DE10257952A1

DE10257952A1 - Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10257952A1
Application number: DE10257952A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schoor
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2004-07-01

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, und ein Herstellungsverfahren vorgeschlagen, bei dem ein Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) mit dazwischen angeordneten Elektroden (3, 4) angeordnet ist. Bei einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung an Außenelektroden (5, 6) ist zwischen zwei Piezolagen im Bereich der an der jeweils gegenüberliegenden Seite kontaktierten Innenelektrode (3, 4) eine neutrale Phase ohne Innenelektrodenschicht vorhanden. Die Innenelektroden (3, 4) sind jeweils aus mehreren Druckschichten zusammengesetzt, wobei in der Folge der übereinander gedruckten Schichten sich verkleinernde Teilelektroden (10 bis 12, 13 bis 15; 16, 17; 18, 19) aufgedruckt sind, die an der Seite mit der größten Dicke jeweils im Anschlussbereich der Außenelektroden (5, 6) enden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.
Der Aufbau dieses Piezoaktors kann hier in mehreren Schichten als sogenannte Multilayer-Aktoren erfolgen, wobei die Innenelektroden, über die die elektrische Span nung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden. Hierzu werden zum Beispiel wechselseitig gestapelte sog. PZT-Folien mit aufgedruckten Elektrodenflächen als Innenelektroden hergestellt. Dabei hat eine Folie ihren Anschluss jeweils nur auf einer Anschlussseite und auf der gegenüberliegenden Seite muss ein Rand ohne Elektrode mit einem Isolationsabstand verbleiben. Außen werden dann die beiden Seiten durch Außenelektroden verbunden. So entsteht in an sich bekannter Weise der Piezoaktor wie ein Kondensator mit vielen Platten.
Üblicherweise werden die Innenelektroden in einem Durchgang, also eine Schicht, siebbedruckt. Damit erhält man eine ziemlich gleichmäßige Schichtdicke bis etwa 1 μm Dicke, wobei allerdings nur ca. 2–3 μm Schichtdicke im Produkt realisierbar ist und dabei jedoch sicherzustellen ist, dass ausreichend Querschnitt zum Stromfluss vorhanden ist. Der Werkstoff der Elektroden ist beispielsweise Silber-Palladium und somit sehr teuer.
Weiterhin ist zu beachten, dass die Ladung schnell in diese Schichten für die grundsätzliche Funktion des Piezoaktors als schneller Steller eingebracht werden muss, so dass hier ein hoher Strom fließt. Dünnere Schichten bedeuten hierbei eine höhere Belastung des Leiters und somit einen unerwünschten elektrischen Widerstand, der zu einer Stellzeitreduzierung und demzufolge auch zu Energieverlust, der bei einem Kraftfahrzeug aus der Batterie ausgeglichen werden muss, führt.
Falls die Kühlung der Leiterbahn der Innenelektroden bei der bekannten Anordnung nicht mehr ausreicht oder Überhitzungen der Leiterbahnen eintreten, kann der innere Anschluss an der Verbindung zur Außenelektrode abschmelzen mit Funkenbildung und Folgeschädigung der Piezokeramik. weiterhin kann auch ein Hubverlust des Piezoaktors oder eine sonst wie reduzierte Funktion bis zu einem Ausfall eintreten. Die Schichten der Innenelektroden sind somit nicht beliebig dünn realisierbar, da für eine sichere Funktion eine flächendeckende Mindestdicke erforderlich ist.
Es ist ein Piezoaktor der eingangs beschriebenen Art aus der DE 199 28 177 A1 bekannt, bei dem mit einer Formgebung des Mehrschichtaufbaus gezielt eine erhöhte mechanische Spannung im Bereich der neutralen Phasen zur Verhinderung der Rissbildung aufgebracht ist. Hierzu weisen besonders gestaltete Elektroden im Mehrschichtaufbau im Bereich der neutralen Phase jeweils eine Verdickung auf.
Vorteile der Erfindung
Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, ist in vorteilhafter Weise mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Elektroden aufgebaut, wobei die Innenelektroden des Mehrschichtaufbaus jeweils im Anschlussbereich der Außenelektroden eine Verdickung aufweisen. Erfindungsgemäß sind die Innenelektroden aus mehreren Druckschichten zusammengesetzt, wobei in der Folge der übereinandergedruckten Schichten sich verkleinernde Teilflächen aufgedruckt sind, die mit ihrem größten Querschnitt jeweils an den Anschlussbereich der Außenelektroden anschließen.
Bei unterschiedlichen Ausführungsformen können die sich verkleinernden Teilflächen in vorteilhafter Weise rechteckförmig, dreieck- oder sägezahnförmig sein.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Piezoaktors kann in einem ersten Verfahrensschritt eine Druckschicht für die gesamte Innenelektrodenfläche aufgebracht werden, beispielsweise mit einem Siebdruckverfahren, und in weiteren Verfahrensschritten werden Druckschichten mit fortlaufend kleineren Teilflächen aufgebracht. Beim Laminieren des Piezoaktors wird dann der gesamte Mehrschichtaufbau derart verpresst, dass der Höhenversatz der Druckschichten der Innenelektroden wechselseitig ausgeglichen wird.
Mit der Erfindung ist erreicht, dass möglichst große Stromflussquerschnitte für gleichmäßige und schnelle Ladungsverteilung in den Innenelektroden bereitgestellt werden, bei möglichst wenig Edelmetalleinsatz für die Innenelektroden und mit bis zu ca. 30% Einsparung der Siebdruckmasse. Ein wechselseitiges Stapeln zum Ausgleich der Schieflage ist dabei grundsätzlich durchführbar und zum Beispiel siebdrucktechnisch in mehreren Schritten einfach herstellbar. Das Layout des Druckes ist dabei so gestaltbar, dass ein lückenloses Ineinandergreifen ohne Hohlräume im Stapel erfolgt und keine Veränderungen der Außenabmessungen sowie nur geringe elektrische Verluste auftreten.
Die Ladung verteilt sich durch die Keilform der Innenelektroden nahezu gleichmäßig auf die gesamte Fläche, so dass am Eingang ein hoher Strom, kurz vor dem Ende der Leiterbahn der Innenelektrodenbahn ein geringer Strom fließt. Besonders günstig ist es, wenn ein Flächenleiter mit möglichst gleicher Stromdichte im jeweiligen Querschnitt entsteht, so dass der Leitungswiderstand der Stromstärke reziprok angenähert wird. Im Vergleich zu einer konstanten Schichtdicke von 2 μm können ca. 25% Material und zu einer konstanten Schichtdicke von 3 μm können ca. 33% des teuren Edelmetalls der Innenelektroden eingespart werden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und Elektroden nach dem Stand der Technik,
2 eine Draufsicht auf den Lagenaufbau der Innenelektroden nach der 1 mit den wechselseitigen elektrischen Anschlüssen,
3a und 3b eine Draufsicht und eine Schnittansicht auf die erfindungsgemäße Anordnung von mehren sich verkleinernden Druckschichten in Rechteckform,
4 und 5 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung von mehren keil- oder sägezahnförmig sich verkleinernden Druckschichten und
6 bis 8 Detailansichten des Ausführungsbeispiels nach den 4 und 5 zur Erläuterung der gegeneinander versetzten Teilflächen der Innenelektroden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Piezoaktor 1 im Prinzip nach dem Stand der Technik gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezofolien 2 eines Quarzmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden 3 und 4 über Kontaktflächen 5 und 6 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt.
In 2 ist eine Draufsicht auf eine Elektrode 3 und auf eine durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnete Innenelektrode 4 gezeigt, wobei zu erkennen ist, dass die Innenelektrode 3 links an die Außenelektrode 5 und die Innenelektrode 4 rechts an die Außenelektrode 6 angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist eine links angeschlossene Innenelektrode nach 3a durch rechteckförmige Teilelektroden 10, 11 und 12 ausgebildet, deren geometrische Formen in 3b in der Schnittansicht zu erkennen sind. Hier ist auch die darunter liegende rechts angebundene Innenelektrode erkennbar, die ebenfalls durch Teilelektroden 13, 14 und 15 gebildet ist.
Nach der Erfindung erfolgt das Aufbringen der Teilelektroden 12 oder 15 jeweils vorzugsweise in einer dünnen Siebdruckschicht, z.B. von 1 μm Dicke für die gesamte zu bedruckende Fläche. Im zweiten Schritt wird jeweils eine kleinere Teilfläche 11 oder 14, beginnend am Kontaktierungsrand zu den Außenelektroden 5 oder 6 aufgetragen und in weiteren Schritten werden weitere verkleinerte Flächen, hier Teilelektroden 10 oder 13, im Siebdruckverfahren aufgedruckt. Die Formen sind dabei so gewählt, dass bei wechselseitigem Stapeln vieler Schichten, hier jeweils um 180° verdreht, aufsummiert keine Hohlräume entstehen können.
Die Fügeformen der Teilelektroden können wie bei den 3a und 3b aus Rechteckflächen bestehen oder, wie anhand von 4 bis 8 noch erläutert, auch aus dreieckförmigen oder auch sägezahnförmigen Flächen bestehen.
Beim Laminieren wird der zuvor beschriebene Stapel verpresst und der Höhenversatz wechselseitig ausgeglichen. Bei resultierenden Piezokeramik-Schichten von 70μ100 μm ergeben Schichtdickenschwankungen von ca. 2 μm hier nur sehr geringe Winkelfehler. Diese gleichen sich aber durch die wechselseitige Anbindung an die Außenelektroden 5 und 6 aber paarweise immer aus. Vorteilhaft können insgesamt zwei oder drei Siebdruckschichten hergestellt werden, da einerseits die minimale Druckdicke etwa 1 μm beträgt und andererseits dann die Gesamtdicke der Innenelektrode dicker wird als erforderlich.
Beim Ausführungsbeispiel nach der 4 sind Teilelektroden 16 und 17 gezeigt, die aus gleichschenkligen Dreiecken bestehen, wobei die Gegenseite dann immer das passende, versetzte Dreieck bildet. Beim Ausführungsbeispiel nach der 5 sind Teilelektroden 18 und 19 gezeigt, die aus Dreiecken mit einem rechten Winkel bestehen, wobei auch hier die Dreiecke auf Umschlag genau ineinander passen, so dass wiederum der Höhenausgleich hergestellt werden kann.
Vorteilhaft hierbei ist, dass immer das gleiche Muster im Siebdruckverfahren verwendet werden kann und immer das gleiche Vorgehen erfolgt, so dass der bisher übliche Herstell- und Siebdruckprozess beibehalten werden kann. In der Abfolge der 6 bis 8 ist dieses Vorgehen beim Ineinanderpassen der Teilelektroden 18 und 19 aus der 5 im Detail gezeigt. Auch hier ist wieder der Höhen- und Volumenausgleich mit der jeweils nächsten, gewechselt eingesetzten Piezofolie gewährleistet.

Claims

Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwischen angeordneten Innenelektroden (3, 4), – einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung an Außenelektroden (5,6), wobei zwischen zwei Piezolagen, im Bereich der an der jeweils gegenüberliegenden Seite kontaktierte Innenelektrode (3,4) eine neutrale Phase ohne Innenelektrodenschicht vorhanden ist, wobei – die Innenelektroden (3, 4) des Mehrschichtaufbaus jeweils im Anschlussbereich der Außenelektroden (5,6) eine Verdickung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Innenelektroden (3,4) jeweils aus mehreren Druckschichten zusammengesetzt sind, wobei in der Folge der übereinandergedruckten Schichten sich verkleinernde Teilelektroden (10 bis 12,13 bis 15; 16, 17; 18, 19) aufgedruckt sind, die an der Seite mit der größten Dicke jeweils im Anschlussbereich der Außenelektroden (5, 6) enden.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die sich verkleinernden Teilelektroden (10 bis 12,13 bis 15) rechteckförmig sind.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die sich verkleinernden Teilelektroden (16, 17; 18, 19) dreieck- oder sägezahnförmig sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die mehreren Druckschichten der Innenelektroden (10 bis 12, 13 bis 15; 16, 17; 18, 19) zu einer zusammenhängenden keilförmigen Schicht verpresst sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Innenelektroden (10 bis 12, 13 bis 15; 16, 17; 18, 19) so ausgebildet sind, dass ein Flächenleiter mit annähernd gleicher Stromdichte im jeweiligen Querschnitt entsteht und dadurch der Leitungswiderstand der Stromstärke reziprok angenähert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Verfahrensschritt eine Druckschicht für die größte Teilelektrode (12, 15; 16, 17; 18, 19) aufgebracht wird, – in weiteren Verfahrensschritten Druckschichten mit fortlaufend kleineren Teilelektroden (10, 11, 13, 14 15; 16, 17; 18, 19) aufgebracht werden und – beim Laminieren des Piezoaktors (1) der gesamte Mehrschichtaufbau derart verpresst wird, dass der Höhenversatz der Druckschichten der Innenelektroden (10 bis 12, 13 bis 15; 16, 17; 18, 19) wechselseitig ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die Druckschichten mit einem Siebdruckverfahren aufgebracht werden.