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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor, der in unterschiedlichsten
Stellgliedaktuatoren eingesetzt werden kann. Der Einsatz solcher
Piezoaktoren ist vielseitig und nicht auf spezielle technische Gebiete beschränkt.
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Gattungsgemäße Piezoaktoren
bestehen aus einer Mehrzahl übereinandergestapelter
Schichten aus piezoelektrischem Material mit dazwischen angeordneten
Elektroden, so genannten „Innenelektroden". Zwei Außenelektroden
kontaktieren die Innenelektroden wechselseitig derart, dass bei
Anlegen einer elektrischen Spannung an die Außenelektroden über die
Innenelektroden eine elektrische Spannung an jede einzelne piezoelektrische
Schicht angelegt wird. Aufgrund der besonderen Kristallstruktur
von piezoelektrischem Material stellt sich dabei ein Piezoeffekt
ein, d. h. abhängig
von der angelegten Spannung lässt
sich beispielweise im Millisekunden-Bereich eine definierte Dickenänderung
der piezoelektrischen Schichten erreichen. Auf diese Weise kann
mittels des Piezoaktors eine Stellbewegung hevorgerufen werden.
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DE 199 46 835 A1 beschreibt
einen solchen Piezoaktor, bei dem jede einzelne piezoelektrische Schicht
(Piezolage) aus einer Mehrzahl übereinandergestapelter
Piezofolien besteht. Auf die oberste Piezofolie wird jeweils eine
Innenelektrode aufgebracht, beispielsweise im Siebdruckverfahren.
Da die Innenelektroden seitlich von Außenelektroden kontaktiert werden,
ist jede zweite Innenelektrode, nämlich die jeweils nicht-kontaktierte
Innenelektrode, zur Vermeidung eines Kurzschlusses innerhalb des
Lagenaufbaus etwas zurückversetzt.
Das heißt,
die Innenelektrode ist nicht vollflächig auf der jeweils obersten
Piezofolie aufgedruckt, sondern erstreckt sich nur auf derjenigen
Seite bis zur Kante des Piezofolienstapels, die von der Außenelektrode
kontaktiert werden soll.
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Die
DE 199 28 191 A1 beanstandet
an diesem Stand der Technik, dass der Druckaufwand bei der Erzeugung
der Innenelektroden wegen der gezielten Aussparung von Druckflächen erhöht ist. Stattdessen
wird vorgeschlagen, die Piezolagen in einem einfachen Druckverfahren
vollständig
zu bedrucken und von jeder Piezolage wechselseitig einen Bereich
zu entfernen. Beim Übereinanderstapeln
der Piezolagen liegen dementsprechend die ausgesparten Bereiche
wechselseitig übereinander,
wodurch sichergestellt ist, dass die Außenelektroden, wenn sie über diese
Bereiche geführt
sind, nur jede zweite Innenelektrode kontaktieren. Die Breite der
Aussparung, in der das Piezolagenmaterial entfernt wird, soll dabei
nicht größer als
die zweifache Schichtdicke der Piezolage betragen.
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Es
ist ersichtlich, dass der Vorteil, die gesamte Piezolage in einem
einfachen Druckverfahren vollständig
mit Innenelektroden zu bedrucken, durch den Nachteil erkauft wird,
nach dem Druckvorgang einen Bereich aus einer jeden Piezolage zu
entfernen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen mehrschichtigen Piezoaktor
mit hoher Zuverlässigkeit
vorzuschlagen, der einfach und kostengünstig herzustellen ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Piezoaktor gelöst, der eine Mehrzahl piezoelektrischer
Schichten umfasst, die entlang einer Längsmittelachse des Piezoaktors übereinander
gestapelt sind, und der dazwischen angeordnete Innenelektroden besitzt,
die sich jeweils über
eine piezoelektrische Schicht vorzugsweise vollflächig erstrecken,
wobei Außenelektroden
mit den Innenelektroden so kontaktiert sind, dass bei Anlegen einer
elektrischen Spannung an die Außenelektroden über die
Innenelektroden eine mechanische Reaktion der piezoelektrischen
Schichten hervorrufbar ist. Dabei sind die piezoelektrischen Schichten
erfindungsgemäß relativ
zur Längsmittelachse
des Piezoaktors wechselweise versetzt angeordnet.
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Vorzugsweise
sind die piezoelektrischen Schichten relativ zur Längsmittelachse
des Piezoaktors abwechselnd in entgegengesetzter Richtung versetzt
angeordnet. Sie können
aber auch beispielsweise relativ zur Längsmittelachse in einem Winkel verdreht
zueinander angeordnet sein. In jedem Falle ergibt sich daraus ein
Piezostapel, bei dem diejenigen Piezolagen, die relativ zur Längsmittelachse
des Piezostapels in derselben Weise versetzt angeordnet sind, mit
ihren Schmalseiten auf derselben Seite des Piezostapels seitlich
herausragen, wobei diese Schmalseiten vorzugsweise fluchtend zueinander angeordnet
sind, damit sie in einfacher Weise mittels einer Außenelektrode
kontaktiert werden können.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäß wechselweise
versetzt angeordneten piezoelektrischen Schichten besteht darin,
dass alle piezoelektrischen Schichten zuverlässig ohne Kurzschlussgefahr über die
aus dem Stapel seitlich herausragenden Schmalseiten mittels der
Außenelektroden
kontaktiert werden können,
ohne dass es notwendig ist, zuvor irgendwelche speziellen Bereiche
der einzelnen Piezolagen zu entfernen. Insbesondere können die
Innenelektroden vorteilhafterweise vollflächig auf den piezoelektrischen
Schichten angeordnet werden, d.h. derart dass sie sich bis zu allen
Seitenkanten erstrecken. Dies ist allerdings nicht zwingend notwendig.
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Die
Innenelektroden können
als elektrisch leitende Beschichtung auf den Piezolagen ausgebildet
sein, insbesondere aufgedruckt sein, und erstrecken sich vorzugsweise
bis auf eine Oberfläche
der seitlich aus dem Piezostapel herausragenden Schmalseiten der
Piezolagen. Letztgenannte Maßnahme
erleichtert das Kontaktieren der Innenelektroden mit den Außenelektroden.
Das Kontaktieren der Innenelektroden mit den Außenelektroden kann vorteilhaft
mittels z.B. einer Bondverbindung, Lötverbindung und/oder Kontaktklebeverbindung
erfolgen. Dabei kann Kontaktierung (insbesondere Außenkontaktierung)
redundant ausgeführt
sein, d.h. es werden beispielsweise mehrere parallele Bonddrähte verwendet.
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Die
Piezolagen sind untereinander vorzugsweise hartverlötet. Vorteilhaft
wird dazu als Lötmittel glasfrittehaltige
Silberpaste eingesetzt. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Piezostapelaktors
die Piezolagen mit glasfrittehaltiger Silberpaste (z.B. AgPT) bedruckt,
anschließend
wie beschrieben gestapelt und unter Druck und Hitze zusammengefügt, d.h.
hartgelötet.
Im Anschluss erfolgt die Aussenkonatktierung und das Passivieren
des Stapels mit Isolationswerkstoff.
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Die
Piezolagen selbst werden vorzugsweise durch PZT-Platten gebildet.
PZT-Platten sind
Platten aus piezoelektrischen Keramikmaterialien auf der Basis von
Bleizirkonattitanat (PZT). PZT-basierte Keramiken werden beispielsweise
in der
DE 10 2004 031
307 A1 beschrieben.
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Der
gesamte Piezoaktor ist vorteilhafterweise außenseitig mittels eines Isolationswerkstoffs
passiviert. Dieser Isolationswerkstoff füllt auch die Räume zwischen
den seitlich aus dem Piezostapel herausragenden Piezolagen aus.
Dabei kann es vorteilhaft sein, zunächst nur diese Zwischenräume aufzufüllen, so
dass bei der Kontaktierung der Außenelektroden mit den Innenelektroden
keine Freiräume
zwischen den Piezolagen zu überbrücken sind,
sondern die Außenelektroden
vielmehr auf einer glatten äußeren Oberfläche des
Piezoaktors aufliegen, wenn sie mit den Innenelektroden kontaktiert
werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der einzigen Zeichnung erläutert, die
schematisch den mehrschichtigen Aufbau eines erfindungsgemäßen Piezoaktors
im Querschnitt, jedoch ohne den außenseitigen passivierenden
Isolationswerkstoff zeigt.
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Der
Piezoaktor 1 besteht aus einer Mehrzahl piezoelektrischer
Schichten 2a, 2b, die zwischen zwei Kopfstücken 3 abwechselnd übereinandergestapelt
sind. Jede Piezolage 2a, 2b ist auf einer Hauptseite
vollflächig
mit einer Innenelektrode 4a bzw. 4b beschichtet.
Diese Beschichtung erstreckt sich jeweils über eine Seiten kante hinaus
bis auf die Oberfläche
einer Schmalseite 5a bzw. 5b einer jeden Piezolage 2a, 2b.
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Die
Piezolagen 2a, 2b sind bezüglich der Längsmittelachse 6 des
Piezoaktors 1 wechselseitig in entgegengesetzte Richtungen
seitlich versetzt angeordnet, nämlich
derart, dass die Piezolagen 2a, 2b jeweils mit
ihren Schmalseiten 5a bzw. 5b, auf die sich die
zugehörigen
Innenelektroden 4a bzw. 4b erstrecken, seitlich
aus dem Piezostapel herausragen, so dass ein Kurzschluss zwischen
benachbarten Innenelektroden 4a, 4b ausgeschlossen
ist. Ein Kurzschluss tritt auch nicht durch die anschließende Kontaktierung
der Innenelektroden 4a, 4b mit den beiden Außenelektroden 7a bzw. 7b auf.
Die Kontaktierung kann beispielsweise durch Bonddrähte (nicht
dargestellt), die für
eine redundante Auslegung auch mehrfach und/oder parallel vorgesehen
sein können,
realisiert werden.
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Um
sicherzustellen, dass ein derartiger Kurzschluss unter keinen Umständen auftreten
kann, ist es zweckmäßig, den
Zwischenraum zwischen den aus dem Piezostapel herausragenden Schmalseiten 5a, 5b der
Piezolagen 2a, 2b mit elektrisch isolierendem
Material 8 zu füllen,
bevor die Außenelektroden 7a, 7b aufgebracht
werden. Für
das Aufbringen der Außenelektroden 7a, 7b ist
es weiterhin von Vorteil, dass die mittels einer Außenelektrode
zu kontaktierenden Schmalseiten 5a bzw. 5b fluchtend übereinander
liegen. Anschließend
kann der gesamte Piezostapel rund herum mittels eines geeigneten
Isolationswerkstoffs passiviert werden.
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Der
Piezoaktor 1 arbeitet mit hoher Zuverlässigkeit und weist wegen besonders
günstiger
Feld- und Dehnungsverteilung eine geringe Rissbildungsneigung auf.
Die Herstellung dieses mehrschichtigen Piezoaktors ist besonders
einfach, da z.B. PZT-Platten lediglich mit glasfrittehaltiger Silberpaste
(z.B. AlPt) bedruckt werden, gestapelt und anschließend unter
Druck und Hitze gefügt,
d.h. hargelötet
werde, bevor die Aussenkontaktierung sowie eine anschließende Passivierung
des Sta pelpiezoaktors mit Isoolationswerkstoff erfolg. Dabei schränkt der
Herstellungsprozess die Piezomaterialauswahl keineswegs ein.