DE102004050803A1

DE102004050803A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE102004050803A1
Application number: DE102004050803A
Authority: DE
Inventors: Bertram Sugg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2006-04-20
Also published as: WO2006042791A1

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, der einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) aus piezoelektrischen oder elektrostriktiven Keramikschichten und dazwischen angeordneten Innenelektroden (3, 4) und einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (3, 4) aufweist. Im Bereich des Schichtaufbaus sind in vorgegebenen Abständen Keramikschichten als Entlastungsschichten (5) angeordnet, die durch einen von den anderen Keramikschichten (2) abweichenden Aufbau und/oder Stoffzusammensetzung eine erhöhte Neigung zu Rissbildungen aufweisen.

Description

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

Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut werden kann, dass sich die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Keramiken beim Anlegen elektrischer Felder ausdehnen bzw. zusammenziehen. Aufgrund des extrem schnellen und genau regelbaren Effektes können solche Anordnungen zum Bau von Stellern verwendet werden, die als Piezoaktoren bezeichnet werden.

Da die elektrischen Feldstärken bei solchen Piezoaktoren im Bereich von mehreren Kilovolt pro Millimeter liegen aber in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, werden sogenannte Vielschichtaktoren oder Multilayeraktoren hergestellt, deren Schichtdicke im Bereich von etwa 100 μm liegt. Ein typisches Verfahren zum Herstellen solcher Schichten besteht in der Foliengießtechnik. Die einzelnen Schichten werden metallisiert und übereinandergstapelt, so dass zwischen zwei Schichten mit den durch die Metallisierung gebildeten Innenelektroden unterschiedlicher Polarität schließlich der Piezoeffekt wirkt. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an die Innenelektroden erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.

Beim Betrieb des Piezoaktors ist darauf zu achten, dass durch mechanische Spannungen im Lagenaufbau keine störenden Rissbildungen entstehen, die den elektrischen Kontakt beeinträchtigen können. Oft besteht jedoch die Gefahr, dass im Herstellungsprozess oder im Betrieb solche Risse in den Keramikschichten entstehen. Letzteres ist mitunter durch das Design des Piezoaktors bedingt, da im Übergangsbereich zwischen aktiven und passiven Bereichen, z.B. an den Enden, Zugspannungen entstehen. Dieses Phänomen hat eine verminderte Lebensdauer zur Folge und kann zum Totalausfall des Piezoaktors führen.

Beispielsweise ist aus der DE 199 28 177 A1 ist ein solcher Piezoaktor bekannt, bei dem im Schichtaufbau des Piezoaktors neutrale Phasen ohne Innenelektrodenschicht vorhanden sind, die eine spezielle Formgebung zur Verhinderung dieses Fehlers aufweisen. Rissbildungen im Bereich der elektrischen Kontaktierung werden hierbei dadurch verhindert, dass mit der speziellen Formgebung der neutralen Phase eine erhöhte mechanische Spannung bei der Einspannung des Piezoaktors senkrecht zum Schichtaufbau im Bereich dieser neutralen Phasen aufbringbar ist.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, ist in vorteilhafter Weise mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen aus piezoelektrischen oder elektrostriktiven Keramikschichten und dazwischen angeordneten Elektroden sowie einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Elektroden aufgebaut. Im Bereich des Schichtaufbaus sind erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise in vorgegebenen Abständen Keramikschichten als Entlastungsschichten angeordnet, die durch einen von den anderen Keramikschichten abweichenden Aufbau und/oder Stoffzusammensetzung eine erhöhte Neigung zu Rissbildungen aufweisen.

Beispielsweise können die Entlastungsschichten eine im Vergleich zu den anderen Keramikschichten größere Porösität aufweisen, die dann leichter zu kontrollierten Rissbildungen führen können. Mit der Erfindung ist es somit möglich, die Rissbildung bei piezoelektrischen Stapelaktoren in definierten Bereichen stattfinden zu lassen. Verlaufen diese Risse kontrolliert innerhalb von räumlich begrenzten Zonen, so wird verhindert, dass Risse quer durch den Piezoaktor verlaufen und diesen komplett zerstören können.

Es ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung auch weiterhin möglich, dass Außenelektroden zur Kontaktierung der Innenelektroden so gezielt aufgebracht werden können, dass eine Rissüberbrückung im Außenbereich des Piezoaktors die Kontaktierung über die gesamte Aktorlänge sicherstellt.

Die Herstellbarkeit und die Zuverlässigkeit von Piezoaktoren wird somit deutlich verbessert. Zum Beispiel können herstellungsbedingte Entlastungsrisse, beispielsweise durch das Schwindungsverhalten des Aktors, im Lagenaufbau des Piezoaktors durchaus zugelassen werden um die Ausbringung in der Produktion erhöhen.

Die Entlastungsschichten können auf einfache Weise im Verlauf des Schichtaufbaus des Piezoaktors in äquidistanten Abständen eingefügt werden, wobei die Entlastungsschichten im Verlauf des Schichtaufbaus des Piezoaktors gleichverteilt angeordnet werden können.

Alternativ können die Entlastungsschichten auch im Verlauf des Schichtaufbaus des Piezoaktors zum Kopf- und/oder zum Fußende hin einen größeren Abstand als der Zwischenbereich zwischen den Entlastungsschichten in der Mitte aufweisen. Dies ist deshalb vorteilhaft, da Risse im Betrieb zuerst in der Mitte auftreten.

Weiterhin ist es auch möglich, dass die Entlastungsschichten im Verlauf des Schichtaufbaus des Piezoaktors von der Mitte bis zum Kopf- und/oder Fußende einen steigenden Abstand aufweisen.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Schichten aus Piezokeramik und Innenelektroden sowie in äquidistanten Abständen angeordneten Entlastungsschichten,
2 einen Schnitt durch ein gegenüber der 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit jeweils größeren Abständen zum Kopf- und Fußbereich des Piezoaktors und
3 einen Schnitt durch ein weiteres gegenüber der 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit zum Kopf- und Fußbereich des Piezoaktors jeweils kontinuierlich größer werdenden Abständen zwischen den Entlastungsschichten.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezofolien 2 eines Piezomaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer elektrischen Spannung über an Außenflächen des Piezoaktors 1 angebrachte Außenelektroden an Innenelektroden 3 und 4, eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Richtung des Schichtaufbaus erfolgt. Hier sind nur exemplarisch im oberen Teil des Piezoaktors 1 die Piezofolien 2 und die Innenelektroden 3 und 4 bezeichnet, die sich aber über den gesamten Schichtaufbau, hier also senkrecht, erstrecken.
Im Bereich des Schichtaufbaus sind gemäß des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung in vorgegebenen Abständen Keramikschichten als Entlastungsschichten 5 angeordnet, die mit einem von den anderen Keramikschichten bzw. Piezofolien 2 abweichenden Aufbau und/oder eine andere Stoffzusammensetzung, z.B. mit einer größeren Porösität, eine erhöhte Neigung zu Rissbildungen aufweisen.
Diese Entlastungsschichten 5 müssen nicht notwendiger weise piezoelektrisch aktiv sein, da die Gesamtzahl n_ent dieser Entlastungsschichten 5 klein im Vergleich zur Gesamtzahl n_ges der Schichten ist. Die Folge der Entlastungsschichten 5 kann zum Beispiel regelmäßig sein, wobei insbesondere eine äquidistante Einteilung vorteilhaft ist. Bei n_ent Entlastungsschichten von insgesamt n_ges Schichten, folgen jeweils
N = (n_ges – n_ent)/(n_ent – l) inaktive Schichten.
Alternativ können die Entlastungsschichten 5 auch im Verlauf des Schichtaufbaus des Piezoaktors 1 zum Kopf- und/oder zum Fußende hin einen größeren Abstand als der Zwischenbereich zwischen den Entlastungsschichten in der Mitte aufweisen.
Da in der Praxis Rissbildung im Betrieb des Piezoaktors 1 zuerst in der Mitte auftreten und dann jeweils in 1/2, 1/4, etc. der Aktorlänge, ist bei dem Ausführungsbeispiel nach der 2 dieser Effekt vorweggenommen. Durch die Intervallhalbierung nach der 2 zwischen den Entlastungsschichten 5 folgen jeweils
N = (n_ges – n_ent)/(n_ent + 1) inaktive Entlastungsschichten 5.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die Entlastungsschichten 5 im Verlauf des Lagenaufbaus des Piezoaktors 1 von der Mitte bis zum Kopf- und/oder Fußende einen veränderlichen Abstand gemäß 3 aufweisen. Gemäß der 3 sind steigende Schichtfolgen der Entlastungsschichten 5 von der Mitte zum Kopf- und zum Fußende des Piezoaktors 1 hin realisiert. Im Einzelfall kann hierbei auch eine umgekehrte Reihenfolge oder eine einseitige Folge nur zum Kopf- oder Fußende hin vorteilhaft sein.
Die Erfindung ist überdies unabhängig von der Geometrie der Innenelektroden 3 und 4, z.B. interdigital, platethrough-type, Übereckdesign etc., oder vom Material der Innenelektroden 3 und 4, z.B. AgPd, Cu etc..

Claims

Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) aus piezoelektrischen oder elektrostriktiven Keramikschichten und dazwischen angeordneten Innenelektroden (3, 4) und einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass, – im Bereich des Schichtaufbaus in vorgegebenen Abständen Keramikschichten als Entlastungsschichten (5) angeordnet sind, die durch einen von den anderen Keramikschichten (2) abweichenden Aufbau und/oder eine andere Stoffzusammensetzung eine erhöhte Neigung zu Rissbildungen aufweisen.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Entlastungsschichten (5) eine im Vergleich zu den anderen Keramikschichten (2) größere Porösität aufweisen.
Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Entlastungsschichten (5) aus einem artfremden oder nicht piezoaktiven Material hergestellt sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Entlastungsschichten (5) im Verlauf des Schichtaufbaus des Piezoaktors (1) in äquidistanten Abständen eingefügt sind.
Piezoaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Entlastungsschichten (5) im Verlauf des Schichtaufbaus des Piezoaktors (1) gleichverteilt angeordnet sind.
Piezoaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Entlastungsschichten (5) im Verlauf des Schichtaufbaus des Piezoaktors (1) zum Kopf- und/oder zum Fußende hin einen größeren Abstand als den Abstand zwischen den Entlastungsschichten (5) in der Mitte aufweisen.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Entlastungsschichten (5) im Verlauf des Schichtaufbaus des Piezoaktors (1) von der Mitte bis zum Kopf- und/oder Fußende einen steigenden Abstand aufweisen.