DE102006051080A1

DE102006051080A1 - Vielschichtaktoren mit Interdigitalelektroden

Info

Publication number: DE102006051080A1
Application number: DE102006051080A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl.-Ing. Bindig; Hans-Jürgen Dr. Schreiner; Jürgen Schmidt
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2007-10-04
Also published as: JP2009530799A; EP1999802A1; US20090243437A1; WO2007104784A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Vielschichtaktors (1) aus einem Stapel dünner aktiver Folien (2) aus Piezokeramik mit aufgebrachten metallischen Innenelektroden, die wechselseitig aus dem Stapel herausführen und über Außenelektroden (3) elektrisch parallel geschaltet werden. Dadurch, dass auf jeder aktiven Folie (2) die Innenelektroden (9) beider Polaritäten als Leiterbahnen aufgebracht werden, die Schichtungsrichtung (8) aller aktiven Folien (2) rechtwinklig zur Längsachse (5) des Vielschichtaktors (1) angeordnet werden und die Folien (2) mit den Innenelektroden (9) zusammen in einem cofiring-Prozess gesintert werden, kann bekannte und marktübliche Technik für die Stapel- und Laminiermaschinen eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Vielschichtaktors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Vielschichtaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Monolithische Vielschichtaktoren (nachfolgend auch allgemein als Aktoren bezeichnet) nach dem Stand der Technik bestehen in der Regel aus gestapelten dünnen Schichten 2 aktiven Materials, z.B. einer Piezokeramik oder elektrostriktiven Materialien, mit jeweils dazwischen angeordneten leitfähigen Innenelektroden 4. Außenelektroden 3 verbinden diese Innenelektroden 4 abwechselnd. Dadurch werden die Innenelektroden 4 elektrisch parallel geschaltet und zu zwei Gruppen zusammengefasst, welche die beiden Anschlusspole des Aktors darstellen (siehe 1).
Legt man eine elektrische Spannung an die Anschlusspole, so wird diese auf alle Innenelektroden parallel übertragen und verursacht ein elektrisches Feld in allen Schichten aktiven Materials, das sich dadurch mechanisch verformt. Die Summe aller dieser mechanischen Verformungen steht an den Endflächen des Aktors als nutzbare Dehnung und/oder Kraft in Richtung der Aktorlängsachse 5 zur Verfügung.
Der beschriebene Effekt wird auch als 33-Effekt bezeichnet, da das elektrische Feld in Richtung der Polarisation angelegt wird (Raumrichtung: erster Index 3) und die in der gleichen Richtung auftretenden mechanischen Effekte (Raumrichtung: zweiter Index 3) genutzt werden. Im Gegensatz dazu kennzeichnet der bei vielen Biegeelementen genutzte 31-Effekt das Anlegen des elektrischen Feldes in Polarisationsrichtung (Raumrichtung erster Index 3) und die Nutzung der mechanischen Effekte rechtwinklig dazu (Raumrichtung zweiter Index 1).
Um den 33-Effekt nutzen zu können müssen die Polarisationsrichtung 6 und die Bewegungsrichtung 7 des Aktors in der gleichen Richtung, normalerweise in Richtung der Aktorlängsachse 5 verlaufen. Das bedeutet, dass, wie in 1 dargestellt, die einzelnen Schichten 2 und Innenelektroden 4 im rechten Winkel zur Aktorlängsachse 5 liegen und die Schichtungsrichtung 8 parallel zur Aktorlängsachse 5 verläuft.
Es müssen deshalb sehr viele Schichten bzw. Keramiklagen mit Innenelektroden übereinander gestapelt werden, wobei die Innenelektroden als dünne Metallschichten ausgebildet sind. Für einen Aktor mit den Abmessungen 7 × 14 × 100 mm müssen z.B. 1100 Lagen mit je 0,09 mm Dicke passgenau übereinander gestapelt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtaktors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, das bekannte und marktübliche Technik für die Stapel- und Laminiermaschinen eingesetzt werden können. Außerdem soll ein Vielschichtaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 angegeben werden, der bei einer sehr kleinen Grundfläche eine große Höhe aufweisen kann und insbesondere nach dem eben genannten Verfahren hergestellt wurde.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass auf jeder aktiven Folie die Innenelektroden beider Polaritäten als Leiterbahnen aufgebracht werden, die Schichtungsrichtung 8 aller aktiven Folien rechtwinklig zur Längsachse des Vielschichtaktors angeordnet werden und die Folien mit den Innenelektroden zusammen in einem cofiring-Prozess gesintert werden, kann bekannte und marktübliche Technik für die Stapel- und Laminiermaschinen eingesetzt werden.
Unter cofiring-Prozess wird verstanden, dass die Innenelektroden komplett einlaminiert und zusammen mit der Keramik gesintert werden. Der cofiring-Prozess ist somit das gleichzeitige Sintern der Innenelektroden zusammen mit den Keramikfolien in einem Arbeitsschritt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich des Vielschichtaktors durch die Merkmale des Anspruchs 2 gelöst.
Dadurch, dass auf jeder aktiven Folie die Innenelektroden beider Polaritäten als Leiterbahnen angeordnet sind, die Schichtungsrichtung aller aktiven Folien rechtwinklig zur Längsachse des Vielschichtaktors angeordnet sind und die Folien mit den Innenelektroden zusammen in einem cofiring-Prozess gesintert sind, können Vielschichtaktoren (33-Aktoren) mit einer großen Höhe einfach gefertigt werden, die zum Beispiel für Ventilantriebe benötigt werden.
Es ist auch sehr leicht möglich 33-Aktoren mit sehr kleiner Grundfläche und großer Höhe zu erzeugen, wie sie für 33-Biegeaktoren benötigt werden.
Es ist auch sehr leicht möglich, diese Biegeelemente direkt im gleichen Prozess monolithisch herzustellen.
Die Innenelektroden sind nicht mehr vollflächig als Metallschicht in die Aktoren eingebracht, sondern als Leiterbahnen mit möglichst feinen Leitern. Es wird deshalb nur ein Bruchteil des sehr teueren, edelmetallhaltigen Innenelektrodenmaterials benötigt.
Insgesamt führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einem einfacheren und unkomplizierteren Prozess, zur Einsparung von edelmetallhaltiger Innenelektrode und damit zu erheblich geringeren Herstellkosten für Aktoren und Biegeelemente.
Es wird möglich Aktortypen wirtschaftlich zu fertigen, die bis jetzt aus Kostengründen nicht in großen Stückzahlen herstellbar waren. Für einen Aktor mit den Abmessungen 7 × 14 × 100 mm müssen nach diesem Verfahren lediglich 77 Lagen mit je 0,1 mm Dicke passgenau übereinander gestapelt werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Innenelektroden beider Polaritäten kammartig ausgebildet sind mit jeweils einer Basisleiterbahn und von dieser im Wesentlichen rechtwinklig ausgehenden Kammleiterbahnen, wobei die Kammleiterbahnen beider Polaritäten so ineinander greifen, dass bis auf den Randbereich der Folien jede Kammleiterbahn einer Polarität zwischen zwei Kammleiterbahnen der anderen Polarität angeordnet ist. Diese kammförmig ineinander greifenden Innenelektroden werden nachfolgend auch als Interdigital elektroden bezeichnet.
Bevorzugt sind die Basisleiterbahnen angrenzend an sich gegenüberliegenden Seiten der Folie angeordnet.
Vorteilhaft beträgt die Dicke der Folien 10 μm bis 300 μm, bevorzugt 30 μm bis 100 μm.
In erfindungsgemäßer Ausbildung beträgt die Breite der Leiterbahnen der Innenelektroden 0,05 bis 0,5 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,2 mm.
Der Abstand zwischen den Leiterbahnen der Innenelektroden ist so gewählt ist, dass sich bei einer gewünschten Betriebsspannung eine Feldstärke von 0,5 bis 5 kV/mm, bevorzugt 1,5 bis 2,5 kV/mm einstellt.
In erfindungsgemäßer Ausgestaltung enthält der Vielschichtaktor zusätzlich zu den aktiven Folien auch inaktive Folien ohne Innenelektroden, so dass eine oder mehrere aktive Zonen und eine oder mehrere inaktive Zonen entstehen und der Vielschichtaktor im Betrieb eine Biegung ausführen kann.
Bevorzugt sind zwischen den aktiven Zonen und den inaktiven Zonen Folien mit einer vollflächigen, elektrisch durch die Außenelektrode nicht kontaktierten, Innenelektrode angeordnet.
Bevorzugt wird für die Keramik ein niedrig sinterndes piezokeramisches Material verwendet. Ein derartiges piezokeramisches Material ist zum Beispiel beschrieben in der DE 198 40 488 A1 .
Nachfolgend werden der Stand der Technik und die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen monolithischen 33-Aktor 1, ausgeführt nach dem Stand der Technik.
Hervorzuheben ist, dass die Polarisationsrichtung 6, die Bewegungsrichtung 7 und die Schichtungrichtung 8 in Richtung der Aktorlängsachse 5 verlaufen (siehe hierzu auch die Beschreibungseinleitung). Es werden hier vollflächige Innenelektroden eingesetzt.
Monolithische 33-Aktoren für Biegeelemente können nach dem Stand der Technik nicht sinnvoll über ein Stapel/Laminierverfahren hergestellt werden, sondern werden von größeren, bereits gesinterten und elektrodierten 33-Aktoren als dünne Scheiben abgesägt.
33-Biegeaktoren können durch Stapel/Laminierverfahren nicht hergestellt werden, sondern müssen aus gesinterten und elektrodierten Teilaktoren durch Verkleben gefügt werden.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen monolithischen 33-Aktor (Vielschichtaktor). Hervorzuheben ist, dass die Polarisationsrichtung 6 und die Bewegungsrichtung 7 in Richtung der Aktorlängsachse 5 verlaufen. Die Richtung der Schichtung 8 verläuft dagegen rechtwinklig dazu. Die Interdigitalelektroden 9 sind seitlich durch Außenelektroden 3 elektrisch verbunden. Es ist nur eine der Außenelektroden 3 gezeigt, die andere Außenelektrode befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite.
3 zeigt die Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen monolithischen 33-Aktor mit ineinander greifenden Interdigitalelektroden 9.
4 zeigt einen Schnitt durch den in 3 gezeigten monolithischen 33-Aktor entlang der Schnittlinie A-B. Hervorzuheben ist die abwechselnde Polarität der Interdigitalelektroden 9 und dass die Schichtungsrichtung 8 rechtwinklig zur Polarisations- 6 und Bewegungsrichtung 7 ist.
5 zeigt einen Schnitt (wie in 4) durch einen monolithischen 33-Biegeaktor, ausgeführt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Durch Weglassen der Interdigitalelektroden 9 im unteren Schichtungsbereich entsteht eine inaktive Zone 12. Das verbleibende Aktorpaket 10 bzw. die aktive Zone verbiegt die Struktur nach unten, wenn es sich in der Bewegungsrichtung 7 ausdehnt. Vollflächig aufgebrachte, elektrisch nicht kontaktierte Innenelektroden 13 verhindern, dass eventuell durch die Biegung entstehende Risse in die passive Zone hineinwachsen.
6 zeigt einen Schnitt durch einen monolithischen 33-Biegeaktor, ausgeführt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Durch Weglassen der Elektroden im mittleren Schichtungsbereich entsteht eine inaktive Zone 12. Die verbleibenden Aktorpakete 10, 11 verbiegen die Struktur nach oben oder unten, wenn sie sich wechselweise ausdehnen 7. Vollflächig aufgebrachte, elektrisch nicht kontaktierte Innenelektroden 13 verhindern, dass eventuell durch die Biegung entstehende Risse in die inaktive Zone 12 hineinwachsen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Vielschichtaktors (1) aus einem Stapel dünner aktiver Folien (2) aus Piezokeramik mit aufgebrachten metallischen Innenelektroden, die wechselseitig aus dem Stapel herausführen und über Außenelektroden (3) elektrisch parallel geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder aktiven Folie (2) die Innenelektroden (9) beider Polaritäten als Leiterbahnen aufgebracht werden, die Schichtungsrichtung (8) aller aktiven Folien (2) rechtwinklig zur Längsachse (5) des Vielschichtaktors (1) angeordnet werden und die Folien (2) mit den Innenelektroden (9) zusammen in einem cofiring-Prozess gesintert werden.
Monolithischer Vielschichtaktor aus einem Stapel dünner aktiver Folien (2) aus Piezokeramik mit aufgebrachten metallischen Innenelektroden (9), die wechselseitig aus dem Stapel herausführen und über Außenelektroden (3) elektrisch parallel geschaltet sind, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder aktiven Folie (2) die Innenelektroden (9) beider Polaritäten als Leiterbahnen angeordnet sind, die Schichtungsrichtung (8) aller aktiven Folien (2) rechtwinklig zur Längsachse (5) des Vielschichtaktors (1) angeordnet sind und die Folien (2) mit den Innenelektroden (9) zusammen in einem cofiring-Prozess gesintert sind.
Vielschichtaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenelektroden (9) beider Polaritäten kammartig ausgebildet sind mit jeweils einer Basisleiterbahn (16) und von dieser im Wesentlichen rechtwinklig ausgehenden Kammleiterbahnen (17), wobei die Kammleiterbahnen (17) beider Polaritäten so ineinander greifen, dass bis auf den Randbereich (18) der Folien (2) jede Kammleiterbahn (17) einer Polarität zwischen zwei Kammleiterbahnen der anderen Polarität angeordnet ist.
Vielschichtaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisleiterbahnen (16) angrenzend an sich gegenüberliegenden Seiten der Folie angeordnet sind.
Vielschichtaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Folien (2) 10 μm bis 300 μm, bevorzugt 30 μm bis 100 μm beträgt.
Vielschichtaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (15) der Leiterbahnen der Innenelektroden (9) 0,05 bis 0,5 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,2 mm beträgt.
Vielschichtaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (14) zwischen den Leiterbahnen der Innenelektroden (9) so gewählt ist, dass sich bei einer gewünschten Betriebsspannung eine Feldstärke von 0,5 bis 5 kV/mm, bevorzugt 1,5 bis 2,5 kV/mm einstellt.
Vielschichtaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vielschichtaktor zusätzlich zu den aktiven Folien auch inaktive Folien ohne Innenelektroden enthält, so dass eine oder mehrere aktive Zonen (10, 11) und eine oder mehrere inaktive Zonen (12) entstehen und der Vielschichtaktor (1) im Betrieb eine Biegung ausführen kann.
Vielschichtaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den aktiven Zonen (10, 11) und den inaktiven Zonen (12) Folien (13) mit einer vollflächigen, elektrisch durch die Außenelektrode (3) nicht kontaktierten Innenelektroden angeordnet sind.
Vielschichtaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Keramik ein niedrig sinterndes piezokeramisches Materialverwendet wird.