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Die
Erfindung betrifft einen Vielschichtaktor aus einem piezokeramischen
oder elektrostriktiven Material, wobei der monolithisch ausgebildete
Aktor eine Stapelanordnung von Piezoplatten oder -schichten ist,
welche über
innere Elektroden und eine Außenkontaktierung
verfügt,
wobei die Außenkontaktierung
mindestens eine elektrisch leitende oder leitfähige Abschnitte aufweisende
Folie umfaßt,
gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Piezokeramische
Vielschichtaktoren stellen elektro-mechanische Wandler dar, bei
denen der reziproke piezoelektrische Effekt ausgenutzt wird. Legt man
an eine piezokeramische Platte mit Elektroden auf ihren Hauptflächen, die
in Richtung der Plattendicke polarisiert ist, ein elektrisches Feld
an, so ergibt sich eine Formänderung.
Konkret vollzieht sich eine Ausdehnung in Richtung der Plattendicke,
wenn das angelegte elektrische Feld parallel zum ursprünglichen
Polungsfeld gerichtet ist. Gleichzeitig kommt es senkrecht zur Feldrichtung
zu einer Kontraktion.
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Durch Übereinanderstapeln
einer Vielzahl solcher Platten im Sinne einer mechanischen Reihenschaltung
sowie einer elektrischen Parallelschaltung der Platten, können so
die Deformationen der einzelnen Platten addiert werden.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP 1
065 735 A2 ist ein Piezoaktor mit einer elektrisch leitenden
Mehrschichtfolie sowie mit einem starren elektrischen Anschlußelement
vorbekannt.
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Über die
Mehrschichtfolie erfolgt die Ansteuerung der Anordnung zum Erhalt
der gewünschten Expansion
und Kontraktion des Aktorkörpers.
Für das Sicherstellen
der elektrischen Kontaktierung jeder einzelnen Elektrodenschicht
wird gemäß dem bekannten
Stand der Technik eine Spannungszuführung an einen Metallisierungsstreifen
realisiert, wobei gemäß der
EP 1 065 735 A2 eine
streifenförmige, elektrisch
leitfähige
Mehrschichtfolie in Form einer mit Kupfer kaschierten Kunststoff-Folie
vorgesehen ist. Die Mehrschichtfolie ist hierbei über eine
Kante an einem Metallisierungsstreifen angelötet. Die Folie soll sich über die
gesamte Höhe
der elektrisch aktiven Schichten des Aktorkörpers erstrecken. Eine vom
Aktorkörper
weg weisende Außenkante
der Mehrschichtfolie ist mit dem vorerwähnten starren elektrischen
Anschlußelement
verbunden. Mit Hilfe der Mehrschichtfolie soll ein eventuell auftretender Riß in einem
der Metallisierungsstreifen elektrisch überbrückt werden, wodurch der Piezoaktor
eine hohe Zyklenzahl aufweist und damit über eine hohe Lebensdauer verfügen soll.
In einer Ausführungsform ist
weiterhin vorgeschlagen, die Mehrschichtfolie direkt an den Innenelektroden
anzuordnen, beispielsweise durch das Ausführen einer Lötverbindung.
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Zusammenfassend
liegt die Grundidee der
EP
1 065 735 A2 darin, die mechanischen Spannungen an einer
elektrisch leitfähigen
Mehrschichtfolie während
des Betriebs des Piezoaktors zu minimieren, und zwar dadurch, daß in dem
Bereich, in dem das starre elektrische Anschlußelement mit der Leitungsschicht
verbunden ist, diese Leitungsschicht Löcher bzw. Ausnehmungen zur
mechanischen Spannungsminimierung aufweist.
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Bei
derartigen Stapelaktoren hat es sich gezeigt, daß kurzschlußbedingte Ausfälle einzelner
Abschnitte bei Aktoren bei bestimmten Anwendungsfällen zu
einer problematischen Qualitätseinschränkung führen. Zu
diesem Zweck wurde bereits vorgeschlagen, Gruppen von Schichten
innerhalb eines Aktors elektrisch abzusichern. Hierfür wird in
der Nähe
der Außenkontaktierung
eine Platte, die einen Verdrahtungsträger bildet, angebracht, wobei
der Verdrahtungsträger
dann die Sicherungen für
den jeweiligen Treiberstromkreis umfaßt. Eine solche starre Anordnung
aus einem Verdrahtungsträger
mit Sicherungselementen wirkt jedoch der gewünschten Bewegung des Aktors
entgegen und ist deshalb nicht unerheblichen mecha nischen Belastungen
ausgesetzt, was es vom Grundsatz hier zu vermeiden gilt.
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Bezüglich des
Standes der Technik zum Einsatz von Sicherungselementen bei Piezostapelaktoren
sei beispielsweise auf die
US-PS
4,641,052 verwiesen. Bei der dortigen Anordnung wird davon
ausgegangen, Sicherungselemente vorzusehen, die mit jedem Einzelelement
des Piezoaktors korrespondieren. Die Sicherungselemente unterbrechen
dann die Stromzuführung,
wenn bestimmte Stromwerte überschritten
werden, so daß der
Betrieb des Aktors in seiner Gesamtheit weitestgehend mit den gewünschten
Eigenschaften erhalten bleibt.
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In
einer Ausführungsform
nach der
US-PS 4,641,052 werden
als Sicherungselemente Dünnschichten
aus einem Polysiliziummaterial verwendet. Die einzelnen Dünnschichtelemente
sind auf einem isolierenden Träger
entlang der Achse des Aktors angeordnet, wobei der isolierende Träger ein
starres, glasartiges Material ist. Die vorbeschriebene Lösung schafft
zwar Vorteile dann, wenn ein elektrischer Durchschlag im Sinne eines
Kurzschlusses gegeben ist, jedoch birgt der starre Verdrahtungsträger die oben
erwähnten
Nachteile in sich.
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Aus
der
DE 101 13 744
A1 ist eine elektrische Anschlussanordnung für einen
monolithischen Vielschicht-Piezoaktor mit elektrischen Anschlussfahnen
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 vorbekannt, wobei die Anschlussfahnen quer
zur Höhe
des den Piezoaktor bildenden Piezoelementenstapels zur Bildung einzelner
Finger vielfach geschlitzt sind und mit den Fingern jeweils an der
betreffenden Stapelseite anliegend mit den Innenelektroden des Piezoaktors
verbunden werden. Mit einer derartigen Anschlussanordnung soll auch eine
bei hochfrequenten Dehnungsschwingungen des Piezoaktors rißbildungsfeste
Kontaktierung gewährleistet
sein und gleichzeitig eine optimale Wärmeabfuhr möglich werden, wobei die Anschlussfahnen
in Sachen Wärmeableitung
zweckmäßigerweise aus
einer Kupferfolie bestehen.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten
Vielschichtaktor mit einem stabilen Langzeitverhalten aus einem piezokeramischen
oder elektrostriktiven Material anzugeben, wobei der Aktor eine
Stapelanordnung von Piezoplatten oder -schichten ist, welche über innere Elektroden
und eine Außenkontaktierung
verfügt, wobei
die Außenkontaktierung
mindestens eine elektrisch leitende oder leitfähige Abschnitte aufweisende Folie
umfaßt,
welche mit Abschnitten der Grundmetallisierung elektrisch und mechanisch
verbunden ist und weiterhin der Vielschichtaktor geeignet ist, passive
und/oder aktive elektrische Bauelemente zu tragen, so daß diese
insgesamt eine kompakte Baugruppe bilden, die über eine ausreichende Langzeitstabilität verfügt und auch
bei kritischen Einsatzfällen mit
schwerer Zugänglichkeit
der jeweiligen Aktoren bezogen auf einen möglichen Austausch Anwendung finden
kann.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Vielschichtaktor gemäß der Lehre nach
Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Die
als Verdrahtungsträger
verwendete flexible Folie weist eine flächenhafte Ausdehnung auf, die
einerseits im wesentlichen der Höhe
des Aktorstapels entspricht und welche andererseits den Aktorstapel
mindestens abschnittsweise ummantelt.
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Diese
Ummantelung folgt bevorzugt der Außenkontur des Stapels. Der
von der Gesamtfolienfläche
gebildete Verdrahtungsträger
weist neben den leitfähigen
Abschnitten Raum zur mechanischen Befestigung und elektrischen Kontaktierung
von passiven und/oder aktiven elektrischen Bauelementen auf. So
kann dieser Raum beispielsweise zur Aufnahme von SMD-Dünnfilm-Sicherungen genutzt
werden. Hierbei ergibt sich der Vorteil, daß, ohne die Außenabmessungen
des Vielschichtaktors insgesamt wesentlich zu erhöhen, jede
Elektrode oder Elektrodengruppe, respektive deren Stromzuführung einzeln absicherbar
ist. Die zur Verfügung
stehende Mantelfläche
und damit die Folienfläche
für den
Verdrahtungsträger
ist dabei genügend
groß,
um unter Beachtung der elektrischen Gegebenenheiten die Dünnfilm-Sicherungen
anzuordnen, aber auch andererseits externe Anschlußelemente,
z.B. Anschlußdrähte über vorgesehene
Anschlußpads
zu fixieren.
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Der
erfindungsgemäße monolithische
Vielschichtaktor mit folienartigem, flexiblem Verdrahtungsträger weist
zur weiteren Verbesserung der Langzeitstabilität und des Einsatzverhaltens
entlang der Aktorachse und im wesentlichen parallel zu den Innenelektroden
im Bereich der mindestens zwei gegenüberliegenden Außenflächen, zu
denen die inneren Elektroden wechselseitig herausgeführt werden, Mikrostörungen im
Aktorgefüge
auf, welche als quasi am vorbekannten Ort entstehende Rißquelle
wirken, wobei das Rißwachstum
kontrollierbar ist.
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Bei
derartigen Aktoren ist von wesentlicher Bedeutung, daß die gezielt
eingebrachten Mikrostörungen
im Aktorgefüge
selbst noch keinen Riß im
eigentlichen Sinn darstellen. Der gezielt gesteuerte Riß entsteht
erst nach der Polarisation des Aktors, und zwar nur in dem Umfang,
wie beim Polarisieren remanente Dehnungen gegeben sind. Die Grundmetallisierung
kann so aufgebracht werden, daß Isolationsbereiche
zwischen benachbarten Elektrodengruppen entstehen, wobei in diesen
Bereichen die vorbeschriebenen Risse sich ausbilden. Die erwähnten Mikrostörungen verhindern örtlich begrenzt
das Zusammensintern der Grünfolien
mit dem Ergebnis einer dezidierten Delaminierung. Zum Erreichen
dieses Delaminierens besteht die Möglichkeit, im Bereich der gewünschten
Mikrostörungen
beim Stapelaufbau einer Schicht Mengen eines organischen Binders
aufzubringen, welcher einen Volumenanteil von bis zu 50% organischer
Partikel mit einem Durchmesser ≤ 200
nm enthält,
die beim Sinterprozeß nahezu
vollständig
ausbrennen. Diese Schicht kann durch Siebdruck aufgebracht werden
und wird vor dem Sintern derart verdichtet, daß die in den Grünfolien
eingebetteten Keramikpartikel sich nur teilweise oder nicht berühren, um
gezielt ein Zusammensintern ganz oder teilweise zu unterbinden.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit,
die Mikrostörungen durch
eine Menge anorganischer Füllpartikel
mit einem Durchmesser von ≤ 1 μm auszubilden,
wobei diese Füllpartikel
nicht mit dem piezoelektrischen Werkstoff des Stapels reagieren.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Folienfläche
symmetrisch zu der von den Kontaktierungsstellen für die inneren
Elektroden gebildeten Achse des Aktorstapels ausgebildet.
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Bevorzugt
sind die aktiven und/oder passiven elektrischen Bauelemente auf
der vom Aktorstapel weg weisenden Außenseite der Folie befestigt. Diese
Befestigung kann z.B. nach der bekannten Technologie zum Fixieren
oberflächen-montierbarer Bauelemente
(SMD) erfolgen.
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Die
Folie kann eine Multilayer-Anordnung darstellen, wobei Durchkontaktierungen
zum Anschluß der
inneren Elektroden vorgesehen sind.
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Die
gedruckte Schaltung auf der Folie kann ein Schaltungslayout aufweisen,
wobei dieses Layout Angaben zum Hersteller, zur Seriennummer und/oder
zur Polarität
oder weiteren Angaben zur Produktverwendung aufweist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Folie Laschen auf. Diese Laschen sind ebenfalls mit Leiterbahnen
versehen, wobei die Laschen zwei in einem im wesentlichen rechten
Winkel zueinander stehende Schenkel aufweisen, welche durch einfache
Knick- oder Biegebewegungen zur elektrischen Kontaktierung weiterer,
darüber
und/oder darunter liegender Stapelanordnungen dienen.
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Mindestens
eine der Laschen kann eine T-Form mit Doppelschenkel aufweisen,
um eine quasi drahtlose Außenkontaktierung
zu ermöglichen.
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Ergänzend besteht
die Möglichkeit,
daß die Folie
an ihren Seitenenden Fortsätze
aufweist, welche eine Aufnahme zum Zweck der Schaffung einer Positionierungshilfe
beim Verguß der
Gesamtanordnung besitzen. Konkret kann die Aufnahme als Ausstanzung
ausgebildet sein. Mittels der Ausstanzungen kann der Stapel über ein
Werkzeug gehalten werden, um das gewünschte Positionieren beim Vergießen ohne
ein ansonsten übliches
aufwendiges Fixieren an den Stirnseiten des Aktors zu erreichen. Die
diesbezüglichen
Laschen sind abtrennbar ausgebildet.
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Wie
bereits dargelegt, weist die Folie auch Anschlußpads auf. Diesen Anschlußpads unmittelbar benachbart
oder in selbige integriert kann eine Knick- oder Zugentlastung,
z.B. in Form einer Ausstanzung respektive eines Loches vorgesehen
sein. Der Anschlußdraht
wird dann durch diese Aus stanzung bzw. das Loch geführt und
mit dem Anschlußpad
elektrisch, z.B. durch Löten
verbunden, so daß eine
die Anschlußverbindung
sichernde Ausführungsform
erhalten wird. Diese bietet Vorteile bei der Handhabung und dem
Einsatz des derart ausgebildeten Aktors.
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Zum
Zweck der Absicherung der Stromkreise für den Betrieb des Aktors besteht
bei einer Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit, elektrische Zuleitungsabschnitte
der Folien-Leiterbahnen so auszuführen, daß diese eine reduzierte Querschnittsfläche besitzen,
wobei die Abschnitte mit der reduzierten Querschnittsfläche eine
integrierte Sicherung bilden. Eine solche Ausgestaltung läßt sich über bekannte
Siebdruck- oder Lithografietechniken in Verbindung mit nachfolgenden Ätzschritten
der Kupferkaschierung realisieren.
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Die
Folie bzw. der Verdrahtungsträger
kann weiterhin zur Kontaktierung beider Gruppen der inneren Elektroden
eine Flächenausdehnung
besitzen, die größer oder
gleich der halben Umfangsfläche
der Stapelanordnung ist. Bei einer solchen Ausgestaltung ist nur
ein einziges, eng anliegendes Verdrahtungselement notwendig. Hieraus
ergeben sich Vorteile bei der Führung
von Zuleitungen durch einen geringeren, konturenfolgenden Raumbedarf.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung
des Verdrahtungsträgers
mit L-förmigen
Laschen zur elektrischen Durchverbindung mit darüber und/oder darunter liegenden
Stapeln;
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2 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 1, jedoch mit einer T-förmigen elektrischen Anschlußlasche
sowie Fortsätzen,
die als Positionierungshilfe beim Vergießen dienen;
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3 eine prinzipielle Darstellung
des Verdrahtungsträgers
mit passiven Bauelementen in Form von Abgleichwiderständen für eine Dehnungsmeßstreifen-Halbbrückenanordnung
(nicht gezeigt) und
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4 eine U-förmig gebogene
Verdrahtungsträger-Folie
mit Lasche zum platzsparenden elektrischen Anschluß bzw. zur
elektrischen Durchverbindung.
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Gemäß der 1 weist der folienartige
Verdrahtungsträger 2 eine
sehr große
Flächenausdehnung
auf, die im wesentlichen der Form des Aktorstapels 1 folgt.
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Als
passive Bauelemente sind auf dem folienartigen Verdrahtungsträger 2 nicht
gezeigte Sicherungselemente vorgesehen, die einen Überlastschutz
bilden. Durch das enge Anliegen des folienartigen Verdrahtungsträgers 2 am
Außenumfang
des Aktorstapels 1 und die zur Verfügung stehende große Fläche ist
genügend
Bauraum zur Aufnahme der Sicherungselemente geschaffen, ohne daß die Gesamtabmessungen
des einsatzfähigen
Aktors sich wesentlich erhöhen.
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Gleichfalls
ist durch die Zugänglichkeit
der Sicherungselemente ein möglicherweise
notwendiger Austausch im Reparaturfall leicht durchführbar.
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Der
Verdrahtungsträger 2 kann
für z.B.
die Ausführung
einer Masseelektrode eine mäanderförmige Leiterbahn
mit Lötpunkten
besitzen. Diese Lötpunkte,
die durchkontaktiert sind, stehen mit den (nicht gezeigten) Elektroden
des Stapels in Verbindung.
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Mit
Hilfe der Prinzipdarstellungen gemäß der 1 bis 4 sollen
Ausführungsvarianten
des speziellen Verdrahtungsträgers,
bestehend aus einem folienartigen Material mit elektrisch leitfähigen Abschnitten,
näher erläutert werden.
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1 geht von dem folienartigen
Verdrahtungsträger 2 aus,
der sich bei diesen Darstellungen bereits entsprechend fixiert auf
einem monolithischen Vielschicht-Aktorstapel 1 befindet.
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Der
folienartige Verdrahtungsträger 2 nach 1 besitzt zwei Laschen 8,
beim gezeigten Beispiel in L-Form, wobei die Laschen in einem im
wesentlichen rechten Winkel zueinander stehende Schenkel aufweisen.
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Diese
Schenkel der jeweiligen Lasche 8 können durch einfaches Knicken
oder Biegen verformt werden und auf diese Weise zur Kontaktierung
weiterer, darüber
und/oder darunter liegender Stapelanordnungen dienen.
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Die
obere Lasche 8 dient z.B. der elektrischen Durchkontaktierung
bezogen auf einen darüber
liegenden Stapel, indem der innere Schenkel um 90° und anschließend der
obere Schenkel der betreffenden Lasche 8 ebenfalls um nahezu
90° gebogen wird.
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Die
Kontaktierung zu einem darunter liegenden Stapel erfolgt durch zwei,
im wesentlichen 180°-Bewegungen
erfordende Verbiegungen der Schenkel der unteren Lasche 8.
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Bei
der Ausführungsform
des folienartigen Verdrahtungsträgers 2 nach 2 ist eine T-förmige Lasche 8 vorhanden,
die einer elektrischen Außenkontaktierung
dient, und zwar ohne daß eine
separate Anschlußdrahtführung notwendig
wird.
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Ergänzend weist
hier die Folie an ihren Seitenenden Fortsätze 9 auf, welche
eine Aufnahme als Positionierungshilfe beim Verguß der Gesamtanordnung
besitzen. Diese Aufnahme ist als lochförmige Ausstanzung 10 ausgeführt. Diese
Ausstanzung bzw. Löcher 10 können zur
Positionierung in der Vergußform
genutzt werden, was einen erheblichen Vorteil gegenüber der
Ausrichtung über
die Stapelkanten darstellt. Nach dem Verguß können überstehende Abschnitte leicht
abgetrennt werden. Die gezeigte mögliche Außenkontaktierung durch die
T-förmige Lasche
gemäß 2 ist verguß-technisch im Vergleich
zu einer Drahtkontaktierung wesentlich günstiger.
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Das
Anbringen von aktiven Bauelementen z.B. in Form von SMD-Abgleichwiderständen für eine DMS-Halbbrücke sei
anhand der 3 dargestellt.
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Die
SMD-Abgleichwiderstände 11 werden elektrisch
und mechanisch durch Löten
auf entsprechenden Kontaktflächen,
die sich auf dem folienartigen Verdrahtungsträger 2 befinden, gehalten.
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Weiterhin
sind bei der 3 Lötpads 12 gezeigt,
die dem Anschluß von
Dehnmeßstreifen
dienen. Eine ähnliche
Kontaktierung zu den Dehnmeßstreifen
ist im oberen Bereich des folienartigen Verdrahtungsträgers 2 durch
dortige Abschnitte vorgesehen. Zur Knick- oder Zugentlastung der
DMS-Anschlußdrähte dienen
wiederum Ausstanzungen 10. Durch diese Ausstanzungen 10 wird
ein Ende des nicht gezeigten Anschlußdrahts geführt, dessen elektrisch abisolierter
Bereich mit dem jeweiligen Lötpad 12 verbunden
wird.
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Die 4 stellt eine U-förmig gebogene
Ausführungsform
des folienartigen Verdrahtungsträgers 2 dar
und umfaßt
wiederum Lötpads 12 für Anschlußdrähte.
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Der
gezeigte folienartige Verdrahtungsträger 2 besitzt eine
gestreckte Lasche 13, die entweder für den externen Anschluß oder für eine Durchverbindung
geeignet ist. Bei einem Drahtanschluß über die dortigen Anschlußpads 12 kann
die gestreckte Lasche 13 entfernt werden.
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Der
Vorteil bei dieser Ausführungsvariante des
Verdrahtungsträgers 2 liegt
darin, daß die
dortige gestreckte Lasche 13 entweder als platzsparende Zuleitung,
zur Durchverbindung mehrerer Stapel oder zum Knickschutz im Falle
bei der Ausführung mit
Drahtanschluß verwendet
werden kann.
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- 1
- Aktorstapel
- 2
- folienartiger
Verdrahtungsträger
- 8
- Lasche
- 9
- Fortsatz
- 10
- Ausstanzung
- 11
- SMD-Abgleichwiderstand
- 12
- Lötpad
- 13
- gestreckte
Lasche