DE102009027986A1 - Piezoelectric actuator with a multi-layer structure and a method for its production - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Piezoaktor mit einem Mehrlagenaufbau aus Piezolagen vorgeschlagen, die jeweils zwischen Innenelektroden (4, 5) wechselnder Polarität eingefasst sind und die Innenelektroden über Außenelektroden (6, 7) mit jeweils einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung dadurch beaufschlagt sind, dass jeweils eine Außenelektrode (6, 7) mit jeweils den Innenelektroden (4, 5) einer Polarität kontaktiert ist und von den Innenelektroden (4, 5) der anderen Polarität jeweils mittels einer Isolationszone getrennt sind. In mindestens einer Isolationszone (10, 11) ist ein parallel zur Erstreckungsrichtung der Piezolagen verlaufender Abschnitt (13) vorhanden.A piezo actuator with a multilayer structure of piezo layers is proposed, each of which is enclosed between internal electrodes (4, 5) of alternating polarity and each of which has a different polarity of an electrical voltage applied to the internal electrodes via external electrodes (6, 7) in that one external electrode each (6, 7) is in contact with the inner electrodes (4, 5) of one polarity and are separated from the inner electrodes (4, 5) of the other polarity by means of an insulation zone. In at least one insulation zone (10, 11) there is a section (13) running parallel to the direction in which the piezo layers extend.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einem Mehrlagenaufbau von Piezolagen und einem alternierenden Innenelektrodendesign sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs und des nebengeordneten Verfahrensanspruchs.The The invention relates to a piezoelectric actuator with a multi-layer structure of Piezo layers and an alternating internal electrode design as well a method for its preparation according to the generic Features of the main claim and the independent method claim.
Ein
solcher Piezoaktor ist beispielsweise aus der
Der Mehrlagenaufbau besitzt dabei ein alternierendes (interdigitales) Innenelektrodendesign, bei dem jede piezokeramische Lage zwischen zwei Innenelektroden eingefasst ist, über die eine elektrische Spannung angelegt werden kann und somit jeweils ein Piezoelement bildet. Aufgrund der elektrischen Spannung führen die Piezoelemente jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potenzialgefälles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren.Of the Multi-layer construction has an alternating (interdigital) Internal electrode design, in which each piezoceramic layer between is bordered by two internal electrodes, via which an electrical Voltage can be applied and thus each a piezoelectric element forms. Due to the electrical voltage lead the piezo elements each small strokes in the direction of the potential gradient off, which add up to the total stroke of the piezoelectric actuator.
Die Innenelektroden sind dabei wechselseitig mit Außenelektroden zur Zuführung der elektrischen Spannung verbunden, wobei die Innenelektroden, die mit dem elektrischen Pluspol über die Außenelektrode kontaktiert sind, von dem Minuspol der Außenelektroden durch eine sogenannte Isolationszone getrennt sind. Eine weitere Isolationszone trennt dann die Innenelektroden, die mit dem Minuspol verbunden sind von dem Pluspol der Außenelektroden.The Internal electrodes are mutually connected with external electrodes connected to the supply of electrical voltage, wherein the internal electrodes, which are connected to the positive electrical pole the outer electrode are contacted, from the negative pole of the outer electrodes are separated by a so-called isolation zone. Another Isolation zone then separates the internal electrodes, which with the negative pole are connected by the positive pole of the external electrodes.
Beide Isolationszonen bilden dabei ein relativ starres Korsett, welches den Piezoaktor bei seiner Hubbewegung mechanisch behindert. Folglich kann es beim elektrischen Polen des Piezoaktors zur Ausbildung von sog. Polungsrissen kommen. Diese Polungsrisse gehen in der Regel Risse durch die Isolationszone, wodurch die Klemmwirkung des Mehrlagenaufbaus eventuell reduziert werden kann. Wenn keine weiteren Maßnahmen zu Steuerung solcher Polungsrisse vorgesehen werden, können sich die Polungsrisse statistisch im Piezoaktor verteilen, eventuell mit einem unkontrollierten Rissverlauf über die gesamte Länge des Piezoaktors. Durch das unkontrollierte Risswachstum entstehen dabei häufig auch verzweigende Polungsrisse, die die Isolation zwischen zwei Innenelektroden empfindlich reduzieren können. Die Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Versagens des Piezoaktors während des Betriebes steigt damit erheblich, wobei die sich verzweigenden Polungsrisse auch ein Ausschusskriterium bei der Fertigung darstellen können.Both Isolation zones form a relatively rigid corset, which mechanically obstructed the piezoelectric actuator during its stroke movement. consequently it may be in the electrical Poland of the piezoelectric actuator for the formation of so-called Polungsrissen come. These poling cracks usually go Cracks through the isolation zone, causing the clamping effect of the multilayer structure possibly can be reduced. If no further action can be provided to control such Polungsrisse the polarity cracks statistically spread in the piezoelectric actuator, possibly with an uncontrolled crack over the whole Length of the piezo actuator. Due to the uncontrolled crack growth branching poling cracks often occur which reduce the insulation between two internal electrodes sensitive can. The probability of an electrical failure of the piezoelectric actuator during operation increases considerably, the branching poling cracks are also a reject criterion can represent the production.
Aus
der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung geht von einem Piezoaktor mit einem Mehrlagenaufbau aus Piezolagen aus, die jeweils zwischen Innenelektroden wechselnder Polarität eingefasst sind. Die Innenelektroden sind über Außenelektroden mit jeweils einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung dadurch beaufschlagt, dass jeweils eine Außenelektrode mit jeweils den Innenelektroden einer Polarität kontaktiert ist und von den Innenelektroden der anderen Polarität jeweils mittels einer Isolationszone getrennt sind. Gemäß der Erfindung ist in vorteilhafter Weise in mindestens einer Isolationszone eine parallel zur Erstreckungsrichtung der Piezolagen verlaufender Anschnitt vorhanden.The Invention is based on a piezoelectric actuator with a multi-layer structure Piezo layers, each alternating between internal electrodes Polarity are bordered. The internal electrodes are via external electrodes each having a different polarity of an electrical Stress thereby applied, that in each case an outer electrode each contacted with the internal electrodes of a polarity and of the inner electrodes of the other polarity, respectively separated by an isolation zone. According to the Invention is advantageously in at least one isolation zone a parallel to the extension direction of the piezoelectric layers extending Bleed available.
Die erfindungsgemäßen Anschnitte befinden sich dabei bevorzugt unter einer Grundmetallisierung und der darüberliegenden Außenelektrode, sodass mit der Erfindung es in vorteilhafter Weise gelingt, Sollbruchstellen für Polungsrisse in den Piezoaktor mit einem geeigneten mechanischen Abtragverfahren einzubringen, ohne dass sich daraus Nachteile bei den nachfolgenden Prozessschritten der Herstellung des Piezoaktors ergeben. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Anschnitte über den gesamten Mehrlagenaufbau verteilt sind.The According to the invention sections are here preferably under a base metallization and the overlying Outside electrode, so that with the invention it in an advantageous Way succeeds, predetermined breaking points for poling cracks in the Piezo actuator with a suitable mechanical removal method, without resulting disadvantages in the subsequent process steps the production of the piezoelectric actuator result. Is particularly advantageous it here, if the cuts over the entire multi-layer structure are distributed.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Piezoaktors ergibt sich somit, wenn die Anschnitte während der Prozessschritte bei der Herstellung nach einem Schleifen und vor einem Aufbringen einer Grundmetallisierung auf die Seitenflächen des Piezoaktors eingebracht werden.A particularly advantageous method for Production of the piezoelectric actuator described above thus results when the gates are introduced during the process steps in the production after grinding and before applying a base metallization on the side surfaces of the piezoelectric actuator.
Die Festigkeit von spröden Materialien, zu denen auch die Piezokeramik der Piezolagen gehört, hängt im wesentlichen von dem Zustand der Oberfläche ab. Beschädigungen der Oberfläche, wie z. B. Risse, reduzieren die Festigkeit der Piezokeramik drastisch. Mit der Erfindung ist es somit auf einfache Weise möglich, Sollbruchstellen auf der Oberfläche des Piezoaktors durch Manipulation der Keramikoberfläche in Form von Anschnitten einzubringen. Die Oberfläche der Piezokeramik kann beispielsweise an den Stellen, wo sich Polungsrisse ausbilden sollen, gezielt durch einen Anschnitt der Isolationszone geschwächt werden. Um die Piezokeramik ausreichend zu schwächen, reichen dabei schon geringe Schnitttiefen (zum Beispiel 100 bis 200 μm) aus.The Strength of brittle materials, including the piezoceramic depends on the piezo layers depends essentially on the condition of the surface. damage the surface, such. As cracks, reduce the strength the piezoceramic drastically. With the invention, it is thus in a simple manner possible, predetermined breaking points on the surface of the Piezoactors by manipulation of the ceramic surface in Form of gates. The surface of the piezoceramic can, for example, at the points where Polungsrisse train are targeted, weakened by a cut of the isolation zone become. Enough to weaken the piezoceramic is enough even small cutting depths (for example 100 to 200 μm) out.
Um möglichst dünne und definierte Anschnitte einzubringen, eignen sich besonders Laserstrahlschneiden, Präzisionstrennverfahren, wie z. B. Drahtsäge, und Wasserstrahlschneiden. Das Einbringen von derartigen Sollbruchstellen ist nach dem finalen Schleifprozess der Piezoaktoren und vor dem Aufbringen der Grundmetallisierung besonders günstig, da der Piezoaktor in diesem Zustand keinen starken mechanischen Belastungen mehr ausgesetzt wird. Während der Polungsprozedur und des Betriebs des Piezoaktors können somit die Polungsrisse nur noch definiert an den Sollbruchstellen entstehen und die Gefahr von Rissverzweigungen und unkontrolliertem Risswachstum ist deutlich reduziert.Around to introduce thin and defined cuts, laser cutting, precision cutting, such as B. wire saw, and water jet cutting. The introduction of such predetermined breaking points is after the final grinding process the piezo actuators and before the application of the base metallization particularly favorable, since the piezoelectric actuator in this state is no longer exposed to strong mechanical loads. While the Polungsprozedur and the operation of the piezoelectric actuator can thus the poling cracks only defined at the predetermined breaking points arise and the risk of cracking and uncontrolled Crack growth is significantly reduced.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:One Embodiment of the invention will be described below the figures of the drawing described in more detail. Show it:
Weg zur Ausführung der ErfindungWay to execution the invention
Ein
in
Aus
In
Die
Anschnitte
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- - WO 2007/104301 A2 [0006] WO 2007/104301 A2 [0006]
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