be performed. Of course there are others too Connection types between the further contact and the Metallization possible. Choosing the right one Connection type and thus the suitable connection means results from the selection of the respective materials for further contact and metallization.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren
zum Herstellen eines Piezoaktors in Vielschichtbauweise
bereitgestellt, bei dem alternierend immer eine
piezoelektrische Keramikschicht und eine Elektrodenschicht
zur Bildung eines Stapels übereinander angeordnet ist, bei
dem jeweils wenigstens eine erste Elektrodenschicht und
wenigstens eine im Stapel darauffolgende, zur ersten
Elektrodenschicht benachbarte zweite Elektrodenschicht zur
elektrischen Kontaktierung in alternierender Polarität
jeweils mit zumindest einer seitlich am Stapel aufgebrachten
Metallisierung verbunden ist, wobei jede Metallisierung
wiederum elektrisch leitend über wenigstens ein
Verbindungsmittel mit einer Weiterkontaktierung verbunden
ist, bei dem sich jede Elektrodenschicht zumindest
bereichsweise bis zu einer seitlichen Oberfläche des Stapels
erstreckt und bei dem dort für jede Elektrodenschicht separat
eine Metallisierung aufgebracht ist. Das Verfahren zur
Herstellung eines solches Piezoaktors ist erfindungsgemäß
durch folgende Schritte gekennzeichnet:
According to a second aspect of the invention, a method for producing a piezo actuator in a multilayer construction is provided, in which a piezoelectric ceramic layer and an electrode layer are always arranged one above the other to form a stack, in each of which at least one first electrode layer and at least one succeeding one in the stack first electrode layer adjacent second electrode layer for electrical contacting in alternating polarity is in each case connected to at least one metallization applied to the side of the stack, each metallization in turn being connected in an electrically conductive manner to at least one connecting means with a further contact, in which each electrode layer extends at least in regions to a lateral one Surface of the stack extends and in which a metallization is applied there separately for each electrode layer. The method for producing such a piezo actuator is characterized according to the invention by the following steps:
- a) Herstellen eines Keramikschicht-Elektrodenschicht- Stapels;a) Manufacture of a ceramic layer electrode layer stack;
- b) Erfassen der Lage jeder einzelnen Elektrodenschicht mittels eines Lage-Erfassungsverfahrens; b) Detecting the position of each individual electrode layer by means of a position detection method;
- c) Aufbringen von wenigstens einer Metallisierung auf eine ihr zugeordnete Elektrodenschicht auf Grund der erfaßten Lagewerte; undc) applying at least one metallization to one their associated electrode layer based on the detected Location values; and
- d) Aufbringen von wenigstens einer Weiterkontaktierung auf die wenigstens eine Metallisierung.d) applying at least one further contact the at least one metallization.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, eine optimale, isolationszonenfreie Kontaktierung der einzelnen Elektrodenschichten des Piezoaktors zu erreichen.The inventive method makes it simple and cost-effective way possible, an optimal, Isolation-free contacting of the individual To reach electrode layers of the piezo actuator.
Ein Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß vor dem Aufbringen der einzelnen Metallisierungen zunächst die Lage von jeder einzelnen Elektrodenschicht mittels eines geeigneten Lage-Erfassungsverfahrens erfaßt wird. Beispiele für solche Verfahren werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. Bei Durchführung des Lage-Erfassungsverfahrens wird die genaue Lage jeder einzelnen Elektrodenschicht bestimmt. Auf Grund der erfaßten Lagewerte werden anschließend die Metallisierungen auf die ihnen jeweils zugeordneten Elektrodenschichten aufgebracht. Die Auswertung der erfaßten Lagedaten kann vorteilhaft mittels geeigneter Computerprogramme oder Software durchgeführt beziehungsweise unterstützt werden.There is a basic idea of the method according to the invention in that before applying the individual metallizations first the location of each individual electrode layer by means of a suitable position detection method becomes. Examples of such methods are given below Course of the description explained in more detail. When performing The location detection process will determine the exact location of everyone single electrode layer determined. Because of the detected Position values are then the metallizations on the applied to them each associated electrode layers. The evaluation of the recorded position data can be advantageous using suitable computer programs or software carried out or supported.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Für die Aufbringung der Metallisierungen ist üblicherweise eine sehr geringe Variation der keramischen Einzelschichtdicken (beispielsweise PZT-Einzelschichtdicken) zwingende Voraussetzung. Bisher wurden Piezoaktoren beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens hergestellt. Die erforderliche geringe Variation der Einzelschichtdicken zusammen mit den gegebenen prinzipiellen Genauigkeitsgrenzen des Siebdruckverfahrens führte in der Praxis dazu, daß Vielschichtstrukturen mit Einzelschichtdicken von < 200 µm nicht mehr auf diese Weise kontaktiert werden konnten. The method according to the invention has a number of advantages on. For the application of the metallizations usually a very small variation in ceramic Single layer thicknesses (e.g. PZT single layer thicknesses) mandatory requirement. So far, piezo actuators for example by means of a screen printing process. The required slight variation in the individual layer thicknesses together with the given basic accuracy limits the screen printing process led in practice to the fact that Multi-layer structures with single layer thicknesses of <200 µm could not be contacted in this way.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es nunmehr auch möglich, Vielschichtstrukturen mit Einzelschichtdicken von weniger als 200 µm problemlos kontaktieren zu können, da die Lage jeder einzelnen Elektrodenschicht genau erfaßt werden kann und damit ein zielgenaues Aufbringen der Metallisierungen ermöglicht wird.The method according to the invention now also makes it possible, multilayer structures with single layer thicknesses of to be able to contact less than 200 µm without any problems since the The position of each individual electrode layer can be recorded precisely can and thus a precise application of the Metallization is made possible.
Vorteilhaft kann der Stapel eine eckige Konfiguration aufweisen, so daß jede Metallisierung von jeder ersten Elektrodenschicht und jede Metallisierung von jeder zweiten Elektrodenschicht mit unterschiedlicher Polarität vorteilhaft auf ein und derselben Seite des Stapels aufgebracht wird.The stack can advantageously have an angular configuration have so that every metallization of every first Electrode layer and every metallization of every second Electrode layer with different polarity advantageous is applied to one and the same side of the stack.
In weiterer Ausgestaltung kann jede Weiterkontaktierung, die mit einer Metallisierung einer Elektrodenschicht gleicher Polarität verbunden ist, nach der Verbindung mit einem freien Ende über den Stapel hinausragen, wobei jede Weiterkontaktierung über ihren freien Endabschnitt mit einem gemeinsamen Anschlußelement, beispielsweise einem entsprechend ausgestalteten Anschlußstift, verbunden wird.In a further embodiment, each further contact can with a metallization of an electrode layer the same Polarity is connected after connecting to a free one Protrude the end of the stack, each Further contact via their free end section with a common connection element, for example one appropriately designed pin is connected.
Vorzugsweise kann die Weiterkontaktierung mittels eines, wie weiter oben bereits beschriebenen, Lötverfahrens, Schweißverfahrens oder dergleichen auf der Metallisierung aufgebracht werden. Bei der sich daraus ergebenden Verbindung handelt es sich dann um das im Rahmen des erfindungsgemäßen Piezoaktors genannte Verbindungsmittel.The further contacting can preferably be carried out by means of a, such as soldering method already described above, Welding process or the like on the metallization be applied. The resulting connection then it is within the scope of the invention Connection means called piezo actuator.
Das Aufbringen der wenigstens einen Metallisierung auf eine ihr zugeordnete Elektrodenschicht kann auf verschiedene Weise erfolgen, so daß die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen beschränkt ist. Nachfolgend werden einige nicht ausschließliche Beispiele beschrieben, wie ein solches Aufbringen von Metallisierung erfolgen kann.The application of the at least one metallization to one their associated electrode layer can be in different ways done so that the invention is not specific Embodiments is limited. Below will be some non-exclusive examples are described, such as a such metallization can be applied.
Beispielsweise kann die Metallisierung in dem weiter oben beschriebenen Verfahrensschritt c) in Form einer Metallisierungspaste mittels eines Mikrodispensers auf der ihr zugeordneten Elektrodenschicht aufgebracht werden. Dabei ist vorteilhaft vorgesehen, daß die Lage der Elektrodenschichten zunächst erfaßt wird und daß anschließend die Paste, beispielsweise eine Dickschichtmetallisierungspaste, mittels des Mikrodispensers auf den jeweiligen Elektrodenschichten aufgebracht wird.For example, the metallization in the above Process step c) described in the form of a Metallization paste using a microdispenser on the their associated electrode layer are applied. there is advantageously provided that the location of the Electrode layers are first detected and that subsequently the paste, for example one Thick-film metallization paste, using the microdispenser is applied to the respective electrode layers.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann vor Ausführung des weiter oben beschriebenen Verfahrensschritts b) zunächst Metallisierungsmaterial vollflächig auf demjenigen Bereich des Stapels aufgebracht werden, indem die Kontaktierung mit der wenigstens einen Weiterkontaktierung erfolgen soll, wobei nach Durchführung des oben beschriebenen Verfahrensschritts b) eine Strukturierung jeder einzelnen Metallisierung durchgeführt wird. In diesem Fall wird Metallisierungsmaterial zunächst vollständig auf der Oberfläche des Piezoaktors aufgebracht, was beispielsweise mittels eines Sputterverfahrens, eines Bedampfungsverfahrens oder dergleichen erfolgen kann. Weiterhin wird die Lage jeder Elektrodenschicht genau erfaßt, was vor, nach oder auch während des Aufbringens des Metallisierungsmaterials erfolgen kann. Anschließend werden die einzelnen Metallisierungen strukturiert, was beispielsweise mittels Lasertrennung oder dergleichen erfolgen kann.According to another embodiment, before execution of the Process step b) described above initially Metallization material over the entire area of the stack can be applied by contacting with the at least one further contact should take place, wherein after performing the process step described above b) a structuring of each individual metallization is carried out. In this case Metallization material initially completely on the Surface of the piezo actuator applied, for example by means of a sputtering process, an evaporation process or the like can be done. Furthermore, everyone's location Electrode layer detects exactly what before, after or also take place during the application of the metallization material can. Then the individual metallizations structured what for example by means of laser separation or the like can be done.
In anderer Ausgestaltung kann jede Metallisierung zunächst photolithographisch strukturiert werden, wobei jede Metallisierung anschließend durch ein Belichtungsverfahren fertiggestellt wird. In diesem Fall kann zunächst die photolithographische Strukturierung jeder einzelnen Metallisierung zusammen mit der Erfassung der Lage der Elektrodenschichten erfolgen. Anschließend kann jede Metallisierung durch das Belichtungsverfahren fertiggestellt werden, beispielsweise durch Belichtung des bei der photolithographischen Strukturierung entstehenden Photoresists mittels Laser oder dergleichen. In another embodiment, each metallization can initially be structured photolithographically, each Metallization then by an exposure process is completed. In this case, the photolithographic structuring of each one Metallization along with the detection of the location of the Electrode layers are made. Then everyone can Metallization completed by the exposure process be, for example, by exposure of the emerging photolithographic structuring Photoresists using lasers or the like.
Gemäß einer anderen Ausgestaltungsvariante ist es beispielsweise denkbar, daß derjenige Bereich des Stapels, in dem die Kontaktierung mit der wenigstens einen Weiterkontaktierung erfolgen soll, zunächst strukturiert aktiviert wird und daß anschließend jede Metallisierung entsprechend der erzeugten Struktur aufgebracht wird. Die strukturierte Aktivierung der Oberfläche kann beispielsweise mittels Laser erfolgen, so daß anschließend eine stromlose Abscheidung der Metallisierungen möglich wird.According to another embodiment variant, it is For example, it is conceivable that the area of the stack in which the contact with the at least one Further contact should take place, initially structured is activated and then every metallization is applied according to the generated structure. The Structured activation of the surface can, for example done by laser, so that then a currentless Deposition of the metallizations becomes possible.
Da durch das erfindungsgemäße Verfahren nunmehr auch Vielschichtstrukturen mit Einzelschichtdicken von < 200 µm kontaktiert werden können, ist es für die genaue Plazierung der Weiterkontaktierungen auf den Metallisierungen ebenfalls erforderlich, geeignete Lösungsansätze zu schaffen, die gegenüber der bisher verwendeten Positionierung von Weiterkontaktierungen mit äquidistanten Abständen eine Variation der Lage der einzelnen Weiterkontaktierungen ermöglichen. Einige nicht ausschließliche Beispiele, wie Weiterkontaktierungen vorteilhaft auf den Metallisierungen aufgebracht, beziehungsweise mit diesen verbunden werden können, werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.Since the method according to the invention now also Multi-layer structures with single layer thicknesses of <200 µm can be contacted, it is for the exact placement the further contacts on the metallizations as well necessary to create suitable solutions that compared to the positioning of Further contacts with equidistant distances one Varying the position of the individual further contacts enable. Some non-exclusive examples like Further contacts advantageous on the metallizations applied, or connected to them can be described in more detail later in the description explained.
Beispielsweise ist es möglich, daß zum Aufbringen der wenigstens einen Weiterkontaktierung auf die wenigstens eine Metallisierung jede Weiterkontaktierung einer Elektrodenschicht gleicher Polarität in Form einer Weiterkontaktierungsharfe über den Stapel gelegt wird, daß jede Weiterkontaktierung anschließend über der ihr zugeordneten wenigstens einen Metallisierung justiert wird, wobei die Lage jeder Metallisierung mittels eines Lage- Erfassungsverfahrens erfaßt wird und daß schließlich jede Weiterkontaktierung über ein Verbindungsmittel mit der wenigstens einen Metallisierung verbunden wird. Jede Weiterkontaktierung kann dabei vorteilhaft drahtförmig ausgebildet sein. Als Harfe wird dabei allgemein jede Konfiguration verstanden, bei der eine Anzahl von Weiterkontaktierungen mit einem gemeinsamen Anschlußelement verbunden sind, wobei es sich bei einem solchen Anschlußelement beispielsweise um einen Anschlußstift oder dergleichen handeln kann. Dabei ist die Ausrichtung der Weiterkontaktierungen sowie des Anschlußelements vorteilhaft so gewählt, daß das Anschlußelement zumindest im wesentlichen senkrecht zu den Weiterkontaktierungen ausgerichtet ist.For example, it is possible to apply the at least one further contact to the at least one Metallization every further contact Electrode layer of the same polarity in the form of a Further contact harp is placed over the stack that each further contact then over the you assigned at least one metallization is adjusted, the location of each metallization using a location Registration process is recorded and that finally each Further contact via a lanyard with the at least one metallization is connected. each Further contacting can advantageously be wire-shaped be trained. Everyone is generally considered a harp Configuration understood in which a number of Further contacts with a common connection element are connected, it being such Connection element for example around a pin or the like can act. The orientation of the Further contacts and the connection element advantageous chosen so that the connecting element at least essentially is aligned perpendicular to the further contacts.
Bei der genannten Ausgestaltungsform wird die Weiterkontaktierungsharfe zunächst über den zu kontaktierenden Stapel gelegt. Die Abstände der einzelnen Weiterkontaktierungen, die beispielsweise in Form von Einzeldrähten vorliegen, können dabei durch eingelegte Kämme, je nach Bedarf mit veränderbaren Zinkenbreiten, durch die Weiterkontaktierungen bewegende Präzisionsstellelemente, die beispielsweise in Form elektromagnetischer Aktoren, piezoelektrischer Biegewandler oder dergleichen ausgestaltet sein können, und dergleichen, lagerichtig justiert werden. Da ebenfalls die Lage jeder Metallisierung mittels eines Lage- Erfassungsverfahrens erfaßt wird, kann anschließend jede Weiterkontaktierung über ein geeignetes Verbindungsmittel mit der ihr zugeordneten wenigstens einen Metallisierung verbunden werden.In the embodiment mentioned, the Further contact harp first over the contacting stack. The distances of each Further contacts, for example in the form of Individual wires can be present through inserted combs, as required with variable tine widths, through which Moving precision actuators that for example in the form of electromagnetic actuators, configured piezoelectric bending transducer or the like can be, and the like, adjusted in the correct position. There also the position of each metallization by means of a layer Any registration procedure can then be recorded Further contact with a suitable connection means the at least one metallization assigned to it get connected.
In anderer Ausgestaltung kann zum Aufbringen der wenigstens einen Weiterkontaktierung auf die wenigstens eine Metallisierung eine Metallisierungsmenge dicht an dicht über denjenigen Bereich des Stapels gelegt werden, indem die Kontaktierung mit der wenigstens einen Weiterkontaktierung erfolgen soll. Anschließend wird die Lage jeder Metallisierung mittels eines Lage-Erfassungsverfahrens erfaßt. Dann wird jede Weiterkontaktierung, die nicht auf einer Metallisierung zu liegen kommt, von der Oberfläche des Stapels entfernt. Schließlich wird jede Weiterkontaktierung über ein Verbindungsmittel mit jeder Metallisierung, mit der sich diese in Kontakt befindet, verbunden.In another embodiment, the at least a further contact to the at least one Metallization is a metallization amount close to each other that area of the stack by placing the Contacting with the at least one further contact should be done. Then everyone's location Metallization using a position detection method detected. Then any further contact that is not on metallization comes from the surface of the Stack removed. Eventually every contact is made via a lanyard with any metallization with which is in contact.
Bei dieser Ausgestaltungsvariante wird also über den zu kontaktierenden Stapel zunächst eine Anzahl von Weiterkontaktierungen, beispielsweise in Form von Kontaktierungsdrähten, dicht an dicht gelegt. Nach der Erfassung der Lage der Metallisierungen werden diejenigen Weiterkontaktierungen, die nicht auf einer Metallisierung zu liegen kommen, von der Oberfläche des Stapels entfernt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß die nicht benötigten Weiterkontaktierungen durch Stellelemente von der Oberfläche des Stapels entweder abgehoben oder völlig entfernt werden. Anschließend werden die restlichen, mit den Metallisierungen in direktem Kontakt stehendem Weiterkontaktierungen über geeignete Verbindungsmittel mit diesen verbunden.In this embodiment variant, the contacting stack first a number of Further contacts, for example in the form of Contact wires, placed close together. After Detection of the location of the metallizations will be those Further contacts that are not due to a metallization come lying away from the surface of the stack. This can be realized, for example, that the required further contacts through control elements from the Surface of the stack either lifted off or completely be removed. Then the rest, with the Metallizations in direct contact Further contacts with suitable connecting means connected to this.
In anderer Ausgestaltung kann zum Aufbringen der wenigstens einen Weiterkontaktierung auf die wenigstens eine Metallisierung zunächst die Lage jeder Metallisierung mittels eines Lage-Erfassungsverfahrens erfaßt werden, wobei anschließend jeder Metallisierung eine Weiterkontaktierung einzeln zugeführt und diese mit der Metallisierung über ein Verbindungsmittel verbunden wird. Bei dieser Ausführungsform wird zunächst die Lage jeder Metallisierung mittels des Lage- Erfassungsverfahrens erfaßt. Anschließend werden die Weiterkontaktierungen, beispielsweise einzeln, auf jede Metallisierung zugeführt und mit dieser verbunden. Ein solches Verfahren kann beispielsweise analog zum "Bonden" von Halbleiterbauelementen mit Au- oder Al-Drähten erfolgen.In another embodiment, the at least a further contact to the at least one Metallization using the location of each metallization first a position detection method can be detected, wherein afterwards each metallization a further contact individually fed and this with the metallization over a Lanyard is connected. In this embodiment the position of each metallization is first determined using the Registration procedure. Then the Further contacts, for example individually, to each Metallization supplied and connected to this. On such a method can, for example, be analogous to the "bonding" of Semiconductor components with Au or Al wires are made.
Vorteilhaft kann die Lage der wenigstens einen Elektrodenschicht und/oder der wenigstens einen Metallisierung über ein optisches Verfahren und/oder mittels Meßtastern über die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit erfaßt werden. Selbstverständlich sind auch andere Erfassungsverfahren denkbar, so daß die Erfindung nicht auf die beiden beschriebenen Beispiele beschränkt ist.The location of at least one can be advantageous Electrode layer and / or the at least one Metallization via an optical process and / or by means of Measuring probes about the determination of the electrical conductivity be recorded. Of course there are others too Detection method conceivable so that the invention is not based on the two examples described are limited.
Besonders vorteilhaft kann ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Piezoaktors verwendet werden.One as described above can be particularly advantageous inventive method for producing a like Piezo actuator according to the invention described above be used.
Die vorliegende Erfindung zeigt im Zusammenhang mit dem Piezoaktor eine Reihe von vorteilhaften Designmöglichkeiten sowie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Reihe von vorteilhaften Prozeßmöglichkeiten auf, die zu einer wesentlichen Verbesserung der Eigenschaften des Piezoaktors bei gleichzeitigen relevanten Kostenvorteilen führen.The present invention shows in connection with the Piezo actuator a number of advantageous design options and in connection with the method according to the invention a number of advantageous process options that lead to a significant improvement in the properties of the Piezo actuator with relevant cost advantages to lead.
Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawing explained. Show it:
Fig. 1 einen Piezoaktor gemäß dem Stand der Technik mit Isolationszonen; und FIG. 1 shows a piezoelectric actuator according to the prior art with insulating zones; and
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Piezoaktor. Fig. 2 shows a piezo actuator according to the invention.
In Fig. 1 ist zunächst ein aus dem Stand der Technik bekannter Piezoaktor 10 in Vielschichtbauweise dargestellt, der einen aus zahlreichen piezoelektrischen Keramikschichten 11 und Elektrodenschichten 12, 13 aufgebauten Stapel 17 bildet. Die Elektrodenschichten 12 und 13 haben dabei jeweils unterschiedliche Polarität, wobei jeweils Elektrodenschichten gleicher Polarität mit einer Weiterkontaktierung 15 verbunden sind. Erkennbar sind weiterhin die inaktiven Isolationszonen 14, die abwechselnd in gegenüberliegenden Ecken der aufeinanderfolgenden, sich in diesem Fall nicht über den gesamten Stapelquerschnitt erstreckenden Elektrodenschichten 12, 13 angeordnet sind. Dieser Aufbau ermöglicht den gemeinsamen Anschluß aller Elektrodenschichten 12, beziehungsweise aller Elektrodenschichten 13, mit jeweils gleicher Polarität durch eine gemeinsame, vertikale Weiterkontaktierung 15, beispielsweise ein entsprechendes Metallisierungsband, das gegebenenfalls durch weitere, seitlich überstehende Kontaktfahnen 16 weiterkontaktierbar ist. Der in Fig. 1 dargestellte, aus dem Stand der Technik bekannte Piezoaktor weist jedoch die im Rahmen der Beschreibungseinleitung genannten Nachteile auf.In Fig. 1, a known from the prior art piezoelectric actuator 10 is first shown in multilayer construction forming a piezoelectric ceramic made of numerous layers 11 and electrode layers 12, 13 constructed stack 17. The electrode layers 12 and 13 each have a different polarity, electrode layers of the same polarity being connected to a further contact 15 . The inactive insulation zones 14 can also be seen , which are arranged alternately in opposite corners of the successive electrode layers 12 , 13 , which in this case do not extend over the entire stack cross section. This structure enables the common connection of all electrode layers 12 or all electrode layers 13 , each with the same polarity, through a common, vertical further contact 15 , for example a corresponding metallization band, which can optionally be further contacted by further, laterally projecting contact tabs 16 . The piezo actuator shown in FIG. 1 and known from the prior art, however, has the disadvantages mentioned in the introduction to the description.
Um diese Nachteile zu vermeiden und um insbesondere eine Optimierung einer isolationsfreien Kontaktierung von Piezoaktoren zu ermöglichen, wird ein Piezoaktor 10 in Vielschichtbauweise vorgeschlagen, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Der Piezoaktor 10 gemäß Fig. 2 ist wiederum in Vielschichtbauweise ausgestaltet, wobei alternierend immer eine piezoelektrische Keramikschicht 11 und eine Elektrodenschicht 12, 13 zur Bildung eines Stapels 17 übereinander angeordnet ist. Die Elektrodenschichten 12, 13 sind jeweils in erste Elektrodenschichten 12 und zweite Elektrodenschichten 13 unterteilt, wobei jeweils erste Elektrodenschichten 12 und zweite Elektrodenschichten 13 die gleiche Polarität aufweisen. Wenigstens eine erste Elektrodenschicht 12 und wenigstens eine im Stapel 17 darauffolgende, zur ersten Elektrodenschicht 12 benachbarte zweite Elektrodenschicht 13, ist zur elektrischen Kontaktierung in alternierender Polarität jeweils mit zumindest einer seitlich am Stapel 17 aufgebrachten Metallisierung 20, 21 verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Elektrodenschichten 12 mit Metallisierungen 20 und die Elektrodenschichten 13 mit Metallisierungen 21 verbunden.In order to avoid these disadvantages and in particular to enable insulation-free contacting of piezo actuators to be optimized, a multi-layer piezo actuator 10 is proposed, as shown in FIG. 2. The piezo actuator 10 according to FIG. 2 is in turn designed in a multilayer construction, with a piezoelectric ceramic layer 11 and an electrode layer 12 , 13 being alternately arranged one above the other to form a stack 17 . The electrode layers 12 , 13 are each subdivided into first electrode layers 12 and second electrode layers 13 , wherein first electrode layers 12 and second electrode layers 13 each have the same polarity. At least one first electrode layer 12 and at least one second electrode layer 13 following in the stack 17 and adjacent to the first electrode layer 12 is connected for electrical contacting in alternating polarity in each case to at least one metallization 20 , 21 applied laterally to the stack 17 . In the present exemplary embodiment, the electrode layers 12 are connected to metallizations 20 and the electrode layers 13 are connected to metallizations 21 .
Jede der Metallisierungen 20, 21 ist wiederum elektrisch leitend über wenigstens ein Verbindungsmittel, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Lötverbindung ausgebildet ist, mit einer Weiterkontaktierung 22, 24 verbunden. Dabei sind die Metallisierungen 20 mit den Weiterkontaktierungen 22 und die Metallisierungen 21 mit den Weiterkontaktierungen 24 verbunden. Jede Weiterkontaktierung 22, 24 verfügt jeweils über einen freien Endabschnitt 23, 25, der über den Stapel 17 hinausragt. Die einzelnen Weiterkontaktierungen 22, 24 sind über ihre freien Endabschnitte 23, 25 jeweils mit einem gemeinsamen Anschlußelement 26, 27, im vorliegenden Beispiel einem zu den Weiterkontaktierungen 22, 24 vertikalen Anschlußstift, verbunden.Each of the metallizations 20 , 21 is in turn electrically conductively connected to a further contact 22 , 24 via at least one connecting means, which is designed as a soldered connection in the present exemplary embodiment. The metallizations 20 are connected to the further contacts 22 and the metallizations 21 to the further contacts 24 . Each further contact 22 , 24 each has a free end section 23 , 25 which projects beyond the stack 17 . The individual further contacts 22 , 24 are each connected via their free end sections 23 , 25 to a common connection element 26 , 27 , in the present example a connection pin vertical to the further contacts 22 , 24 .
Die einzelnen Elektrodenschichten 12, 13 erstrecken sich im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel isolationszonenfrei über den gesamten Stapelquerschnitt bis zu jeder seitlichen Oberfläche des Stapels 17, wobei dort für jede Elektrodenschicht 12, 13 separat eine Metallisierung 20, 21 aufgebracht ist.In contrast to the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the individual electrode layers 12 , 13 extend without isolation zones over the entire stack cross section to each lateral surface of the stack 17 , a metallization 20 , 21 being applied there separately for each electrode layer 12 , 13 .
Um nun eine optimale Kontaktierung der Elektrodenschichten 12, 13 mit den Weiterkontaktierungen 22, 24 zu erreichen, ist zunächst vorgesehen, daß jede Metallisierung 20, 21 im Vergleich zu der ihr zugeordneten Elektrodenschicht 12, 13 kurz ausgebildet ist, so daß nur ein Teilbereich der Elektrodenschicht 12, 13 mit der Metallisierung 20, 21 verbunden ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß in der Praxis auftretende Parallelitätsabweichungen der einzelnen Strukturen zueinander nicht zum elektrischen Versagen des Piezoaktors 10 führen können.In order to achieve optimal contacting of the electrode layers 12 , 13 with the further contacts 22 , 24 , it is initially provided that each metallization 20 , 21 is short in comparison to the electrode layer 12 , 13 assigned to it, so that only a partial area of the electrode layer 12 , 13 is connected to the metallization 20 , 21 . In this way it is prevented that parallelism deviations of the individual structures occurring in practice cannot lead to electrical failure of the piezo actuator 10 .
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Stapel 17 des Piezoaktors 10 einen viereckigen Querschnitt auf. Dabei sind alle Metallisierungen 20, 21 in einem Bereich des Stapels 17 vorgesehen, in dem der freie Endabschnitt 23, 25 der Weiterkontaktierung 23, 24 über den Stapel 17 hinausragt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Metallisierungen 20, 21 somit soweit wie möglich in die Nähe der Seitenkanten 28, 29 des Piezoaktorstapels 17 verlegt, wodurch die Gefahr von Kurzschlußbrücken zwischen den freien Endabschnitten 23, 25 der Weiterkontaktierungen 22, 24 und der Oberfläche des Piezoaktors 10 gering gehalten werden kann.In the present exemplary embodiment, the stack 17 of the piezo actuator 10 has a square cross section. All metallizations 20 , 21 are provided in a region of the stack 17 in which the free end section 23 , 25 of the further contact 23 , 24 projects beyond the stack 17 . In the present exemplary embodiment, the individual metallizations 20 , 21 are thus moved as close as possible to the side edges 28 , 29 of the piezo actuator stack 17 , which increases the risk of short-circuit bridges between the free end sections 23 , 25 of the further contacts 22 , 24 and the surface of the piezo actuator 10 can be kept low.
Darüber hinaus ist jede Metallisierung 20, 21 in bezug auf die ihr zugeordnete Elektrodenschicht 12, 13 zumindest im wesentlichen parallel zu dieser ausgerichtet. Dadurch können Kurzschlüsse zu den benachbarten, entgegengesetzt geladenen Elektrodenschichten vermieden werden.In addition, each metallization 20 , 21 is oriented at least substantially parallel to the electrode layer 12 , 13 assigned to it. Short circuits to the neighboring, oppositely charged electrode layers can thereby be avoided.
Bei den in Fig. 2 dargestellten Piezoaktor 10 ist weiterhin vorgesehen, daß alle Metallisierungen 20, 21 der ersten Elektrodenschichten 12 sowie der zweiten Elektrodenschichten 13 mit unterschiedlicher Polarität auf ein und derselben Seite 30 des Stapels 17 aufgebracht sind. Dadurch läßt sich die Herstellung des Piezoaktors wesentlich vereinfachen, was unter anderem zu deutlichen Kostenvorteilen führt.In the piezo actuator 10 shown in FIG. 2, it is further provided that all metallizations 20 , 21 of the first electrode layers 12 and the second electrode layers 13 with different polarities are applied to one and the same side 30 of the stack 17 . As a result, the manufacture of the piezo actuator can be considerably simplified, which among other things leads to significant cost advantages.
Die Verbindung der einzelnen Metallisierungen 20, 21 mit den Weiterkontaktierungen 22, 24 kann über eine geeignete Lötverbindung, Schweißverbindung oder dergleichen erfolgen. Die Zuverlässigkeit einer solchen Verbindung zwischen Weiterkontaktierung 22, 24 und Metallisierung 20, 21 bleibt auch bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Piezoaktors 10 unbeeinflußt, da die bei Auslenkung des Piezoaktors auftretende Biegung der Weiterkontaktierung 22, 24 zu Zug- und Scherspannungen vor allem im Einmündungsbereich der Weiterkontaktierung 22, 24 in die Verbindung Weiterkontaktierung-Metallisierung, beispielsweise eine entsprechende Lötstelle, führt. Die gleichzeitig bei Auslenkung des Piezoaktors 10 auftretende direkte Zugdehnung der Weiterkontaktierung 22, 24 dagegen ist sehr gering, so daß die in die Verbindungsmittel zwischen Metallisierung und Weiterkontaktierung eingebrachten Zug- und Scherspannungen auch von kleinflächigen Kontaktierungspunkten sicher verkraftet werden können. The individual metallizations 20 , 21 can be connected to the further contacts 22 , 24 via a suitable soldered connection, welded connection or the like. The reliability of such a connection between further contact 22 , 24 and metallization 20 , 21 also remains unaffected in the configuration of the piezo actuator 10 according to the invention, since the bending of the further contact 22 , 24 to tensile and shear stresses occurring when the piezo actuator is deflected, especially in the area of the mouth of the further contact 22 , 24 leads into the connection contact-metallization, for example a corresponding solder joint. The direct tensile elongation of the further contact 22 , 24 , which occurs simultaneously when the piezo actuator 10 is deflected, is very low, so that the tensile and shear stresses introduced into the connecting means between the metallization and the further contact can also be safely withstood by small-area contact points.
Der in Fig. 2 dargestellte Piezoaktor 10 kann besonders vorteilhaft mittels eines erfindungsgemäßen und im Rahmen der allgemeinen Beschreibung detailliert erläuterten Herstellungsverfahrens hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Designmöglichkeiten des Piezoaktors 10 sowie die erfindungsgemäßen Prozeßmöglichkeiten bei dessen Herstellung führen zu einer wesentlichen Verbesserung der Bauteileigenschaften bei gleichzeitig relevanten Kostenvorteilen.The piezo actuator 10 shown in FIG. 2 can be produced particularly advantageously by means of a manufacturing method according to the invention and explained in detail within the scope of the general description. The design options of the piezo actuator 10 according to the invention and the process options according to the invention in its manufacture lead to a substantial improvement in the component properties with at the same time relevant cost advantages.
Claims (22)
- a) Herstellen eines Keramikschicht-Elektrodenschicht- Stapels;
- b) Erfassen der Lage jeder einzelnen Elektrodenschicht mittels eines Lage-Erfassungsverfahrens;
- c) Aufbringen von wenigstens einer Metallisierung auf eine ihr zugeordnete Elektrodenschicht auf Grund der erfaßten Lagewerte; und
- d) Aufbringen von wenigstens einer Weiterkontaktierung auf die wenigstens eine Metallisierung.
- a) producing a ceramic layer electrode layer stack;
- b) detecting the position of each individual electrode layer using a position detection method;
- c) applying at least one metallization to an electrode layer assigned to it on the basis of the detected position values; and
- d) applying at least one further contact to the at least one metallization.
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