DE102011013823B4 - Piezoelectric actuator device with overvoltage protection and method for producing such a piezoelectric Aktuatorbautelements - Google Patents

Piezoelectric actuator device with overvoltage protection and method for producing such a piezoelectric Aktuatorbautelements Download PDF

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Abstract

Piezoelektrisches Aktuatorbauelement mit Überspannungsschutz, umfassend:- einen Schichtstapel (10) mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten (100, 110, 120),- einen Varistor (200) mit einer Vielzahl von Materiallagen (210), wobei eine der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten (110) in der Stapelanordnung (1000) an eine der Vielzahl der Materiallagen (210) des Varistors angrenzt, wobei die Vielzahl der piezoelektrischen Schichten (100, 110, 120) des Schichtstapels (10) und die Vielzahl der Materiallagen (210) des Varistors in einer Stapelanordnung (1000) übereinander gestapelt sind,- eine Vielzahl von Elektrodenschichten (300), wobei erste der Elektrodenschichten (310) in dem Schichtstapel (10) der piezoelektrischen Schichten (100, 110, 120) zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnet sind und zweite der Elektrodenschichten (320) in dem Varistor (200) zwischen der Vielzahl der Materiallagen des Varistors angeordnet sind,- eine Spannungszuführungseinrichtung (400) zur Zuführung einer Spannung an die Vielzahl der Elektrodenschichten (300),- wobei die Spannungszuführungseinrichtung (400) auf einer Oberfläche (O1000) der Stapelanordnung (1000) angeordnet ist,- wobei die Spannungszuführungseinrichtung (400) mit jeder der Vielzahl der ersten und zweiten der Elektrodenschichten (310, 320) kontaktiert ist.A surge arrester piezoelectric actuator comprising: - a layer stack (10) having a plurality of piezoelectric layers (100, 110, 120), - a varistor (200) having a plurality of layers of material (210), one of the plurality of piezoelectric layers ( 110) in the stacking arrangement (1000) adjoins one of the plurality of material layers (210) of the varistor, the plurality of piezoelectric layers (100, 110, 120) of the layer stack (10) and the plurality of material layers (210) of the varistor in a plurality of electrode layers (300), wherein first of the electrode layers (310) in the layer stack (10) of the piezoelectric layers (100, 110, 120) are arranged between the piezoelectric layers and second of the Electrode layers (320) are arranged in the varistor (200) between the plurality of material layers of the varistor, - a voltage supply device (400) wherein the voltage supply device (400) is arranged on a surface (O1000) of the stack arrangement (1000), wherein the voltage supply device (400) is connected to each of the multiplicity of the first and second of the Electrode layers (310, 320) is contacted.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Aktuatorbauelement mit Überspannungsschutz, bei dem piezoelektrische Schichten des Aktuatorbauelements vor hohen Spannungen geschützt sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements mit Überspannungsschutz.The invention relates to a piezoelectric actuator component with overvoltage protection, in which piezoelectric layers of the actuator component are protected against high voltages. The invention further relates to a method for producing a piezoelectric actuator component with overvoltage protection.

Piezo-Multilagenaktuatoren enthalten eine Vielzahl von übereinander gestapelten piezoelektrischen, beispielsweise keramischen, Schichten, zwischen denen jeweils leitfähige Schichten als Elektrodenschichten angeordnet sind. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrodenschichten tritt innerhalb des Stapels eine Auslenkung auf. Piezo-Multilagenaktuatoren können beispielsweise zur Steuerung von Treibstoffinjektionssystemen zur Anwendung kommen. Durch die Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten beim Anlegen einer Spannung wird ein Hub erzeugt, der beispielsweise zur Steuerung von Ventilen der Treibstoffinjektionssysteme genutzt wird.Piezo multilayer actuators contain a multiplicity of stacked piezoelectric, for example ceramic, layers, between each of which conductive layers are arranged as electrode layers. When an electrical voltage is applied to the electrode layers, a deflection occurs within the stack. Piezo multilayer actuators may be used, for example, to control fuel injection systems. The expansion of the piezoelectric layers when a voltage is applied generates a lift which is used, for example, to control valves of the fuel injection systems.

Piezo-Multilagenaktuatoren sind empfindlich gegen Überspannungen. Beim Anlegen von zu hohen Spannungen an die Elektrodenschichten kann es zu oberflächlichen Überschlägen oder zu Überschlägen innerhalb der keramischen Schichten im Inneren des Aktuators kommen. Des Weiteren können die zu hohen Spannungen aufgrund der elektromechanischen Kopplung des Piezo-Bauelements zu einer unzulässigen Dehnung des piezoelektrischen Schichtstapels führen, woraus die Entstehung von Rissen resultieren kann. Ansteuerpulse mit kurzer Schaltzeit und hoher Spannungsamplitude können zudem zu akustischen Schockwellen führen, welche ebenfalls Risse zur Folge haben können.Piezo multilayer actuators are sensitive to overvoltages. When too high voltages are applied to the electrode layers, surface flashovers or arcing within the ceramic layers inside the actuator may occur. Furthermore, the excessive voltages due to the electromechanical coupling of the piezo-component can lead to an undue stretching of the piezoelectric layer stack, resulting in the formation of cracks can result. Drive pulses with short switching time and high voltage amplitude can also lead to acoustic shock waves, which can also cause cracks.

Die Fehlermechanismen aufgrund der zu hoch angelegten Spannungen können zu einem spontanen Bauteilversagen oder durch eine Vorschädigung zu einer verminderten Bauteillebensdauer und somit zu einer Herabsetzung der Dauerhaltbarkeit führen. Daher sind Piezoaktuatoren gegenüber dem Auftreten von Überspannungen zu schützen. Dies betrifft insbesondere solche Piezoaktuatoren, die in automotiven Anwendungen eingesetzt werden, in denen es durch Aufladungseffekte aber auch EMI (Electro-Magnetic Interference) potentiell zu Überspannungen kommen kann.The failure mechanisms due to excessive voltages can lead to spontaneous component failure or pre-damage resulting in decreased component life and, thus, reduction in fatigue life. Therefore, piezoactuators are to be protected against the occurrence of overvoltages. This applies in particular to those piezoactuators which are used in automotive applications in which potentials can potentially result in overvoltages as a result of charging effects but also of EMI (Electro-Magnetic Interference).

In der US 2006/0207078 A1 ist ein Schichtaufbau für einen laminierten Varistor mit einer Anordnung von Elektrodenschichten, die abgeschrägte Enden aufweisen, beschrieben. In der DE 69734000 T2 ist ein Schichtstapel aus zwei Substraten, zwischen denen eine metallische Elektrode ausgebildet ist, beschrieben, wobei mit dem angegebenen Herstellungsverfahren eine varistor-piezoelektrische Keramik herstellbar ist. In der JP S61-224 600 A ist ein zusammengesetztes Element aus einem piezoelektrischen Oszillator und einem Varistor beschrieben.In the US 2006/0207078 A1 is a laminated structure for a laminated varistor with an array of electrode layers having tapered ends described. In the DE 69734000 T2 is a layer stack of two substrates, between which a metallic electrode is formed, described, with the specified manufacturing method, a varistor piezoelectric ceramic can be produced. In the JP S61-224 600 A is a composite element of a piezoelectric oscillator and a varistor described.

Es besteht daher ein Bedarf, ein piezoelektrisches Aktuatorbauelement anzugeben, das vor Schäden, die durch das Anlegen von zu hohen Spannungen entstehen, geschützt ist. Des Weiteren soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktuatorbau elements angegeben werden, wobei das Bauelement vor einer Beschädigung in Folge von zu hohen Spannungen geschützt ist.There is therefore a need to provide a piezoelectric actuator device that is protected from damage caused by the application of excessive voltages. Furthermore, in the context of the present invention, a method for producing a piezoelectric Aktuatorbau elements are specified, wherein the device is protected from damage due to excessive voltages.

Ein derartiges piezoelektrisches Aktuatorbauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Aktuatorbauelements werden in den Patentansprüchen angegeben.Such a piezoelectric actuator component and a method for producing such an actuator component are specified in the patent claims.

Eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements mit Überspannungsschutz umfasst einen Schichtstapel mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten und einen Varistor mit mindestens einer Materiallage. Die Vielzahl der piezoelektrischen Schichten des Schichtstapels und die mindestens eine Materiallage des Varistors sind in einer Stapelanordnung übereinander gestapelt.An embodiment of a piezoelectric actuator device with overvoltage protection comprises a layer stack with a plurality of piezoelectric layers and a varistor with at least one material layer. The plurality of piezoelectric layers of the layer stack and the at least one material layer of the varistor are stacked in a stacked arrangement.

Bei dem piezoelektrischen Aktuatorbauelement ist ein Varistor als Überspannungs-Schutzbauelement direkt in den Aufbau des Piezoaktuators integriert. Der Varistor kann als Einlagen-Varistor eine einzelne Materiallage oder als Multilagen-Varistor eine Vielzahl von Materiallagen aufweisen. Der piezoelektrische Schichtstapel und die mindestens eine Materiallage des Varistorschichtstapels sind in einer gemeinsamen Stapelanordnung angeordnet. Dadurch entsteht ein Multilagen-Piezoaktuator mit integriertem Schutzelement.In the case of the piezoelectric actuator component, a varistor as an overvoltage protection component is integrated directly into the structure of the piezoactuator. The varistor may have as a single-layer varistor a single material layer or as a multilayer varistor a plurality of layers of material. The piezoelectric layer stack and the at least one material layer of the varistor layer stack are arranged in a common stack arrangement. This creates a multilayer piezoactuator with integrated protective element.

Gegenüber einem Aktuatorbauelement mit separatem Schutzbauelement, beispielsweise einer Schottky-Diode, wird für die Kombination aus piezoelektrischen Schichten und Schichten des Varistors, die gemeinsamen in einem einzigen Schichtstapel integriert sind, ein geringer Platzbedarf benötigt. Da die Stapelanordnung aus den Materialschichten des Varistors zusammen mit den piezoelektrischen Schichten des Multilagen Piezo-Aktorpakets nach dem Verpressen der Schichten einen monolithisch gefertigten Materialblock darstellt, können alle weiteren Herstellungsschritte, die den piezoelektrischen Schichtstapel als auch den Varistorstapel betreffen, weitgehend parallel und gleichzeitig erfolgen. Daher ist der Aufwand und die Kosten zur Herstellung eines derartigen piezoelektrischen Aktuatorbauelements mit integriertem Überspannungsschutz gegenüber einer Ausführungsform mit zwei diskreten Bauelementen, dem Piezoaktuatorbauelement und einem separaten Schutzbauelement, deutlich reduziert.Compared to an actuator component with a separate protective component, for example a Schottky diode, a small footprint is required for the combination of piezoelectric layers and layers of the varistor, which are integrated in a single layer stack. Since the stack arrangement of the material layers of the varistor together with the piezoelectric layers of the multilayer piezo Aktorpakets after pressing the layers represents a monolithically fabricated block of material, all other manufacturing steps that affect the piezoelectric layer stack and the varistor stack can be done largely parallel and simultaneously. Therefore, the cost and cost of making such a piezoelectric actuator device with integrated overvoltage protection over an embodiment having two discrete components, the Piezoaktuatorbauelement and a separate protection device, significantly reduced.

Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements mit Überspannungsschutz angegeben. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Schichtstapels mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten sowie das Bereitstellen eines Varistors mit mindestens einer Materiallage. Der Schichtstapel der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten und der mindestens einen Materiallage des Varistors werden zu einer Stapelanordnung übereinander gestapelt. Anschließend erfolgt ein erpressen und ein Sintern der Stapelanordnung.In the following, an embodiment of a method for producing a piezoelectric actuator component with overvoltage protection is specified. The method comprises providing a layer stack with a plurality of piezoelectric layers and providing a varistor with at least one material layer. The layer stack of the plurality of piezoelectric layers and the at least one material layer of the varistor are stacked in a stack arrangement. Subsequently, a blackmailing and sintering of the stack arrangement takes place.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to figures showing exemplary embodiments of the present invention.

Es zeigen:

  • 1 eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements mit Überspannungsschutz,
  • 2 einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform des piezoelektrischen Aktuatorbauelements mit Schichten eines Varistors in einem piezoelektrischen Schichtstapel.
Show it:
  • 1 an embodiment of a piezoelectric actuator device with overvoltage protection,
  • 2 a section of an embodiment of the piezoelectric Aktuatorbauelements with layers of a varistor in a piezoelectric layer stack.

1 zeigt eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements 1 mit Überspannungsschutz. Das Aktuatorbauelement umfasst einen Stapel 10 mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 100. Des Weiteren enthält das Aktuatorbauelement Elektrodenschichten 300. Die Elektrodenschichten 300 umfassen Elektrodenschichten 310 und Elektrodenschichten 320. Die Elektrodenschichten 310 sind zwischen den piezoelektrischen Schichten 100 angeordnet. Die Elektrodenschichten 310 erstrecken sich abwechselnd von gegenüberliegenden Oberflächen O1000 des Stapels 10 der piezoelektrischen Schichten in das Innere des Stapels. Die Elektrodenschichten 310 enden im Inneren des Multilagen Piezo-Aktorpakets 10 in einem Abstand entfernt von der Oberfläche O1000 des Stapels. 1 shows an embodiment of a piezoelectric actuator device 1 with overvoltage protection. The actuator component comprises a stack 10 with a variety of piezoelectric layers 100 , Furthermore, the actuator component contains electrode layers 300 , The electrode layers 300 include electrode layers 310 and electrode layers 320. The electrode layers 310 are between the piezoelectric layers 100 arranged. The electrode layers 310 extend alternately from opposite surfaces O1000 of the pile 10 the piezoelectric layers in the interior of the stack. The electrode layers 310 terminate inside the multilayer piezo actuator package 10 at a distance away from the surface O1000 of the pile.

Das Aktuatorbauelement 1 weist des Weiteren einen Varistor 200 auf. Der Varistor 200 kann als Einlagen-Varistor mit einer Materiallage 210 oder als ein Multilagen-Varistorstapel aus einer Vielzahl von Materiallagen 210 ausgebildet sein. Der Varistor kann insbesondere als ein keramischer Multilagen-Varistor ausgeführt sein. Für den Varistorstapel 200 können beispielsweise eine bis zehn Materiallagen verwendet werden. Ähnlich wie bei dem Multilagen Piezo-Aktorpaket 10 erstrecken sich im Varistorstapel die Elektrodenschichten 320 ebenfalls abwechseln von gegenüberliegenden Oberflächen O1000 in den Varistormaterialblock 200. Die Elektrodenschichten enden jeweils im Inneren des Varistorstapels in einem Abstand vor einer Oberfläche des Varistorstapels.The actuator component 1 also has a varistor 200 on. The varistor 200 Can be used as a deposit varistor with a material layer 210 or as a multi-layer varistor stack of a plurality of layers of material 210 be educated. The varistor may in particular be designed as a ceramic multilayer varistor. For the varistor stack 200 For example, one to ten layers of material can be used. Similar to the multilayer piezo actuator package 10 In the varistor stack, the electrode layers 320 likewise extend alternately from opposite surfaces O1000 into the varistor block 200 , The electrode layers each terminate in the interior of the varistor stack at a distance in front of a surface of the varistor stack.

Bei dem in 1 gezeigten piezoelektrischen Aktuatorbauelement 1 sind die Vielzahl der piezoelektrischen Schichten 110 des Aktuatorschichtstapels 10 und die Materiallagen 210 des Varistorstapels 200 in einer gemeinsamen, einzigen Stapelanordnung 1000 übereinander gestapelt. Dabei grenzt eine der piezoelektrischen Schichten 110 an eine der Materiallagen 210 des Varistorschichtstapels an.At the in 1 shown piezoelectric actuator component 1 are the variety of piezoelectric layers 110 of the actuator layer stack 10 and the material layers 210 of the varistor stack 200 in a common, single stack arrangement 1000 stacked. In this case, one of the piezoelectric layers is adjacent 110 to one of the material layers 210 of the varistor layer stack.

Spannungszuführungseinheiten 400 sind an der äußeren Oberfläche O1000 der Stapelanordnung 1000 aus dem Multilagen Piezo-Aktorstapel 10 und dem Multilagen-Varistorstapel 200 angeordnet. Eine der Spannungszuführungseinrichtungen 400 kontaktiert die Elektrodenschichten 310, die sich von einer der Oberflächen O1000 der Stapelanordnung in den Schichtstapel 10 erstrecken, während die andere der Spannungszuführungseinrichtungen die dazwischen liegenden Elektrodenschichten an der anderen Seite der Oberfläche des Piezo-Stapels 10 kontaktiert. Jede der Spannungszuführungseinrichtungen 400 kontaktiert darüber hinaus auch die Elektrodenschichten 320 im Varistorstapel 200. Somit haben die Elektrodenschichten 310 und 320 eine gemeinsame Spannungszuführung.Power supply units 400 are on the outer surface O1000 the stack arrangement 1000 from the multilayer piezo actuator stack 10 and the multilayer varistor stack 200 arranged. One of the voltage supply devices 400 contacts the electrode layers 310 extending from one of the surfaces O1000 the stack arrangement in the layer stack 10 extend, while the other of the voltage supply means the intervening electrode layers on the other side of the surface of the piezo stack 10 contacted. Each of the voltage supply devices 400 also contacts the electrode layers 320 in the varistor stack 200 , Thus, the electrode layers 310 and 320 have a common voltage supply.

An den beiden äußeren Seiten der Stapelanordnung 1000 ist ein inaktiver Aktuatorbereich 500 vorgesehen. Der inaktive Aktuatorbereich kann beispielsweise ebenfalls ein piezoelektrisches Material aufweisen, in dem jedoch keine Elektrodenschichten verlaufen. Somit dehnt sich beim Anlegen einer Spannung an die Spannungszuführungseinrichtungen 400 nur der Stapel 10 aus den piezoelektrischen Schichten 100 aus.On the two outer sides of the stacking arrangement 1000 is an inactive actuator area 500 intended. The inactive actuator region may, for example, likewise comprise a piezoelectric material, in which, however, no electrode layers run. Thus, when a voltage is applied to the voltage supply devices, it expands 400 only the stack 10 from the piezoelectric layers 100 out.

Die Materiallagen 210 des Varistorstapels 200 können Zinkoxid enthalten. Die auf Zinkoxid basierenden Materialien des Varistorstapels können Zusatzmaterialien, wie beispielsweise Wismutoxid, Chromoxid oder Manganoxid, enthalten. Der Schichtaufbau des Varistorstapels 200 richtet sich nach der Schutzspannung, die für Piezoaktoren typischerweise zwischen 160 V und 250 V liegt. Aufgrund dieser Schutzspannungen können die dielektrischen Materialschichten 210 des Varistorstapels eine Schichtdicke zwischen 300 µm und 600 µm aufweisen.The material layers 210 of the varistor stack 200 can contain zinc oxide. The zinc oxide-based materials of the varistor stack may contain adjunct materials such as bismuth oxide, chromium oxide or manganese oxide. The layer structure of the varistor stack 200 depends on the protective voltage, which is typically between 160 V and 250 V for piezo actuators. Due to these protective voltages, the dielectric material layers 210 of the varistor stack have a layer thickness between 300 microns and 600 microns.

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des piezoelektrischen Aktuatorbauelements 1 ist der Varistor 200 an einer Seite des Stapels 10 der piezoelektrischen Schichten 100 und der Elektrodenschichten 310 angeordnet.At the in 1 shown embodiment of the piezoelectric Aktuatorbauelements 1 is the varistor 200 on one side of the stack 10 the piezoelectric layers 100 and the electrode layers 310.

2 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren möglichen Ausführungsform des piezoelektrischen Aktuatorbauelements 2, bei dem der Varistor 200 in den Stapel 10 der piezoelektrischen Schichten 100 und der Elektrodenschichten 310 derart integriert ist, dass die piezoelektrischen Schichten 100 zu beiden Seiten des Varistors 200 angeordnet sind. Die mindestens eine Materiallage 210 des Varistors 200 ist zwischen einer der piezoelektrischen Schichten 110 und einer weiteren der piezoelektrischen Schichten 120 angeordnet. Ansonsten entspricht die in 2 in einem Ausschnitt gezeigte Ausführungsform des piezoelektrischen Aktuatorbauelements 2 der in 1 gezeigten Ausführungsform des Aktuatorbauelements 1. 2 shows a section of a further possible embodiment of the piezoelectric actuator component 2 in which the varistor 200 in the pile 10 the piezoelectric layers 100 and the electrode layers 310 are integrated such that the piezoelectric layers 100 on both sides of the varistor 200 are arranged. The at least one material layer 210 of the varistor 200 is between one of the piezoelectric layers 110 and another of the piezoelectric layers 120 arranged. Otherwise corresponds to in 2 in a section shown embodiment of the piezoelectric actuator component 2 the in 1 shown embodiment of the Aktuatorbauelements 1 ,

Zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements der Ausführungsformen 1 oder 2 wird zunächst ein Stapel 10 mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 100, zwischen denen Elektrodenschichten 310 angeordnet sind, bereitgestellt. Des Weiteren wird ein Varistor 200 bereitgestellt, der als Einlagen-Varistor eine Materiallage 210 oder als Mehrlagen-Varistor mehrere der mindestens einen Materiallage 210 aufweist, wobei in dem Varistor 200 Elektrodenschichten 320 angeordnet sind.For producing a piezoelectric actuator component of the embodiments 1 or 2 will be a stack first 10 with a variety of piezoelectric layers 100 , between which electrode layers 310 are arranged, provided. Furthermore, a varistor 200 provided as a deposit varistor a material layer 210 or as a multilayer varistor several of the at least one material layer 210 wherein, in the varistor 200 Electrode layers 320 are arranged.

Der Multilagen Piezo-Aktorstapel 10 und der Varistorstapel 200 werden übereinander zu einer einzigen, monolithischen Stapelanordnung 1000 gestapelt. Die Materiallagen der Stapelanordnung 1000 werden anschließend verpresst und gesintert. Nachfolgend wird die Stapelanordnung 1000 aus den piezoelektrischen Materialien, den Varistorstapelmaterialien und den dazwischen angeordneten Elektrodenschichten 310 und 320 gemeinsam weiterverarbeitet. Insbesondere werden die Elektrodenschichten 310 im Multilagen Piezo-Aktorschichtstapel 10 gemeinsam mit den Elektrodenschichten 320 in dem Varistorstapel 200 mit der Spannungszuführungseinrichtung 400 kontaktiert. Die Spannungszuführungseinrichtung 400 kann eine Materialbahn aus einem Metall sein, die auf gegenüber liegenden Oberflächen O1000 der Stapelanordnung 1000 aufgebracht wird.The multilayer piezo actuator stack 10 and the varistor stack 200 become one on top of a single, monolithic stacking arrangement 1000 stacked. The material layers of the stack arrangement 1000 are then pressed and sintered. The following is the stacking arrangement 1000 from the piezoelectric materials, the varistor stack materials and the interposed electrode layers 310 and 320 further processed together. In particular, the electrode layers 310 in the multilayer piezo actuator layer stack 10 together with the electrode layers 320 in the varistor stack 200 with the voltage supply device 400 contacted. The voltage supply device 400 may be a web of metal on opposing surfaces O1000 the stack arrangement 1000 is applied.

Da die piezoelektrischen Schichten 100, die Materiallagen 210 des Varistors und die dazwischen angeordneten Elektrodenschichten gemeinsam gesintert werden (Co-firing), werden für beide Schichtstapel 10 und 200 Materialien verwendet, die in ihrem Sinter- und Schwundverhalten bestmöglich aufeinander angepasst beziehungsweise aufeinander abgestimmt sind. Es werden beispielsweise Materialien verwendet, deren Schwund bei einer Abkühlung nach dem Sintern zwischen 10 % bis 20 % beträgt.Because the piezoelectric layers 100 , the material layers 210 of the varistor and the interposed electrode layers are sintered together (co-firing), for both layer stacks 10 and 200 Materials used in their sintering and shrinkage behavior as best as possible adapted to each other or coordinated. For example, materials are used whose shrinkage upon cooling after sintering is between 10% to 20%.

Bei denen in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements sind die Materiallagen des Varistors und der Schichtstapel 10, der den piezoelektrischen Effekt aufweist, in einer gemeinsamen Stapelanordnung integriert. Es entsteht somit eine Stapelanordnung aus einem Multilagen-Piezoaktuator mit integriertem Schutzelement zum Schutz vor Überspannungen, beispielsweise einer elektrostatischen Entladung.In those in the 1 and 2 shown embodiments of a piezoelectric Aktuatorbauelements are the material layers of the varistor and the layer stack 10 having the piezoelectric effect integrated in a common stacking arrangement. Thus, a stack arrangement of a multi-layer piezoactuator with integrated protective element for protection against overvoltages, for example an electrostatic discharge, arises.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 21, 2
Piezoelektrisches AktuatorbauelementPiezoelectric actuator component
1010
Piezoelektrischer SchichtstapelPiezoelectric layer stack
100100
Stapel aus piezoelektrischen SchichtenStack of piezoelectric layers
110, 120110, 120
Piezoelektrische SchichtenPiezoelectric layers
200200
Varistorstapelvaristor stack
210210
Materiallage des VaristorsMaterial layer of the varistor
300300
Elektrodenschichtenelectrode layers
400400
SpannungszuführungseinrichtungVoltage feeder
500500
Inaktiver AktuatorbereichInactive actuator area
10001000
Stapelanordnung aus piezoelektrischen Schichtstapel und VaristorschichtstapelStack arrangement of piezoelectric layer stack and varistor layer stack
O1000O1000
Oberfläche der StapelanordnungSurface of the stack arrangement

Claims (7)

Piezoelektrisches Aktuatorbauelement mit Überspannungsschutz, umfassend: - einen Schichtstapel (10) mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten (100, 110, 120), - einen Varistor (200) mit einer Vielzahl von Materiallagen (210), wobei eine der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten (110) in der Stapelanordnung (1000) an eine der Vielzahl der Materiallagen (210) des Varistors angrenzt, wobei die Vielzahl der piezoelektrischen Schichten (100, 110, 120) des Schichtstapels (10) und die Vielzahl der Materiallagen (210) des Varistors in einer Stapelanordnung (1000) übereinander gestapelt sind, - eine Vielzahl von Elektrodenschichten (300), wobei erste der Elektrodenschichten (310) in dem Schichtstapel (10) der piezoelektrischen Schichten (100, 110, 120) zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnet sind und zweite der Elektrodenschichten (320) in dem Varistor (200) zwischen der Vielzahl der Materiallagen des Varistors angeordnet sind, - eine Spannungszuführungseinrichtung (400) zur Zuführung einer Spannung an die Vielzahl der Elektrodenschichten (300), - wobei die Spannungszuführungseinrichtung (400) auf einer Oberfläche (O1000) der Stapelanordnung (1000) angeordnet ist, - wobei die Spannungszuführungseinrichtung (400) mit jeder der Vielzahl der ersten und zweiten der Elektrodenschichten (310, 320) kontaktiert ist.A surge arrester piezoelectric actuator comprising: - a layer stack (10) having a plurality of piezoelectric layers (100, 110, 120), - a varistor (200) having a plurality of layers of material (210), one of the plurality of piezoelectric layers ( 110) in the stacking arrangement (1000) adjoins one of the plurality of material layers (210) of the varistor, the plurality of piezoelectric layers (100, 110, 120) of the layer stack (10) and the plurality of material layers (210) of the varistor in a plurality of electrode layers (300), wherein first of the electrode layers (310) in the layer stack (10) of the piezoelectric layers (100, 110, 120) are arranged between the piezoelectric layers and second of the Electrode layers (320) are arranged in the varistor (200) between the plurality of material layers of the varistor, - a voltage supply device (4 00) for applying a voltage to the plurality of electrode layers (300), - wherein the voltage supply device (400) is arranged on a surface (O1000) of the stack arrangement (1000), wherein the voltage supply means (400) is contacted with each of the plurality of first and second electrode layers (310, 320). Piezoelektrisches Aktuatorbauelement nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Materiallagen (210) des Varistors zwischen der einen der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten (110) und einer weiteren der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten (120) angeordnet ist.Piezoelectric actuator component according to Claim 1 wherein the plurality of material layers (210) of the varistor is disposed between the one of the plurality of piezoelectric layers (110) and another one of the plurality of piezoelectric layers (120). Piezoelektrisches Aktuatorbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Vielzahl der Materiallagen (210) des Varistors an einer Seite des Schichtstapels (100) der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten (100, 110, 120) angeordnet ist.Piezoelectric actuator component according to one of Claims 1 or 2 wherein the plurality of layers of material (210) of the varistor is disposed on one side of the layer stack (100) of the plurality of piezoelectric layers (100, 110, 120). Piezoelektrisches Aktuatorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Material der Vielzahl der Materiallagen (210) des Varistors Zinkoxid enthält.Piezoelectric actuator component according to one of Claims 1 to 3 wherein the material of the plurality of material layers (210) of the varistor includes zinc oxide. Piezoelektrisches Aktuatorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Material der Vielzahl der Materiallagen (210) des Varistors Wismutoxid, Chromoxid oder Manganoxid enthält.Piezoelectric actuator component according to one of Claims 1 to 4 in which the material of the plurality of material layers (210) of the varistor contains bismuth oxide, chromium oxide or manganese oxide. Piezoelektrisches Aktuatorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vielzahl der Materiallagen (210) des Varistors eine Schichtdicke zwischen 300 µm und 600 µm aufweist.Piezoelectric actuator component according to one of Claims 1 to 5 , wherein the plurality of material layers (210) of the varistor has a layer thickness of between 300 μm and 600 μm. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements mit Überspannungsschutz, umfassend: - Bereitstellen eines Schichtstapels (10) mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten (100, 110, 120), - Bereitstellen eines Varistors (200) mit einer Vielzahl von Materiallagen (210), - Übereinanderstapeln des Schichtstapels (10) der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten und der Vielzahl der Materiallagen (210) des Varistors (200) zu einer Stapelanordnung (1000) derart, dass eine der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten (110) an eine der Vielzahl der Materiallagen (210) des Varistors angrenzt, - Anordnen einer Vielzahl von Elektrodenschichten (300) in der Stapelanordnung (1000) derart, dass erste der Elektrodenschichten (310) zwischen der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten (100, 110, 120) und zweite der Elektrodenschichten (320) in dem Varistor (200) zwischen der Vielzahl der Materiallagen des Varistors angeordnet sind, - Verpressen und Sintern der Stapelanordnung (1000) - Anordnen einer Spannungszuführungseinrichtung (400) auf einer Oberfläche (O1000) der Stapelanordnung (1000) derart, dass die Spannungszuführungseinrichtung (400) die ersten der Elektrodenschichten (310) und die zweiten der Elektrodenschichten (320) kontaktiert.A method of making a surge arrester piezoelectric actuator device, comprising: Providing a layer stack (10) having a plurality of piezoelectric layers (100, 110, 120), Providing a varistor (200) having a plurality of layers of material (210), Stacking the layer stack (10) of the plurality of piezoelectric layers and the plurality of material layers (210) of the varistor (200) into a stack arrangement (1000) such that one of the plurality of piezoelectric layers (110) is attached to one of the plurality of material layers ( 210) of the varistor adjoins, Arranging a plurality of electrode layers (300) in the stacking arrangement (1000) such that first of the electrode layers (310) is interposed between the plurality of piezoelectric layers (100, 110, 120) and second of the electrode layers (320) in the varistor (200) are arranged between the plurality of material layers of the varistor, - Pressing and sintering of the stack arrangement (1000) - arranging a voltage supply device (400) on a surface (O1000) of the stack arrangement (1000) such that the voltage supply device (400) contacts the first of the electrode layers (310) and the second of the electrode layers (320).
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