DE102005015405B3 - Anordnung zur elektrischen Kontaktierung von piezoelektrischen Vielschicht-Stapelaktoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Kontaktierung von piezoelektrischen Vielschicht-Stapelaktoren, unfassend innere Elektrodenschichten, welche alternierend in elektrischer Verbindung mit mindestens zwei seitlich am Stapel befindlichen Terminationsstreifen stehen, sowie jeweils mindestens einem, auf dem Terminationsstreifen angeordneten leiterartig strukturierten Formteil mit Lötstützpunkt für eine Anschlußlitze oder dergleichen Anschlußmittel. Erfindungsgemäß verjüngen sich die Holme des leiterartig strukturierten Formteils, ausgehend von einem Stromeinspeisungspunkt, in Längsrichtung des Aktorstapels, wobei das Formteil bevorzugt entlang seiner überwiegenden oder gesamten Längsachsenlinie stoffschlüssig mit dem darunter befindlichen Terminationsstreifen verbunden ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Kontaktierung von piezoelektrischen Vielschicht-Stapelaktoren, umfassend innere Elektrodenschichten, welche alternierend in elektrischer Verbindung mit mindestens zwei seitlich am Stapel befindlichen Kontaktierungsstreifen stehen, sowie jeweils mindestens einem, auf dem Kontaktierungsstreifen angeordneten leiterartig strukturierten Formteil mit Lötstützpunkt für eine Anschlußlitze oder dergleichen Anschlußmittel gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Aus der DE 196 48 545 A1 ist eine Außenelektrode für einen monolithischen Vielschichtaktor vorbekannt.
• Zur Vermeidung von Ausfällen des Aktors bei dynamischen Belastungen wird dort vorgeschlagen, daß zwischen der Grundmetallisierung und den Anschlußelementen eine dreidimensional strukturierte, elektrisch leitende Elektrode angeordnet ist, die über partielle Kontaktstellen mit der Grundmetallisierung verbunden wird und welche zwischen den Kontaktstellen dehnbar ausgebildet ist.
• Durch diese Anordnung wird der Betriebsstrom des Aktors in Nebenströme aufgeteilt. Die Nebenströme fließen von den Kontaktstellen über die Grundmetallisierung zu den metallischen Innenelektroden. In bevorzugter Ausführungsform soll die dortige Elektrode zwischen den Kontaktstellen von der Grundmetallisierung abheben, wofür zweckmäßigerweise eine strukturierte Metallfolie Verwendung findet. Wiederum bevorzugt soll die Elektrode einen wellenförmigen Querschnitt aufweisen.
• Es ist offensichtlich, daß die spezielle dreidimensional strukturierte, elektrisch leitende, folienartige Elektrode sowohl bei der Herstellung als Folienelement als auch bei der Verbindung mit der Grundmetallisierung erhebliche technologische und damit kostenseitige Aufwendungen nach sich zieht.
• Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung einer Außenkontaktierung für Piezoaktoren gemäß DE 196 46 676 C1 besteht die Aufgabe, die negativen Folgen auftretender Spannungsrisse in der Kontaktierung zu vermeiden. Bei einem an sich herkömmlichen Aktor sind dann außen am Stapel zumindest zwei Metallisierungsstreifen zur alternierenden Kontaktierung der Elektrodenschichten aufgebracht. Weiterhin sind die Metallisierungsstreifen mit Kontaktfahnen verbunden, die eine elektrisch leitende Schicht aufweisen. Die Verbindung selbst ist elektrisch leitend und erfolgt über die gesamte Höhe der zu kontaktierenden Elektrodenschichten derart, daß seitlich der Metallisierungsstreifen ein überstehender Bereich der Kontaktfahnen verbleibt.
• Die Kontaktfahnen sollen bevorzugt dünn, aber reißfest ausgebildet und vorzugsweise flexibel sein. Die überstehenden Kontaktfahnen stellen eine elektrisch leitende und mit den Metallisierungsstreifen verbundene, vergrößerte Fläche zur Verfügung, ohne daß dadurch gleichzeitig der inaktive Bereich des Piezoaktors vergrößert werden muß. In dem Fall, wenn während der Polarisierung oder des Betriebs des Aktors Spannungsrisse im Metallisierungsstreifen auftreten, werden diese Risse durch die elektrisch leitende Schicht im überstehenden Bereich der Kontaktfahne überbrückt. Die Breite der Kontaktfahnen und damit die Breite des überstehenden Bereichs ist so bemessen, daß Risse in dem Metallisierungsstreifen mit großen Rißöffnungen zwar zu einem lokalen Riß auch in der Kontaktfahne führen, dieser jedoch noch innerhalb der Kontaktfahne zum Stehen kommt. Die Kontaktfahne soll aus einem Verbundmaterial bestehen, welches neben der elektrisch leitenden Schicht noch zumindest eine Kunststoffschicht umfaßt. Diese Kunststoffschicht dient der Erhöhung der Reißfestigkeit der Kontaktfahne.
• Eine derartige Kunststoffschicht ist jedoch für Anwendungen des Aktors im Ultrahochvakuum aufgrund der Ausgasungsproblematik von Nachteil. Weiterhin führt die seitliche Anordnung der Kontaktfahnen zu einer Vergrößerung des Bauraums, was einen weiteren Nachteil darstellt.
• Bei den keramisch isolierten Hochleistungs-Piezoaktoren, angeboten und vertrieben von der Firma Physik Instrumente (PI) GmbH &. Co. KG, Karlsruhe, handelt es sich um Aktoren, die eine spezielle PZT-Keramik und Fertigungstechnik einsetzen bzw. nutzen, so daß eine hohe Positionsauflösung im Subnanometerbereich bei kurzen Reaktionszeiten realisierbar ist. Zur Außenkontaktierung werden bei diesen Hochleistungs-Piezoaktoren, beispielsweise vom Typ P882, leiterartig strukturierte Metallfolien auf den Terminationsstreifen mittels punktuellem Löten fixiert. An einem Lötstützpunkt ist dann jeweils eine Anschlußlitze anbringbar. Durch Wegfall von ansonsten notwendigen Polymerisolationen und die hohe Curie-Temperatur ist der vorbeschriebene Aktor insbesondere für den Einsatz im UHV geeignet.
• Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Stromtragfähigkeit bei derartigen Hochleistungs-Piezoaktoren mit leiterartig strukturiertem Anschlußformteil zu gering ist und daß unerwünschte mechanische bzw. thermomechanische Spannungen im Betrieb resultieren. Die notwendige Montage mit einer Vielzahl von Einzellötstellen ist aufwendig und es mangelt dem Stand der Technik an einer an sich wünschenswerten thermischen Trennung von nachträglich anzubringenden Litzenverbindungen. Wie weiterhin erwähnt, sind Lösungen mit Kontaktfahnen, welche einen Polymeranteil aufweisen, für den Einsatz in extremen Bedingungen, wie z.B. im Ultrahochvakuum oder bei Tieftemperatur, nicht oder nur eingeschränkt geeignet.
• Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung zur elektrischen Kontaktierung von piezoelektrischen Vielschicht-Stapelaktoren, umfassend innere Elektrodenschichten, welche alternierend in elektrischer Verbindung mit mindestens zwei seitlich am Stapel befindlichen Kontaktierungsstreifen stehen, anzugeben, wobei die Anordnung über eine hohe Stromtragfähigkeit verfügen soll und welche in der Lage ist, von vornherein unerwünschte mechanische und/oder thermomechanische Spannungen zu minimieren. Weiterhin soll die Möglichkeit bestehen, daß bei der Polarisation oder im Betrieb auftretende Risse überbrückt werden, so daß die elektrische Kontaktierung und damit die Stromzuführung nicht in nachteiliger Weise unterbrochen wird.
• Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Anordnung zur elektrischen Kontaktierung von piezoelektrischen Vielschicht-Stapelaktoren gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
• Erfindungsgemäß wird von einem an sich bekannten leiterartig strukturierten, bevorzugt metallischen Formteil ausgegangen, welches mindestens einen Lötstützpunkt für eine Anschlußlitze oder dergleichen Anschlußmittel aufweist.
• Die Holme des leiterartig strukturierten Formteils verjüngen sich ausgehend von einem Stromeinspeisungspunkt in Längsrichtung des Aktorstapels, wobei das Formteil bevorzugt entlang seiner überwiegenden oder gesamten amten Längsachsenlinie stoffschlüssig mit dem darunter befindlichen Kontaktierungsstreifen (im Folgenden: Terminationsstreifen) verbunden ist.
• Die stoffschlüssige Verbindung verläuft bevorzugt entlang der Längsachsenmittellinie des Formteils, und zwar als schmaler, lateraler Streifen.
• Das Formteil weist zur Kontaktierung flügelartige Anschlußfahnen im Bereich der größten Holmbreite auf.
• Diese Anschlußfahnen sind nach dem stoffschlüssigen Verbinden des oder der Formteile mit dem oder den Terminationsstreifen durch Abkanten in Richtung Stapelmitte in eine Position zum Befestigen des Anschlußmittels überführbar. Diese Befestigung des Anschlußmittels kann durch Löten oder aber auch mechanisch, z.B. durch Krimpen vorgenommen werden.
• Die Anschlußfahnen können sowohl axial asymmetrisch als auch symmetrisch vorgesehen sein.
• In einer Ausführungsform der Erfindung nimmt die elektrische Querschnittsfläche des Formteils ausgehend vom Stromeinspeisungspunkt kontinuierlich oder diskontinuierlich ab.
• Bevorzugt ist der jeweilige Stromeinspeisungspunkt im unteren Drittel des Aktors befindlich.
• Mit der vorgestellten Lösung des weitergebildeten leiterartig strukturierten Formteils mit einer Vielzahl von Sprossen und definiert ausgeführten Holmen können Spitzenströme bis zu einigen 10 A aus der Zuleitungslitze übertragen werden.
• Das strukturierte Formteil besteht bevorzugt aus einer dünnen Metallfolie, z.B. Kupfer-Beryllium, oberflächenveredeltem Edelstahl, oberflächenveredeltem Invar oder Tantal. Die Stärke des Formteils liegt im Bereich zwischen 50μm und 500μm mit einer bevorzugten Größe von im Wesentlichen 100μm.
• Die Struktur des Formteils läßt sich durch Ätzen, Feinstanzen oder durch Laserbearbeitung erzielen.
• Die Sprossenhöhe der leiterartigen Struktur ist gering und liegt im Bereich zwischen 80μm und 200μm.
• Diese geringe Höhe ist aufgrund der Vielzahl der vorgesehenen Sprossen für die notwendige Stromzufuhr ausreichend.
• Wie bereits dargelegt, verlaufen von einem breiten Mittelpunkt, der der Stromeinspeisungspunkt ist, die Holme nach außen schmaler. Die Stromamplituden nehmen nach außen hin ab, d.h. die für eine bestimmte zulässige Stromdichte notwendige Materialquerschnittsfläche kann demnach ebenfalls abnehmen. Dies wird realisiert durch die damit einhergehende Verbreiterung der Sprossen bei konstanter Baubreite. Die Sprossen werden hierdurch axial nachgiebiger, und zwar in dem Maße, wie die Auslenkungsamplituden relativ zum Ruhepunkt ansteigen. Hieraus ergibt sich im Übrigen eine optimale Flächenausnutzung. Bei abnehmender Baubreite wird andererseits der Betrag der bewegten Metallmasse geringer, woraus sich die aufgabengemäß verbesserten dynamischen Eigenschaften ergeben.
• Erfindungswesentlich ist, daß alle bzw. fast alle Sprossen unter der notwendigen Redundanz bevorzugt in der Mitte der Struktur mit jeweils einer Terminationsschicht verbunden werden. Dieses Verbinden kann durch den erwähnten schmalen Lotstreifen in einem Lötprozeß oder aber durch einen Ultraschall-Schweißvorgang oder eine ähnliche stoffschlüssige Verbindung vorgenommen werden.
• Auch wenn sich zwischen den Sprossen Risse bilden, bleibt die Funktion des Aktors erhalten.
• Aufgrund der lateral schmalen Ausprägung der stoffschlüssigen Verbindung entstehen beim Ausführen dieses Verbindungsschritts nur geringe mechanische Belastungen in der Keramik.
• Die an beiden Seiten im Bereich der Holme vorgesehenen Anschlußfahnen verteilen den Strom in die Holme.
• Durch die Fahnen ist weiterhin eine thermische Trennung zum Stapel bei einem gegebenenfalls notwendigen nachträglichen Anlöten von Anschlußlitzen gegeben. Mit anderen Worten tritt kein unerwünschtes Aufschmelzen der vorgeformten Stapellötstellen auf.
• Unter Beachtung der metallischen Eigenschaften des Formteils ist dieses auch insgesamt nicht magnetisch herstellbar.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
• Hierbei zeigen:
• 1 eine Darstellung des leiterartig strukturierten Formteils und
• 2 verschiedene Darstellungen des bereits stoffschlüssig am Aktor fixierten Formteils vor und nach dem Abkanten der Anschlußfahnen mit dann erfolgter Verlötung der Anschlußlitze.
• Wie aus den Figuren ersichtlich, sind die Holme 1 des leiterartig strukturierten Formteils 2 ausgehend von einem Stromeinspeisungspunkt 3 so ausgeführt, daß diese sich in Längsrichtung des Aktorstapels verjüngen.
• Das Formteil 2 ist bevorzugt entlang seiner Längsachsenlinie (siehe 2) stoffschlüssig mit dem darunter befindlichen Terminationsstreifen 4 verbunden.
• Die stoffschlüssige Verbindung verläuft, wie in der 2 gezeigt, entlang der Längsachsenmittellinie 5 des Formteils 2.
• Auch ist diese stoffschlüssige Verbindung als schmaler, lateraler Streifen ausgeführt.
• Das Formteil 2 besitzt weiterhin flügelartige Anschlußfahnen 6 im Bereich der größten Holmbreite.
• Die Anschlußfahnen 6 können nach dem stoffschlüssigen Verbinden des oder der Formteile 2 mit dem oder den Terminationsstreifen 4 durch Abkanten in Richtung Stapelmitte in eine Position zum Befestigen des Anschlußmittels 7 (Anschlußlitze) überführt werden.
• Die Anschlußfahnen 6 sind axial asymmetrisch oder aber auch symmetrisch ausbildbar.
• Aus den Figuren ist weiterhin ersichtlich, daß der jeweilige Stromeinspeisungspunkt 3 mit den Anschlußfahnen 6 sich im unteren Drittel des Aktors befindet, wobei hier weitere Ausführungsvarianten denkbar sind.
• Der Aktor mit seiner Anschlußkontaktierung gemäß Ausführungsbeispiel verfügt über eine hohe Stromtragfähigkeit und weist nur geringe unerwünschte mechanische bzw. thermomechanische Spannungen auf.
• Die Toleranz gegenüber Rissen an undefinierten Positionen, besonders in Kombination mit rißartigen Vorschädigungen im Stapeldesign ist hoch. Weiterhin ist durch die Ausführung der stoffschlüssigen Verbindung entlang einer Gesamtlinie der Montageaufwand gering.
• Mit Hilfe der Anschlußfahnen gelingt eine thermische Trennung bei nachträglich durch Löten anzubringenden Litzen bzw. ähnlichen Anschlußmitteln.
• Die Litzenverbindung kann sowohl axial als auch quer abgehend ausgebildet werden. Weiterhin ist ein intrinsischer Ausgleich axialer Fertigungs-Höhentoleranzen gegeben.
• Die Baugröße bzw. die lateralen Abmessungen des Bauelements erhöhen sich bei der vorgeschlagenen Ausführungsvariante nur gering. Außerdem ist es nicht notwendig, passive Bereiche zur zuverlässigen Litzenkontaktierung vorzuhalten
• Aufgrund der zweidimensional ausgeprägten Struktur des Formteils kann dieses auch lotfrei, d.h. durch Schweißen mit dem Terminationsstreifen verbunden werden.

1

Holm

2

Formteil

3

Stromeinspeisungspunkt

4

Terminationsstreifen

5

Längsachsenmittellinie

6

Anschlußfahne

7

Anschlußmittel

Claims (10)

1. Anordnung zur elektrischen Kontaktierung von piezoelektrischen Vielschicht-Stapelaktoren, umfassend innere Elektrodenschichten, welche alternierend in elektrischer Verbindung mit mindestens zwei seitlich am Stapel befindlichen Kontaktierungsstreifen stehen, sowie jeweils mindestens einem, auf dem Kontaktierungsstreifen angeordneten leiterartig strukturierten Formteil mit Lötstützpunkt für eine Anschlußlitze oder Anschlußmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Holme (1) des leiterartig strukturierten Formteils (2) ausgehend von einem Stromeinspeisungspunkt (3) sich in Längsrichtung des Aktorstapels verjüngen, wobei das Formteil (2) entlang seiner überwiegenden oder gesamten Längsachsenlinie stoffschlüssig mit dem darunter befindlichen Kontaktierungsstreifen (4) verbunden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssige Verbindung entlang der Längsachsenmittellinie (5) des Formteils (2) verläuft.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssige Verbindung entlang eines schmalen lateralen Streifens verläuft.
4. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil flügelartige Anschlußfahnen (6) im Bereich der größten Holmbreite aufweist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußfahnen (6) nach dem stoffschlüssigen Verbinden des oder der Formteile (2) mit dem oder den Kontaktierungsstreifen (4) durch Abkanten in Richtung Stapelmitte in eine Position zum Befestigen des Anschlußmittels (7) überführbar sind.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußfahnen (6) axial asymmetrisch oder symmetrisch vorgesehen sind.
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußmittel (7) mechanisch durch Pressen, Krimpen oder dergleichen befestigt ist.
8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußmittel (7) stoffschlüssig, bevorzugt durch Löten befestigt ist.
9. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Querschnittsfläche des Formteils ausgehend vom Stromeinspeisungspunkt (3) abnimmt.
10. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Stromeinspeisungspunkt (3) im unteren Drittel des Aktors befindlich ist.