DE10225408A1

DE10225408A1 - Piezoactuator has envelope under mechanical tension molded at least partly around its surface, so that end pieces are pressed against bottom and top surfaces by envelope

Info

Publication number: DE10225408A1
Application number: DE2002125408
Authority: DE
Inventors: Steffen Riemer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2022-06-08
Also published as: DE10225408B4

Abstract

The piezo-actuator has a base body (4) with a stack (1) of piezoelectric layers (2) and intermediate electrode layers, end pieces (12a,12b) on the bottom and top surfaces (11a, 11b) and an envelope (7) under mechanical tension molded at least partly around its surface, so that the end pieces are pressed against the bottom and top surfaces by the envelope. An independent claim is also included for the following: (a) a method of manufacturing an inventive piezo-actuator.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit übereinanderliegenden piezoelektrischen Schichten und dazwischenliegenden Elektrodenschichten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Piezoaktors. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des Piezoaktors. The invention relates to a piezo actuator superimposed piezoelectric layers and intermediate Electrode layers. The invention further relates to a Method of manufacturing the piezo actuator. Furthermore, the Invention the use of the piezo actuator.

Aus der Druckschrift DE 190 08 471 A1 sind Piezoaktoren der eingangs genannten Art bekannt, bei denen der Grundkörper in eine hohlzylindrische Feder eingebaut ist, wodurch der Piezoaktor mit einer Druckspannung beaufschlagt ist. Durch das Aufbringen einer mechanischen Vorspannung auf einen Piezoaktor in Hubrichtung gelingt es, die elektromechanischen Kennwerte (insbesondere d₃₃) der Keramik zu steigern und somit die Auslenkung des Bauteils zu erhöhen. Zusätzlich ist es für den keramischen Werkstoff günstig, durch das Beaufschlagen des Bauteils mit einer der Arbeitsrichtung entgegengesetzten Vorspannung die internen mechanischen Zugspannungen, die vor allem innerhalb der Isolationszone auftreten, zu minimieren. From the document DE 190 08 471 A1, piezo actuators of the type mentioned at the outset are known, in which the base body is installed in a hollow cylindrical spring, as a result of which the piezo actuator is subjected to a compressive stress. By applying a mechanical preload to a piezo actuator in the stroke direction, it is possible to increase the electromechanical parameters (in particular d ₃₃ ) of the ceramic and thus to increase the deflection of the component. In addition, it is favorable for the ceramic material to minimize the internal mechanical tensile stresses that occur primarily within the insulation zone by subjecting the component to a pretension that is opposite to the working direction.

Der bekannte Piezoaktor hat den Nachteil, daß für die Herstellung der Rohrfeder ein großer Fertigungsaufwand erforderlich ist, der das Bauteil teuer macht. Darüber hinaus hat der bekannte Piezoaktor den Nachteil, daß der Einbau des Grundkörpers in die hohlzylindrische Feder fertigungstechnisch schwierig zu realisieren ist, womit der bekannte Piezoaktor unwirtschaftlich herzustellen ist. Darüber hinaus hat der bekannte Piezoaktor den Nachteil, daß zur Einstellung der mechanischen Vorspannung lediglich ein Parameter, nämlich die federnden Eigenschaften der hohlzylindrischen Feder zur Verfügung steht. The known piezo actuator has the disadvantage that for the Manufacture of the Bourdon tube a large manufacturing effort is required, which makes the component expensive. In addition, the known piezo actuator has the disadvantage that the installation of the Manufacturing body in the hollow cylindrical spring It is difficult to implement what the well-known piezo actuator is uneconomical to manufacture. In addition, the known piezo actuator has the disadvantage that to adjust the mechanical preload is only one parameter, namely the resilient properties of the hollow cylindrical spring Available.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Piezoaktor anzugeben, bei dem eine mechanische Vorspannung mit geringem Fertigungsaufwand herstellbar ist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Piezoaktors anzugeben. The object of the present invention is a piezo actuator specify where a mechanical preload with low Manufacturing effort is producible. It is also the task of present invention, a method for producing a to specify such a piezo actuator.

Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Piezoaktor nach Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Patentanspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Piezoaktors beziehungsweise des Verfahrens sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. These tasks are solved by a piezo actuator Claim 1 and by a method for the same Manufacture according to claim 15. Advantageous embodiments of the Piezo actuator or the method are the dependent claims.

Es wird ein Piezoaktor angegeben mit einem Grundkörper, der einen Stapel von übereinanderliegenden piezoelektrischen Schichten enthält. Zwischen den piezoelektrischen Schichten sind Elektrodenschichten angeordnet. Die Oberfläche des Grundkörpers ist wenigstens teilweise von einer unter mechanischer Zugspannung stehenden Hülle umspritzt. Der Grundkörper weist eine Grundfläche und eine Deckfläche auf. An der Grundfläche und an der Deckfläche ist jeweils ein Endstück angeordnet. Die Endstücke sind von der Hülle gegen die Grundfläche beziehungsweise die Deckfläche des Grundkörpers gedrückt. A piezo actuator is specified with a base body that a stack of stacked piezoelectric Contains layers. Between the piezoelectric layers electrode layers are arranged. The surface of the The base body is at least partially under one overmolded mechanical tension standing shell. The Base body has a base area and a cover area. At the Base and on the top surface is an end piece arranged. The end pieces are from the shell against the Base area or the top surface of the base body pressed.

Der Piezoaktor hat den Vorteil, daß die mechanische Vorspannung auf einfache und billig zu realisierende Weise durch Umspritzen des Grundkörpers mit einer Hülle hergestellt werden kann. Dadurch können bei der Herstellung des Piezoaktors Kosten eingespart werden. The piezo actuator has the advantage that the mechanical Pre-tensioning in a simple and inexpensive manner Injection molding of the base body to be produced with a cover can. This allows for the manufacture of the piezo actuator Costs can be saved.

Es wird ferner ein Piezoaktor angegeben, bei dem wenigstens ein Endstück einen Mittelabschnitt aufweist, der gegenüber einem Randabschnitt des Endstücks erhaben ist. Der Randabschnitt des Endstücks ist von der Hülle bedeckt. Diese Formgebung des Endstücks hat den Vorteil, daß der mechanische Kontakt zwischen dem Piezoaktor und einer vom Piezoaktor anzutreibenden mechanischen Funktionseinheit über das Endstück geführt wird. Der Randabschnitt dient dann dazu, mittels der Zugspannung der Hülle das Endstück gegen den Grundkörper zu drücken. Die für das Umspritzen des Grundkörpers verwendeten Stoffe sind beispielsweise Kunststoffe, die eine nicht ausreichende mechanische Stabilität aufweisen, um direkt mechanisch mit weiteren Komponenten zusammenzuwirken. A piezo actuator is also specified in which at least an end piece has a central portion opposite an edge portion of the end piece is raised. The The edge section of the end piece is covered by the casing. This Shape of the end piece has the advantage that the mechanical Contact between the piezo actuator and one from the piezo actuator mechanical functional unit to be driven via the end piece to be led. The edge section then serves the purpose of Tension the sheath the end piece against the body to press. The used for the encapsulation of the base body For example, fabrics are plastics that one is not have sufficient mechanical stability to directly interact mechanically with other components.

Ferner ist es durch die spezielle Formgebung möglich, die Auslenkung des Piezoaktors über ein sehr steifes Endstück, das heißt über ein Endstück, dessen Elastizitätsmodul sehr groß ist, direkt an weitere mechanische Komponenten weiterzuleiten, ohne Auslenkung in einer möglicherweise sehr elastischen Hülle zu verlieren. Furthermore, it is possible through the special shape that Deflection of the piezo actuator over a very stiff end piece, that is, via an end piece, the modulus of elasticity of which is very high is large, directly to other mechanical components forward without any deflection in a possibly very lose elastic shell.

Demnach ist es vorteilhaft, wenn die Endstücke aus einem Material bestehen, das einen Steifemodul aufweist, der größer ist als 100 GPa. Accordingly, it is advantageous if the end pieces from one Material exist that has a stiffness module that is larger is as 100 GPa.

Ein Endstück aus einem Werkstoff mit möglichst großem Steifemodul kann einen möglichst verlustfreien Kraftschluß zu weiteren mechanischen Komponenten ermöglichen. An end piece made from a material that is as large as possible Rigid module can ensure a loss-free frictional connection enable further mechanical components.

Beispielsweise kommt für die Endstücke als Werkstoff Stahl in Betracht. For example, steel comes in for the end pieces Consideration.

Die Endstücke können vorteilhafterweise rotationssymmetrisch gestaltet sein. Dies ist vorteilhaft, da die maximale Auslenkung von Piezoaktoren im Kopfbereich derselben ebenfalls rotationssymmetrisch erfolgt und somit eine optimale rotationssymmetrische kraftschlüssige Verbindung gewährleistet ist. The end pieces can advantageously be rotationally symmetrical be designed. This is advantageous because the maximum Deflection of piezo actuators in the head area of the same also rotationally symmetrical and thus an optimal rotationally symmetrical non-positive connection is guaranteed.

Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn das obere oder untere Endstück einen Mittelbereich aufweist, der über die Hülle 7 hinausragt. Dies hat den Vorteil, daß durch Anschleifen des Mittelbereichs eine Längenanpassung des Piezoaktors realisiert werden kann, ohne die möglicherweise aus empfindlichem Material bestehende Hülle zu stark mechanisch zu beschädigen. Furthermore, it is advantageous if the upper or lower end piece has a central region which projects beyond the casing 7 . This has the advantage that a length adjustment of the piezo actuator can be achieved by grinding the central region without mechanically damaging the casing, which may be made of sensitive material.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Piezoaktor ferner ein elektrisches Kontaktelement zur Kontaktierung von Elektrodenschichten aufweist. Das elektrische Kontaktelement kann ebenso wie die Endstücke durch die Hülle auf die Oberfläche des Grundkörpers gedrückt werden und im Falle von bis an den Rand des Grundkörpers ragenden Elektrodenschichten diese elektrisch kontaktieren. In addition, it is advantageous if the piezo actuator is furthermore an electrical contact element for contacting Has electrode layers. The electrical contact element can just like the end pieces through the shell onto the surface of the base body are pressed and in the case of up to the Electrode layers protruding from the edge of the base body electrical contact.

Der Piezoaktor hat den Vorteil, daß aufgrund der durch Spritzguß hergestellten Hülle eine sehr einfache Art der Kontaktierung der Elektrodenschichten angegeben wird. Mit Ausnahme des Kontaktelements und der Hülle selbst werden keine weiteren Elemente benötigt. The piezo actuator has the advantage that due to the Injection molded casing is a very simple type of Contacting of the electrode layers is specified. With Except for the contact element and the shell itself, none other elements needed.

Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung des Piezoaktors angegeben, wobei ein Grundkörper mit einem Stapel von übereinanderliegenden piezoelektrischen Schichten und dazwischenliegenden Elektrodenschichten und mit an dessen Grund- und Deckfläche anliegenden Endstücken von einem Thermoplast umspritzt wird zur Bildung einer Hülle des Piezoaktors. It also becomes a method of manufacturing the piezo actuator specified, being a base body with a stack of superimposed piezoelectric layers and intermediate electrode layers and with its base and End faces of a thermoplastic is overmolded to form a shell of the piezo actuator.

Das Verfahren hat den Vorteil, daß das Umspritzen des Grundkörpers mit dem Thermoplast bei unterschiedlichen Temperaturen des für das Umspritzen benutzten Spritzwerkzeugs erfolgen kann, wodurch eine die Zugspannung der Hülle bestimmende Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur bei der Herstellung der Hülle und beim Betrieb des Aktors eingestellt werden kann. The method has the advantage that the encapsulation of the Basic body with the thermoplastic at different Temperatures of the injection mold used for the encapsulation take place can, which determines the tensile stress of the casing Temperature difference between the temperature during manufacture the shell and when operating the actuator can.

Da sowohl die Herstellungstemperatur der Hülle als auch die maximale Betriebstemperatur des Aktors gut bekannte Werte sind, kann eine Mindestkontaktkraft zwischen dem Kontaktelement und dem Grundkörper leicht eingestellt werden. Since both the manufacturing temperature of the shell and the maximum operating temperature of the actuator well known values there may be a minimum contact force between the Contact element and the base body can be easily adjusted.

Ferner kann durch Kontrolle der Temperaturen die mechanische Vorspannung in Längsrichtung des Piezoaktors sehr genau eingestellt werden. Furthermore, the mechanical Preload in the longitudinal direction of the piezo actuator is very precise can be set.

Die Mindestkontaktkraft beziehungsweise mechanische Vorspannung wird dabei bestimmt durch den Unterschied der Temperatur für die Herstellung der Hülle und der maximalen Betriebstemperatur des Aktors. Die maximale Betriebstemperatur des Aktors muß so gewählt werden, daß sie kleiner ist als die Temperatur der Herstellung der Hülle, wodurch gewährleistet wird, daß das Schrumpfen der Hülle bei Abkühlung einen ausreichenden Kontaktdruck erzeugt beziehungsweise daß dauerhaft eine ausreichende mechanische Vorspannung in Längsrichtung des Piezoaktors erzeugt wird. The minimum contact force or mechanical Preload is determined by the difference in temperature for the manufacture of the envelope and the maximum Operating temperature of the actuator. The maximum operating temperature of the Actuator must be selected so that it is smaller than that Temperature of the manufacture of the casing, which ensures is that the shrinking of the shell when cooling a generates sufficient contact pressure or that permanently sufficient mechanical pretension in the longitudinal direction of the piezo actuator is generated.

Es ist insbesondere möglich, den Piezoaktor so zu verwenden, daß die maximale Betriebstemperatur einen Wert nicht überschreitet, der einen Mindestkontaktdruck des Kontaktelements auf den Grundkörper gewährleistet beziehungsweise der eine Mindestvorspannung des Piezoaktors gewährleistet. In particular, it is possible to use the piezo actuator in such a way that the maximum operating temperature does not have a value exceeds the minimum contact pressure of the contact element guaranteed to the base body or one Minimum bias of the piezo actuator guaranteed.

Zur Fixierung des Kontaktelements während des Umspritzens kann das Kontaktelement mittels eines Schrumpfschlauchs oder auch mittels eines vorgefertigten Halbzeugs - vorzugsweise aus demselben Material wie die Hülle und in Form von zwei den Grundkörper umschließenden Halbschalen - auf dem Grundkörper fixiert sein. Dies hat neben der Fixierungswirkung noch den Vorteil, daß ein Unterspritzen des Kontaktelements und damit die Gefahr einer Unterbrechung des elektrischen Kontakts zwischen dem Kontaktelement und dem Grundkörper beziehungsweise den im Grundkörper befindlichen Elektrodenschichten vermindert werden kann. For fixing the contact element during overmolding can the contact element by means of a shrink tube or also by means of a prefabricated semi-finished product - preferably made of the same material as the cover and in the form of two Half-shells enclosing the base body - on the base body be fixed. In addition to the fixing effect, this also has the Advantage that an injection of the contact element and thus the danger of an interruption of the electrical contact between the contact element and the base body respectively the electrode layers in the base body can be reduced.

Darüber hinaus ist ein Verfahren vorteilhaft, wobei ein mit einem auf dem Grundkörper anliegenden Kontaktelement versehener Grundkörper von dem Thermoplasten umspritzt wird. Dies hat den Vorteil, daß neben der Herstellung einer mechanischen Vorspannung auch gleichzeitig noch die Kontaktierung des Grundkörpers erzeugt werden kann. In addition, a method is advantageous, with a a contact element resting on the base body provided base body is encapsulated by the thermoplastic. This has the advantage that in addition to the production of a mechanical Preload also simultaneously contacting the Base body can be generated.

Der Kontaktdruck zwischen dem Kontaktelement und dem Schichtstapel beziehungsweise die mechanische Vorspannung kann auch durch Wahl eines geeigneten Kunststoffs hergestellt werden, da der Kontaktdruck beziehungsweise die Spannung, unter der die Hülle steht, sehr stark vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des für die Hülle verwendeten Kunststoffs abhängt. The contact pressure between the contact element and the Layer stack or the mechanical prestress can also be made by choosing a suitable plastic, because the contact pressure or the voltage under which the shell is very strong from the thermal Expansion coefficient of the plastic used for the shell depends.

Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Kontaktelement und dem Grundkörper ein elektrisch leitfähiges Gleitmittel angeordnet ist. Durch ein solches Gleitmittel kann das Abreißen des elektrischen Kontakts zwischen dem Kontaktelement und Elektrodenschichten aufgrund der Dehnung des Piezoaktors gegenüber der Hülle wirksam vermindert werden. Furthermore, it is advantageous if between the Contact element and the base body is an electrically conductive Lubricant is arranged. Such a lubricant can Tear off the electrical contact between the Contact element and electrode layers due to the expansion of the Piezo actuator can be effectively reduced compared to the shell.

Das elektrisch leitfähige Gleitmittel kann beispielsweise Graphit sein. Der Graphit kann sowohl durch Siebdrucken auf den Grundkörper als auch auf dem Kontaktelement aufgebracht sein. Unmittelbar auf der Oberfläche des Grundkörpers kann eine durch Siebdruck und/oder Sputtern aufgebrachte Grundmetallisierung vorhanden sein. Die Grundmetallisierung kann aber auch durch eine auf den Grundkörper aufgebrachte Graphitschicht ersetzt werden. The electrically conductive lubricant can, for example Be graphite. The graphite can be screen printed on both applied the base body as well as on the contact element his. Can be directly on the surface of the base body one applied by screen printing and / or sputtering Base metallization should be present. The basic metallization can but also by an applied to the base body Graphite layer to be replaced.

Desweiteren kann auf zwei gegenüberliegenden Längsseiten des Grundkörpers jeweils ein Kontaktelement angeordnet und mittels der unter Zugspannung stehenden Hülle auf den Grundkörper gedrückt sein. Dies hat den Vorteil, daß Aktoren gebildet werden können, die mit zwei elektrischen Anschlüssen sicher kontaktiert sind und die es demnach ermöglichen, den Piezoaktor mit einer Potentialdifferenz zu betreiben. Furthermore, on two opposite long sides of the Base body each arranged a contact element and by means of the tensioned shell on the Be pressed. This has the advantage that actuators are formed be safe with two electrical connections are contacted and therefore enable the Operate piezo actuator with a potential difference.

Die Umhüllung hat weiters den Vorteil, daß oberflächliche Überschläge gegenpoliger Elektroden vermieden werden können. The coating also has the advantage that superficial Arcing of opposite polarity electrodes can be avoided.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Hülle elektrisch isolierend ist, da so eine wirksame elektrische Isolierung gegenüber der Umgebung des Piezoaktors erreicht werden kann. Im Falle von zwei an der Außenseite des Grundkörpers angeordneten Kontaktelementen hat eine isolierende Hülle noch den Vorteil, daß Kurzschlüsse zwischen den Kontaktelementen vermieden werden können. In addition, it is advantageous if the cover is electrical is insulating because it is an effective electrical insulation can be achieved compared to the surroundings of the piezo actuator. In the case of two on the outside of the body arranged contact elements still has an insulating sheath Advantage that short circuits between the contact elements can be avoided.

Die Kontaktelemente können elektrisch leitfähige, metallhaltige Stifte sein. Hierzu eignen sich insbesondere Stifte aus Stahl oder auch aus Kupfer. The contact elements can be electrically conductive, be metal-containing pins. Pins are particularly suitable for this Steel or copper.

Darüber hinaus können die Kontaktelemente auch als elektrisch leitfähige Folie, beispielsweise als Aluminiumfolie ausgebildet sein. In addition, the contact elements can also be considered electrical conductive foil, for example as aluminum foil be trained.

Die Herstellung des Piezoaktors erfolgt vorteilhafterweise mittels eines Spritzwerkzeugs, dessen Werkzeugtemperatur 180°C bis 250°C beträgt. Dieser Temperaturbereich ist einerseits so hoch, daß die üblicherweise auftretenden maximalen Betriebstemperaturen überschritten werden, wodurch die Hülle dauerhaft unter Zugspannung stehen kann. Darüber hinaus hat der beschriebene Temperaturbereich den Vorteil, daß er dazu geeignet ist, Kunststoffe wie beispielsweise Polyaryletherketon (PEEK), Polyethersulfon (PES), Polyamidimid (PAI) sowie weitere Thermoplaste zu verarbeiten. The piezo actuator is advantageously manufactured by means of an injection mold, the mold temperature of which is 180 ° C is up to 250 ° C. This temperature range is one hand so high that the usually occurring maximum Operating temperatures are exceeded, causing the sheath can be permanently under tension. It also has the temperature range described has the advantage that it does so is suitable for plastics such as Polyaryl ether ketone (PEEK), polyether sulfone (PES), polyamide imide (PAI) as well to process further thermoplastics.

Die Verwendung des Piezoaktors erfolgt demnach vorteilhafterweise bei einer maximalen Betriebstemperatur zwischen 140°C und 200°C. Dieses Temperaturintervall entspricht den Betriebsbedingungen, die typischerweise für einen Piezoaktor, beispielsweise im Kfz-Bereich, einschlägig sind. Accordingly, the piezo actuator is used advantageously at a maximum operating temperature between 140 ° C and 200 ° C. This temperature interval corresponds to the Operating conditions that are typical for a piezo actuator, for example in the automotive sector.

Die Kontaktelemente werden vorteilhafterweise aus einem Material gefertigt, dessen spezifischer Widerstand kleiner oder gleich dem spezifischen Widerstand von Stahl entspricht und die kurzzeitig Spitzenströme von zirka 40 A transportieren können. The contact elements are advantageously made of one Made of material whose resistivity is less than or equals the specific resistance of steel and that temporarily transport peak currents of around 40 A. can.

Die Umhüllung des Aktors mittels Spritzguß hat noch den Vorteil, daß der aufgespritzte Kunststoff eine gute Haftung auf der Aktoroberfläche aufweist, weswegen eine hervorragende Isolation des Aktors gegenüber elektrischen Spannungen sowie Feuchtigkeit gegeben ist. Darüber hinaus kann die Migration des gegebenenfalls zwischen dem Kontaktelement und dem Grundkörper angeordneten leitenden Schmiermittels (z. B. Graphit) wirksam reduziert werden. The coating of the actuator by means of injection molding still has the Advantage that the sprayed plastic has good adhesion has the actuator surface, which is why an excellent Isolation of the actuator from electrical voltages as well Moisture is given. In addition, the migration if necessary between the contact element and the Basic body of conductive lubricant (e.g. graphite) be effectively reduced.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. In the following the invention is based on a Embodiment and the associated figures explained.

Fig. 1 zeigt beispielhaft einen Piezoaktor in einem schematischen Längsschnitt. Fig. 1 shows an example of a piezoelectric actuator in a schematic longitudinal section.

Fig. 2 zeigt beispielhaft einen weiteren Piezoaktor in einem schematischen Längsschnitt. Fig. 2 shows an example of a further piezo actuator in a schematic longitudinal section.

Fig. 3 zeigt den Piezoaktor aus Fig. 2 teils in einem Querschnitt und teils in einer Draufsicht. FIG. 3 shows the piezo actuator from FIG. 2 partly in a cross section and partly in a plan view.

Fig. 4 zeigt den inneren Aufbau eines Teils des Piezoaktors aus Fig. 2. FIG. 4 shows the internal structure of part of the piezo actuator from FIG. 2.

Fig. 5 zeigt eine zweiteilige Schale eines Halbzeugs. Fig. 5 shows a two-part shell of a semi-finished product.

Fig. 1 zeigt einen Piezoaktor mit einem Grundkörper 4, der einen Stapel 1 aus übereinanderliegenden piezoelektrischen Schichten 2 umfaßt. Fig. 1 shows a piezoactuator having a base body 4, which comprises a stack 1 of superimposed piezoelectric layers 2.

Auf der Grundfläche 11a sowie auf der Deckfläche 11b des Grundkörpers 4 ist jeweils ein Endstück 12a, 12b angeordnet. Die Endstücke 12a, 12b sind durch eine unter Zugspannung stehende Hülle 7 gegen den Grundkörper 4 gedrückt. Die Endstücke 12a, 12b weisen einen Mittelabschnitt 13 auf, der gegenüber einem Randabschnitt 14 erhaben ist. Dabei bedeckt die Hülle 7 lediglich die Randabschnitte 14 der Endstücke. Der Mittelabschnitt 13 des oberen Endstücks 12a ragt über die Hülle 7 hinaus und kann durch Beschleifen an eine bestimmte Länge angepaßt werden. An end piece 12 a, 12 b is arranged on the base surface 11 a and on the cover surface 11 b of the base body 4 . The end pieces 12 a, 12 b are pressed against the base body 4 by a sheath 7 under tension. The end pieces 12 a, 12 b have a central section 13 which is raised relative to an edge section 14 . The cover 7 only covers the edge portions 14 of the end pieces. The central portion 13 of the upper end piece 12 a protrudes beyond the shell 7 and can be adapted to a certain length by grinding.

Fig. 2 zeigt einen Piezoaktor mit einem Grundkörper 4, der einen Stapel 1 aus übereinanderliegenden piezoelektrischen Schichten 2 umfaßt. Zusätzlich zu Fig. 1 zeigt Fig. 2 noch folgendes: Auf der linken und auf der rechten Seite des Grundkörpers 4 sind elektrische Kontaktelemente 6, 6a angeordnet, die durch die unter Zugspannung stehende Hülle 7 auf den Grundkörper 4 gedrückt werden und die die in Fig. 3 gezeigten Elektrodenschichten kontaktieren. Zwischen den Kontaktelementen 6, 6a und der Oberfläche des Grundkörpers 4 sind elektrische Kontaktschichten 5 angeordnet. Zum Fixieren der Kontaktelemente 6, 6a sind diese vor dem Umspritzen noch durch ein Halbzeug (Fig. 5) in Position gebracht worden. Zur Weiterkontaktierung mit weiteren elektrischen Bauelementen oder auch mit einer Spannungsquelle sind die elektrischen Kontaktelemente 6, 6a nach oben hinaus verlängert. Entsprechend ragt der Mittelabschnitt 13 des unteren Endstücks 12b über die Hülle 7 hinaus. Fig. 2 shows a piezoactuator having a base body 4, which comprises a stack 1 of superimposed piezoelectric layers 2. In addition to FIG. 1, FIG. 2 also shows the following: On the left and on the right side of the base body 4 , electrical contact elements 6 , 6 a are arranged, which are pressed onto the base body 4 by the sheath 7 , which is under tension, and which in Fig. 3 contact electrode layers. Electrical contact layers 5 are arranged between the contact elements 6 , 6 a and the surface of the base body 4 . To fix the contact elements 6 , 6 a, they have been brought into position by a semi-finished product ( FIG. 5) before the extrusion coating. For further contacting with further electrical components or also with a voltage source, the electrical contact elements 6 , 6 a are extended upwards. Accordingly, the central portion 13 projects the lower end portion 12 b beyond the sheath. 7

Fig. 3 zeigt die auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers 4 aufgebrachten elektrischen Kontaktelemente 6, 6a in Form von halbrunden Stäben aus Stahl. Zwischen den Kontaktelementen 6, 6a ist ein elektrisch leitfähiges Gleitmittel 9 in Form von Graphit angeordnet. Die in Fig. 3 dargestellte Querschnittsebene zeigt eine piezoelektrische Schicht 2. Oberhalb und unterhalb der piezoelektrischen Schicht 2 ist jeweils eine Elektrodenschicht angeordnet, wobei die obere Elektrodenschicht mit dem elektrischen Kontaktelement 6a und die untere Elektrodenschicht mit dem elektrischen Kontaktelement 6 kontaktiert ist. Ebenfalls in Fig. 3 ist das Halbzeug 8 sowie die Hülle 7 dargestellt, mit der der Grundkörper teilweise (vgl. Fig. 2) umspritzt ist. Innerhalb der piezoelektrischen Schicht 2 ist noch das obere Endstück 12b in einer Draufsicht dargestellt. Das obere Endstück 12b ist rotationssymmetrisch um eine Mittelachse gestaltet. Es weist einen Randabschnitt 14 sowie einen Mittelabschnitt 13 auf. Fig. 3 shows the applied on opposite sides of the base body 4 electrical contact elements 6 , 6 a in the form of semicircular rods made of steel. An electrically conductive lubricant 9 in the form of graphite is arranged between the contact elements 6 , 6 a. The cross-sectional plane shown in FIG. 3 shows a piezoelectric layer 2 . An electrode layer is arranged above and below the piezoelectric layer 2 , the upper electrode layer being in contact with the electrical contact element 6 a and the lower electrode layer in contact with the electrical contact element 6 . Also shown in Fig. 3 is the semi-finished product 8 and the shell 7 , with which the base body is partially overmolded (see FIG. 2). Within the piezoelectric layer 2 , the upper end piece 12 b is also shown in a plan view. The upper end piece 12 b is rotationally symmetrical about a central axis. It has an edge section 14 and a middle section 13 .

Fig. 4 zeigt einen Piezoaktor mit einem Stapel 1 von übereinanderliegenden piezoelektrischen Schichten 2. Die piezoelektrischen Schichten 2 bestehen aus einer Piezokeramik, welche 67 Gew.-% Pb₃O₄, zirka 1 Gew.-% Nd₂O₃, 21 Gew.-% ZrO₂ und zirka 11 Gew.-% TiO₂ aufweist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Piezokeramik beschränkt, sondern kann mit sämtlichen piezoelektrischen Schichten 2 verwirklicht werden, die geeignete piezoelektrischen Eigenschaften aufweisen. FIG. 4 shows a piezo actuator with a stack 1 of piezoelectric layers 2 lying one above the other. The piezoelectric layers 2 consist of a piezoceramic which has 67% by weight of Pb ₃ O ₄ , approximately 1% by weight of Nd ₂ O ₃ , 21% by weight of ZrO ₂ and approximately 11% by weight of TiO ₂ . However, the invention is not limited to such a piezoceramic, but can be implemented with all piezoelectric layers 2 which have suitable piezoelectric properties.

Der Stapel 1 weist Elektrodenschichten 3 auf, die kammartig ineinander greifen, wodurch sich die piezoelektrischen Effekte vieler piezoelektrischer Schichten 2 aufsummieren. Die Elektrodenschichten 3 bestehen aus einer Mischung von Silber und Palladium im Gewichtsverhältnis zwischen 90/10 und 70/30. Der Stapel 1 ist durch gemeinsames Sintern von Elektrodenschichten 3 und piezoelektrischen Schichten 2 hergestellt, weswegen als Elektrodenschichten 3 alle bei Sinterbedingungen stabile Metalle beziehungsweise Metallegierungen geeignet sind. So kommen insbesondere auch Elektrodenschichten 3 aus Kupfer in Betracht. Die jeweils zu einem Kamm gehörenden Elektrodenschichten 3 sind mittels einer an der Außenseite des Stapels 1 angebrachten Kontaktschicht 5 elektrisch leitend miteinander verbunden. Diese Kontaktschicht 5 kann beispielsweise aus einer Silber-Einbrennpaste hergestellt sein. The stack 1 has electrode layers 3 which intermesh like a comb, as a result of which the piezoelectric effects of many piezoelectric layers 2 add up. The electrode layers 3 consist of a mixture of silver and palladium in a weight ratio between 90/10 and 70/30. The stack 1 is produced by jointly sintering electrode layers 3 and piezoelectric layers 2 , which is why all metals or metal alloys that are stable under sintering conditions are suitable as electrode layers 3 . Electrode layers 3 made of copper are particularly suitable. The electrode layers 3 each belonging to a comb are electrically conductively connected to one another by means of a contact layer 5 attached to the outside of the stack 1 . This contact layer 5 can be made, for example, of a silver baking paste.

Der Stapel 1 hat die Form eines Quaders mit einer Grundfläche mit einer Breite von 4-8 mm und einer Höhe von 10-100 mm. The stack 1 has the shape of a cuboid with a base area with a width of 4-8 mm and a height of 10-100 mm.

Bei Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung zwischen den Kontaktschichten 5 dehnt sich der Stapel 1 in die mit den beiden Pfeilen bezeichnete Richtung aus, und zwar vorzugsweise in einem Mittelbereich M, in dem die Elektrodenschichten 3 einander überlappen. In einem Randbereich R, in dem die Elektrodenschichten 3 einander nicht überlappen (passive Zone), dehnt sich der Stapel 1 dementsprechend wesentlich weniger aus. When a suitable electrical voltage is applied between the contact layers 5 , the stack 1 expands in the direction indicated by the two arrows, preferably in a central region M in which the electrode layers 3 overlap one another. In an edge region R in which the electrode layers 3 do not overlap one another (passive zone), the stack 1 accordingly expands considerably less.

Fig. 5 zeigt ein aus einer oberen Halbschale 10a und einer unteren Halbschale 10b bestehendes Halbzeug zur Fixierung der Kontaktelemente entsprechend dem Schrumpfschlauch aus Fig. 2. Die Halbschalen 10a, 10b bestehen aus PEEK, PEEC, PES, PAI, PTFE oder aus einem anderen handelsüblichen Thermoplasten. Die beiden Halbschalen 10a, 10b weisen an den Stirnseiten Ausnehmungen auf, durch die die Mittelabschnitte der Endstücke nach außen ragen können. Bezugszeichenliste 1 Stapel
2 piezoelektrische Schicht
3 Elektrodenschicht
4 Grundkörper
5 Elektrische Kontaktschicht
6, 6a Elektrisches Kontaktelement
7 Hülle
8 Schrumpfschlauch
9 Gleitmittel
10a obere Halbschale
10b untere Halbschale
11a Grundfläche
11b Deckfläche
12a, b Endstücke
13 Mittelabschnitt
14 Randabschnitt
M Mittelbereich
R Randbereich
Fig. 5 10 shows a of an upper half-shell 10a and a lower half shell b existing semi-finished product for the fixation of the contact elements corresponding to the heat-shrinkable tube of FIG. 2. The half-shells 10 a, 10 b consist of PEEK, PEEC, PES, PAI, PTFE or from another commercially available thermoplastic. The two half-shells 10 a, 10 b have recesses on the end faces through which the middle sections of the end pieces can protrude outwards. Reference Signs List 1 stack
2 piezoelectric layer
3 electrode layer
4 basic bodies
5 Electrical contact layer
6 , 6 a Electrical contact element
7 case
8 heat shrink tubing
9 lubricants
10 a upper half-shell
10 b lower half-shell
11 a base area
11 b top surface
12a, b end pieces
13 middle section
14 edge section
M mid-range
R edge area

Claims

1. Piezo actuator

with a base body ( 4 ) which contains a stack ( 1 ) of piezoelectric layers ( 2 ) lying one above the other and electrode layers ( 3 ) lying between them,

- An end piece ( 12 a, 12 b) is arranged on the base surface ( 11 a) and top surface ( 11 b),

- the surface of which is at least partially extrusion-coated by a casing ( 7 ) under mechanical tensile stress,

- And in which the end pieces ( 12 a, 12 b) of the sleeve ( 7 ) against the base ( 11 a) or top surface ( 11 b) are pressed.

2. Piezo actuator according to claim 1, in which at least one end piece ( 12 a, 12 b) has a central section ( 13 ) which is raised relative to an edge section ( 14 ) of the end piece, and in which the edge section ( 14 ) of the envelope ( 7 ) is covered.

3. Piezo actuator according to one of claims 1 or 2, wherein the end pieces ( 12 a, 12 b) consist of a material which has a stiffness module which is greater than 100 GPa.

4. Piezo actuator according to one of claims 1 to 3, in which the end pieces ( 12 a, 12 b) are rotationally symmetrical.

5. Piezo actuator according to one of claims 1 to 4, in which an end piece ( 12 a, 12 b) has a central region ( 13 ) which projects beyond the casing ( 7 ).

6. Piezo actuator according to one of claims 1 to 5, in which the end pieces ( 12 a, 12 b) are made of steel.

7. Piezo actuator according to one of claims 1 to 6, in which the sheath ( 7 ) is electrically insulating.

8. Piezo actuator according to one of claims 1 to 7, in which the casing ( 7 ) contains a thermoplastic.

9. Piezo actuator according to one of claims 1 to 8,

- Which has an electrical contact element ( 6 ) for contacting electrode layers ( 3 ),

- And in which the electrical contact element ( 6 ) of the sleeve ( 7 ) on the surface of the base body ( 4 ) is pressed.

10. Piezo actuator according to claim 9, in which a shrink tube ( 8 ) is arranged between the sleeve ( 7 ) and the contact element ( 6 ).

11. Piezo actuator according to one of claims 9 to 10, in which an electrically conductive lubricant ( 9 ) is arranged between the contact element ( 6 ) and the base body ( 4 ).

12. Piezo actuator according to one of claims 9 to 11, with two on opposite longitudinal sides of the base body ( 4 ) arranged contact elements ( 6 , 6 a).

13. Piezo actuator according to one of claims 9 to 12, in which the contact elements ( 6 , 6 a) are electrically conductive, metal-containing pins.

14. Piezo actuator according to one of claims 9 to 13, in which the contact elements ( 6 , 6 a) contain an electrically conductive film.

15. The method for producing a piezo actuator according to one of claims 1 to 14, wherein a base body ( 4 ) with a stack ( 1 ) of superimposed piezoelectric layers ( 2 ) and intermediate electrode layers ( 3 ) and on the base surface ( 11 a) and on whose top surface ( 11 b) adjoining end pieces ( 12 a, 12 b) is molded by a thermoplastic to form a shell ( 7 ).

16. The method according to claim 15, the extrusion coating is carried out by means of an injection mold, whose temperature is between 180 ° C and 250 ° C.

17. The method according to any one of claims 15 to 16, the extrusion coating is carried out at a temperature which is greater is the maximum operating temperature of the actuator.

18. Use of a piezo actuator according to one of claims 1 up to 14 at a maximum operating temperature between 140 ° C and 200 ° C.

19. Use of a piezo actuator according to one of claims 1 to 14, at a maximum operating temperature which is selected so that the tensile stress of the sheath ( 7 ) is sufficient to produce a permanent mechanical bias of the piezo actuator.

20. Use of a piezo actuator according to one of claims 1 to 8, at a maximum operating temperature which is selected so that the tensile stress of the sheath ( 7 ) for reliable contacting of the contact element ( 6 ) with electrode layers ( 3 ) is sufficient.

21. Piezo actuator according to one of claims 9 to 14, in which a semifinished product ( 10 a, 10 b) is arranged between the sheath ( 7 ) and the contact element ( 6 ).