DE19814697C1

DE19814697C1 - Piezoelectric actuator, especially multilayer ceramic piezo-actuator used as positioning device, ultrasonic emitter, valve controller or sensor

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Publication number: DE19814697C1
Application number: DE19814697A
Authority: DE
Inventors: Doru Constantin Lupasco
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2018-04-02

Abstract

The piezoelectric actuator has a helically wound layer sequence (1), in which piezoelectric layer extension occurs roughly parallel to the linear helix winding axis. The piezoelectric actuator has a layer sequence (1) comprising a piezoelectric layer, sandwiched between two electrode layers (6, 7), and a further layer, the layer sequence being wound as a helix about a linear axis such that, on applying a voltage between the electrode layers, extension of the piezoelectric layer occurs in a helix region roughly parallel to the linear axis. Independent claims are also included for the following: (i) production of the above piezoelectric actuator by cutting a cylinder of ceramic or electrode material to form two interposed helices and then introducing electrode or ceramic material into the cut grooves between the helices; (ii) production of the above piezoelectric actuator by extrusion of the individual layers to produce a helical layer sequence; (iii) an apparatus for carrying out process (ii), comprising an extrusion unit with a combination of nozzles for simultaneously producing the layers of the actuator; and (iv) production of the above piezoelectric actuator by subjecting a foil of the layers to stamping to form annular discs with an additional radial cut edge and then twisting and stacking the discs to form a helix.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere einen keramischen Vielschichtaktor, sowie Verfahren zu seiner Herstellung.The present invention relates to a piezoelectric Actuator, in particular a ceramic multilayer actuator, as well Process for its manufacture.

Piezoaktoren im Sinne dieser Erfindung sind Bauteile aus einem piezoelektrischen beziehungsweise elektrostriktiven Material, vorzugsweise Keramik, mit zwei oder mehr elektrisch leitenden Kontaktflächen, die ihre Geometrie beim Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes ändern und Bewegungen und Kräfte erzeugen können.Piezo actuators in the context of this invention are made up of components a piezoelectric or electrostrictive Material, preferably ceramic, with two or more electrical conductive contact surfaces that change their geometry when applied an external electric field change and movements and Can generate forces.

Piezoelemente sind seit vielen Jahren unter anderem als präzise regelbare Wegstelleinrichtungen in der Mikrostelltechnik, als Schall- und Ultraschallgeber, als Ultraschallmotoren und in makroskopischen Stell- und Schaltgliedern (Aktoren) im Einsatz.Piezo elements have been used as, among other things, for many years precisely controllable route setting devices in the Micro control technology, as a sound and ultrasound transmitter, as Ultrasonic motors and in macroscopic actuators and Switching elements (actuators) in use.

Auch bei den besten Piezokeramiken werden jedoch nur relative Längenänderungen bis maximal 1 Promille erreicht (neuere Forschungsergebnisse in elektrostriktiven Materialien versprechen größere Wege), so daß versucht wird, die im Material maximal möglichen Wege technisch voll auszunutzen.Even with the best piezoceramics, however, only relative Changes in length up to a maximum of 1 per mille reached (more recent Research results in electrostrictive materials promise greater ways), so that the im To fully utilize material as far as possible technically.

Derzeit favorisierte Materialien sind ferroelektrische Materialien, die nach einer Polung meist bei höherer Temperatur in einem externen elektrischen Feld eine Vorzugsrichtung der inneren elektrischen Polarisation des Materials zeigen. Aufgrund dieser Vorzugsrichtung ist es möglich, den durch die statistische Verteilung der Körner in einer Keramik sonst effektiv nicht beobachtbaren Piezoeffekt zu erzeugen. Jeder einzelne Kristallit ändert unter dem angelegten Feld seine äußeren geometrischen Abmessungen. Bei der Polung und insbesondere bei nachfolgenden Umpolungen des Materials dehnen sich die Kristallite zwar in der Summe in einer Richtung, aber im einzelnen statistisch aus. Diese Ausdehnung führt zu inneren mechanischen Verspannungen an den Korngrenzen, die zum Teil durch innere Domänenverschiebungen im Korn wieder kompensiert werden können. Sind die Verspannungen zu groß, führen sie zu innerem Bruch. Dabei werden zwei Vorgänge unterschieden, der Mikrobruch, bei dem einzelne oder wenige Körner meist an den Korngrenzen brechen, und der Makrobruch, bei dem z. B. ein Piezoelement vollständig geteilt oder über größere Strecken durchrissen wird (100 Mikrometer und mehr).The currently favored materials are ferroelectric Materials that are after a polarity mostly at higher Temperature in an external electric field Preferred direction of the internal electrical polarization of the Show materials. Because of this preferred direction it is possible, due to the statistical distribution of the grains in a ceramic otherwise effectively not observable piezo effect to create. Every single crystallite changes under that applied field its external geometrical dimensions. at the polarity and especially with subsequent polarity reversals of the Materials, the crystallites expand in total in one direction, but statistically in detail. These Expansion leads to internal mechanical tension on the Grain boundaries, which are partly due to internal domain shifts can be compensated again in the grain. Are the Tensions that are too great lead to internal rupture. Included a distinction is made between two processes, the micro-fracture, in which break single or a few grains mostly at the grain boundaries, and the macro break, in which z. B. a piezo element completely divided or torn through over longer distances (100 Micrometers and more).

Um den Einsatz auch mit niedrigen elektrischen Spannungen zu ermöglichen (nötige Felder in der Größenordnung einige kV/mm) werden heutzutage sehr dünne Lagen der piezoelektrischen Keramik verwendet. In diesem Fall kann die Größenordnung des Mikrobruchs und des Makrobruchs identisch werden.To allow use even with low electrical voltages enable (required fields of the order of a few kV / mm) nowadays very thin layers of piezoelectric Pottery used. In this case, the magnitude of the The micro-break and the macro-break become identical.

Zur geometrischen Vergrößerung der Stellwege sind verschiedene Wege eingeschlagen worden. Einerseits wurde versucht, durch geeignete Geometrie des Piezoelements selbst, größere Wege zu erzeugen (Unimorphs, Bimorphs, Rainbow, siehe K. Uchino, "Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors", Kluwer Academic Pulishers, Boston/Dordrecht/London, 1997) beziehungsweise die kleinen Wege, aber großen Kräfte, durch mechanische Vorrichtungen unter Anwendung verschiedenster Hebel zu größeren Wegen hin zu vergrößern (Moonie, Mechanische Wegverlängerung, Öldruck-Wegverlängerung, hierzu viele Beispiele in K. Uchino, "Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors", Kluwer Academic Pulishers, Boston/Dordrecht/London, 1997). Eine Möglichkeit zur Erzeugung solcher Hebel liegt in dem Aufbau piezoelektrischer Elemente auf die Oberfläche einer axialen Feder. Hierzu sind zwei Beschichtungsformen bekannt. Die eine erzeugt eine Torsionsspannung in den Federwindungen mit Hilfe spiralförmig aufgebrachter Elektroden, um die Feder axial zu bewegen (US 3,900,748). Die zweite Ausführung nutzt die gleiche Torsionsspannung, die jedoch durch eine um 45° bezüglich des Windungsverlaufes gekippte Hauptdehnungsrichtung der Keramik hervorgerufen wird (WO 98/09339). Beide Aktorformen nutzen die große Wegverlängerung durch die Feder als Hebel, verlieren hierfür aber mit einem entsprechenden Anteil ihre Übertragungskraft.For geometrical enlargement of the travel ranges are different paths have been taken. On the one hand it was tries to use suitable geometry of the piezo element itself, to generate larger paths (unimorphs, bimorphs, rainbow, see K. Uchino, "Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors", Kluwer Academic Pulishers, Boston / Dordrecht / London, 1997) or the small ways, but great forces, through mechanical devices using a wide variety of Leverage to enlarge larger ways (Moonie, Mechanical path extension, oil pressure path extension, see this many examples in K. Uchino, "Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors ", Kluwer Academic Pulishers, Boston / Dordrecht / London, 1997). One way to Creation of such levers lies in the construction of piezoelectric Elements on the surface of an axial spring. These are two types of coating are known. One creates one Torsional stress in the spring coils using a spiral applied electrodes to move the spring axially (US 3,900,748). The second execution uses the same Torsional stress, which, however, is caused by a 45 ° with respect to the Winding course tilted main stretching direction of the ceramic is caused (WO 98/09339). Use both types of actuator the great lengthening of the path by the spring as a lever, but lose their share with a corresponding share Transmission power.

Zur Erzeugung von Drehmomenten sind Torsionsaktoren in Spiralform bekannt. Diese Aktoren sind entweder als planare Spirale gestaltet (CH 281 793; US 5,559,387) oder als axiale Spirale (CH 281 793). Eine andere planare Spiralgeometrie von piezoelektrischen Elementen nutzt die radiale Dehnungs inkompatibilität zwischen einem Substrat und der ent sprechenden Piezokeramik aus, um entlang der Wickelachse der Spirale eine Kraft bzw. eine Wegänderung zu erzeugen (US 5,592,042). Dementsprechend würde man dem Verhalten des gesamten Bauteils wie im Fall der Moonies- und Rainbow- Aktoren eine d31 Charakteristik zuordnen, obwohl die Piezokomponente d33 der Keramik selbst ausgenutzt wird. Diese Bauform hat den großen Nachteil, daß sie das Bauteil großen Scherspannungen aussetzt. Eine weitere planare spiralförmige Piezoanordnung nutzt die radial auftretenden Kräfte als Schallsensor (JP 1-25583 (A)). Die d33-Komponente der Keramik liegt hier radial.Torsion actuators in Known spiral shape. These actuators are either called planar Spiral designed (CH 281 793; US 5,559,387) or as an axial Spiral (CH 281 793). Another planar spiral geometry from piezoelectric elements uses radial expansion incompatibility between a substrate and the ent speaking piezoceramic made to move along the winding axis of the Spiral to generate a force or a change in path (US 5,592,042). Accordingly, the behavior of the entire component as in the case of the Moonies and Rainbow Assign a d31 characteristic to actuators, although the Piezo component d33 of the ceramic itself is used. These Design has the major disadvantage that it makes the component large Exposing shear stresses. Another planar spiral Piezo arrangement uses the radially occurring forces as Sound sensor (JP 1-25583 (A)). The d33 component of the ceramic lies here radially.

Der Betrieb von Piezoelementen bei hohen Frequenzen erfordert oft nicht längere Wege sondern eine Anpassung der mechanischen Impedanz. Hierfür sind zahlreiche Lösungen gefunden worden (siehe R. E. Newnham, "Molecular Mechanisms in Smart Materials", MRS Bulletin 22 [5], 20-33 (1997), oder L. E. Cross, "Ferroelectric Materials for Electromechanical Transducer Applications", Jpn. J. Appl. Phys. 34 (Part 1, No. 5B), 2525-2532 (1995)).The operation of piezo elements at high frequencies requires often not longer distances but an adaptation of the mechanical impedance. There are numerous solutions for this (see R. E. Newnham, "Molecular Mechanisms in Smart Materials ", MRS Bulletin 22 [5], 20-33 (1997), or L. E. Cross, "Ferroelectric Materials for Electromechanical Transducer Applications ", Jpn. J. Appl. Phys. 34 (Part 1, No. 5B), 2525-2532 (1995)).

Der inzwischen fast klassische Vielschichtaktor ist die technisch einfachste Lösung, mit kleinen elektrischen Spannungen große mechanische Kräfte und vertretbare Wege zu erzeugen. Für die Nutzung dieses Bauteils in einer Vielzahl von Anwendungen sind Standzeiten von vielen 10⁹ Zyklen nötig. Beim Betrieb des Aktors mit Umpolung der Keramik sind derzeit 10⁴-10⁶ Zyklen möglich, bei unipolarem Betrieb 10⁸, jedoch mit sehr starker Streubreite, die den kommerziellen Einsatz bei der Qualitätssicherung verhindert.The now almost classic multi-layer actuator is the technically simplest solution for generating large mechanical forces and reasonable distances with small electrical voltages. To use this component in a large number of applications, service lives of many 10 ⁹ cycles are necessary. When operating the actuator with polarity reversal of the ceramic, 10 ⁴ -10 ⁶ cycles are currently possible, with unipolar operation 10 ⁸ , but with a very large spread, which prevents commercial use in quality assurance.

Die hohen Zyklenzahlen werden bereits von Aktoren erreicht, die keine inneren Elektrodenkanten besitzen (siehe Fig. 3 mit inaktiven (IL) und aktiven Schichten (AL), internen (IE) und externen Elektroden (EE), einer Isolation (IS) sowie der piezoelektrischen Keramik (PC)) und mechanisch vorgespannt werden. Diese Bauform ist jedoch durch die komplizierte Kontaktierung der vielen Elektroden in der Herstellung sehr teuer (S. Takahashi, "Longitudinal Mode Multilayer Piezoelectric Actuators", Ceramic Bulletin 65 [8], 1156-1157 (1986)). Dabei spielt es keine entscheidende Rolle, ob die Aktorschichten nach dem Sintervorgang der Keramik zusammengefügt werden, oder ob die Keramik und die Elektrodenschichten gleichzeitig gesintert werden.The high number of cycles is already achieved by actuators that have no internal electrode edges (see Fig. 3 with inactive (IL) and active layers (AL), internal (IE) and external electrodes (EE), insulation (IS) and the piezoelectric Ceramic (PC)) and mechanically pre-tensioned. However, this design is very expensive to manufacture due to the complicated contacting of the many electrodes (S. Takahashi, "Longitudinal Mode Multilayer Piezoelectric Actuators", Ceramic Bulletin 65 [8], 1156-1157 (1986)). It does not matter whether the actuator layers are joined together after the ceramic is sintered, or whether the ceramic and the electrode layers are sintered at the same time.

Eine billigere Variante stellt die Herstellung in der Kammstruktur (siehe Fig. 2 mit internen (IE) und externen Elektroden (EE)) und ihren Abwandlungen (vgl. K. Uchino, "Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors", Kluwer Academic Pulishers, Boston/Dordrecht/London, 1997) dar, die der Herstellung der Vielschichtkondensatoren entlehnt ist (S. W. Freiman, R. C. Pohanka, "Review of Mechanically Related Failures of Ceramic Capacitors and Capacitor Materials", J. Am. Ceram. Soc. 72 [12], 2258-63 (1989)) und meist in einem einzigen Sinterschritt der Keramik zusammen mit den Elektroden erfolgt. Bei dieser Geometrie treten an den Enden der Elektroden in der Keramik jedoch hohe elektrische Felder und daraus resultierend starke mechanische Zugspannungen auf. Dies konnte sowohl experimentell als auch durch analytische und Finite-Elemente-Rechnungen gezeigt werden.A cheaper variant is the production in the comb structure (see Fig. 2 with internal (IE) and external electrodes (EE)) and their modifications (see. K. Uchino, "Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors", Kluwer Academic Pulishers, Boston / Dordrecht / London, 1997), which is borrowed from the production of multilayer capacitors (SW Freiman, RC Pohanka, "Review of Mechanically Related Failures of Ceramic Capacitors and Capacitor Materials", J. Am. Ceram. Soc. 72 [12], 2258 -63 (1989)) and usually takes place in a single sintering step of the ceramic together with the electrodes. With this geometry, however, high electrical fields occur at the ends of the electrodes in the ceramic and the resulting high mechanical tensile stresses occur. This could be shown experimentally as well as through analytical and finite element calculations.

Starke Zugspannungen treten ebenfalls an den Kontaktstellen der Elektroden mit ihren äußeren Zuführungen (Kammrücken) bei der Verlängerung des Aktors als ganzes Bauteil auf. Da Keramiken gegen Zugspannungen sehr empfindlich sind, führt dies zu einem Versagen des Bauteils an diesen Stellen, wie für verschiedene Materialien gezeigt wurde (K. Uchino,.. s. o.). Zwei Schädigungsformen des makroskopischen Bruchs werden hierbei unterschieden, der Bruch parallel zu den Elektrodenflächen, falls er direkt an der Elektrodenfläche auftritt auch als Delamination bezeichnet, und der Bruch senkrecht zu den Elektrodenflächen. Diese zweite Form des Bruchs reicht oft bis zur Gegenelektrode und zieht dann meistens einen elektrischen Durchschlag nach sich. Dies führt zum endgültigen Versagen des Bauteils.Strong tensile stresses also occur at the contact points of the electrodes with their outer leads (comb backs) the extension of the actuator as a whole component. There Ceramics are very sensitive to tensile stresses this leads to failure of the component at these points, such as has been shown for various materials (K. Uchino, .. see above). Two types of macroscopic fracture damage a distinction is made here, the break parallel to the Electrode areas if it is directly on the electrode area also known as delamination occurs, and the rupture occurs perpendicular to the electrode surfaces. This second form of the The fracture often extends to the counter electrode and then pulls usually an electrical breakdown. this leads to to the ultimate failure of the component.

Der Einfluß von Delaminationsbrüchen und Brüchen parallel zu den Elektroden kann durch die mechanische Vorspannung des gesamten Aktors in ihrer Auswirkung sehr stark reduziert werden. Im Allgemeinen läßt sich daher ein Aktor auch mit Delaminationsbrüchen bei mechanischer Vorspannung noch bis zu Zyklenzahlen annähernd in der gleichen Größenordnung wie ohne diese Brüche betreiben. Die Delaminationsbrüche erstrecken sich bis in den Kontaktierungsrücken der Kammstruktur und zerstören somit die elektrische Zuführung bzw. Verteilung des anregenden elektrischen Feldes.The influence of delamination fractures and fractures parallel to the electrodes can be subjected to mechanical prestressing of the entire actuator is very much reduced in their effect will. In general, an actuator can therefore also be used Delamination fractures with mechanical pre-tensioning can be up to Number of cycles almost in the same order of magnitude as without operate these breaks. The delamination fractures extend up to the contacting back of the comb structure and thus destroy the electrical supply or distribution of the exciting electric field.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen Aktor sowie Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der einfach kontaktierbar ist und vertretbare Stellwege bei verminderter Bruchgefahr aufweist, so daß eine hohe Standzeit ermöglicht wird. It is an object of the present invention to provide one piezoelectric actuator and process for its manufacture indicate that is easy to contact and justifiable Has travel ranges with reduced risk of breakage, so that a long service life is made possible.

Die entscheidende Lösung zu den aufgezeigten Problemen des Standes der Technik ist die einfach herzustellende Aktorgeometrie des erfindungsgemäßen Piezoaktors nach Anspruch 1, ohne innere Elektrodenkanten und -ecken. Vier Verfahren sowie eine Vorrichtung zu seiner Herstellung werden durch die Ansprüche 30, 55, 72, 79 und 68 angegeben. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The decisive solution to the identified problems of the The state of the art is that which is easy to manufacture Actuator geometry of the piezo actuator according to the invention Claim 1, without inner electrode edges and corners. Four Process and a device for its manufacture indicated by claims 30, 55, 72, 79 and 68. Preferred configurations are the subject of Subclaims.

Der erfindungsgemäße Piezoaktor besteht aus einer Schichtfolge, die zumindest eine Vierfachschicht mit zwei Schichten aus Elektrodenmaterial, die eine Schicht aus Keramik einschließen, und einer weiteren Schicht umfaßt. Diese Schichtfolge ist zu einer Spirale bzw. Helix beliebiger Windungszahl geformt.The piezo actuator according to the invention consists of one Layer sequence, which is at least one quadruple layer with two Layers of electrode material that make up a layer Include ceramic, and a further layer comprises. This sequence of layers is more arbitrary than a spiral or helix Number of turns shaped.

Die Schichtfolge besteht vorzugsweise aus zwei Lagen Keramik, die jeweils durch die Elektrodenschichten getrennt werden. Jede der somit vier Lagen ist als Helix ausgeführt. Betrachtet man hierbei die Schichten aus Elektrodenmaterial (d. h. die Elektroden des Piezoaktors) bzw. die Schichten aus Keramik, so bilden diese eine Doppelhelixgeometrie. Alle Lagen zusammen bilden einen Hohlzylinder mit einer inneren Öffnung, die zumindest so groß zu gestalten ist, daß ein Kurzschluß durch den Kern der Doppelhelix verhindert wird. Vorzugsweise kann hierzu ein hochisolierendes Material in die Öffnung eingebracht werden. Im Allgemeinen sind größere Öffnungen zu bevorzugen. Bei der Polung der Keramik werden die beiden Lagen aus Keramik gegensinnig (entgegengesetztes Vorzeichen) aber annähernd parallel zur äußeren Dehnungsrichtung der Doppelhelix polarisiert. Da der Piezoeffekt parallel zu der bei Polung angelegten Feldrichtung ist, dehnen sich die beiden Lagen Keramik im gleichen Sinne aus, wie dies auch in den Kammstruktur- Vielschichtaktoren des Standes der Technik ausgenutzt wird. Die durch die leichte Verkippung der Polarisationsrichtung in der Helixgeometrie auftretenden mechanischen Verspannungen verteilen sich auf die ganze Fläche der Doppelhelix und werden somit an keiner Stelle sehr groß.The layer sequence preferably consists of two layers of ceramic, which are each separated by the electrode layers. Each of the four layers is designed as a helix. Looking at the layers of electrode material (i.e. the electrodes of the piezo actuator) or the layers Ceramic, they form a double helix geometry. All Layers together form a hollow cylinder with an inner one Opening that is to be made at least so large that a Short circuit through the core of the double helix is prevented. For this purpose, a highly insulating material can preferably be inserted into the Opening are introduced. Generally they are bigger Prefer openings. When polarizing the ceramic will be the two layers of ceramic in opposite directions (opposite Sign) but almost parallel to the outer one The direction of elongation of the double helix is polarized. Since the Piezo effect parallel to that applied with polarity Field direction, the two layers of ceramic expand in the the same sense as in the comb structure Multi-layer actuators of the prior art is used. The slight tilting of the polarization direction in mechanical stresses occurring in the helix geometry are distributed over the entire surface of the double helix and do not become very large at any point.

Die Zuführung der Elektroden sollte vorzugsweise als eine abgerundete Führung am Ende der Helix gestaltet werden (siehe Bezugszeichen (6) und (7) in den Fig. 1 und 4). Werden diese Zuführungen nicht in dieser Form ausgeführt, dann ist die Wahrscheinlichkeit des mechanischen Versagens an diesen Kanten am größten. Zwischen den im Abstand der halben Ganghöhe der Helix liegenden Elektroden (normaler Elektrodenabstand) herrscht das maximale elektrische Feld und damit die maximale mechanische Dehnung. Bei winkliger Fortführung der Elektroden läge dann direkt daneben ein Bereich, der quasi keine Dehnung erfährt. Diese Dehnungsinkompatibilität erhöht an dieser Stelle die Bruchgefahr. Bei abgerundeter Führung verteilt sich die mechanische Verspannung auf den ganzen Krümmungsbogen der jeweiligen Zuführungselektrode (6), (7).The feeding of the electrodes should preferably be designed as a rounded guide at the end of the helix (see reference symbols ( 6 ) and ( 7 ) in FIGS. 1 and 4). If these feeds are not carried out in this way, then the probability of mechanical failure is greatest at these edges. The maximum electrical field and thus the maximum mechanical expansion prevail between the electrodes, which are half the pitch of the helix (normal electrode spacing). If the electrodes were continued at an angle, there would then be an area directly next to it that practically does not experience any stretching. This elongation incompatibility increases the risk of breakage at this point. With a rounded guide, the mechanical tension is distributed over the entire curve of the respective feed electrode ( 6 ), ( 7 ).

Der erfindungsgemäße Piezoaktor kann selbstverständlich auch derart gestaltet sein, daß die zu einer Spirale geformte Schichtfolge aus nur einer Schicht aus Keramik (oder anderem piezoelektrischen Material) zwischen den beiden Elektrodenschichten sowie einer Isolationsschicht zusammengesetzt ist. Die Isolationsschicht dient hierbei zur Isolation der beiden Elektrodenschichten voneinander, die ansonsten bei Bildung der Spiralform aufeinander liegen würden.The piezo actuator according to the invention can of course also be designed so that the shaped into a spiral Layer sequence consisting of only one layer of ceramic (or other piezoelectric material) between the two Electrode layers and an insulation layer is composed. The insulation layer is used here for Isolation of the two electrode layers from each other, the otherwise lie on top of one another when the spiral shape is formed would.

In der bevorzugten Ausführungsform ist jedoch anstelle der Isolationsschicht eine weitere aktive Keramikschicht vorgesehen.In the preferred embodiment, however, instead of the Insulation layer another active ceramic layer intended.

Weiterhin ist der erfindungsgemäße Piezoaktor nicht auf eine Schichtfolge aus einer einzigen Vierfachschicht begrenzt (vgl. Anspruch 8). Bei Verwendung von drei Vierfachschichten ergibt sich beispielsweise eine 3-gängige 4-fach-Helix, bei der drei Helices mit einem Versetzungswinkel von 120° ineinandergeschachtelt sind. Furthermore, the piezo actuator according to the invention is not based on one Layer sequence limited from a single quadruple layer (see. Claim 8). When using three quadruple layers there is, for example, a 3-turn, 4-fold helix at of the three helices with an offset angle of 120 ° are nested.

Als Materialien für die piezoelektrische Schicht eignen sich alle ferroelektrischen Keramiken. Beispiele hierzu bilden insbesondere das PZT-System (Blei-Zirkonat-Titanat- Mischkeramik, Pb(Zr_xTi_1-x)O₃, 0.45 ≦ x ≦ 0.55), das durch geeignete Dotierungsionen zu "weichem" bzw. "hartem" Verhalten gezüchtet wird (Xu, Yuhuan: "Ferroelectric Materials an their Applications", Elsevier, Amsterdam (NL), 1991). Weiche PZT's zeigen ausgeprägte Hysteresen bei Raumtemperatur und meistens sehr große Werte für die Piezokonstante (d₃₃), die jedoch bei bipolarer Nutzung des Aktors sehr schnell depolarisieren und zeitlich fallende d₃₃ - Koeffizienten zeigen. PZT's mit "hartem" Verhalten haben bei Raumtemperatur lediglich eine antrainierbare Hysterese. Man benötigt lange Polungszeiten bei möglichst hohen Temperaturen und erzielt geringe aber zeitlich sehr stabile Piezokoeffizienten. Ebenso eignen sich Systeme wie BaTiO₃ und ähnliche Ferroelektrika.All ferroelectric ceramics are suitable as materials for the piezoelectric layer. Examples of this are in particular the PZT system (lead-zirconate-titanate mixed ceramic, Pb (Zr _x Ti _1-x ) O ₃ , 0.45 x ≦ 0.55), which by means of suitable doping ions leads to "soft" or "hard" behavior is grown (Xu, Yuhuan: "Ferroelectric Materials an their Applications", Elsevier, Amsterdam (NL), 1991). Soft PZTs show pronounced hysteresis at room temperature and mostly very large values for the piezo constant (d ₃₃ ), which, however, depolarize very quickly with bipolar use of the actuator and show _{d 33 coefficients that decrease over time.} PZTs with "hard" behavior only have a hysteresis that can be trained at room temperature. Long polarization times are required at the highest possible temperatures and low but very stable piezo coefficients are achieved. Systems such as BaTiO ₃ and similar ferroelectrics are also suitable.

Ferner eignen sich alle elektrostriktiven (S. Yoshikawa, Namchul Kim, T. Shrout, Q. Zhang, P. Moses, L. E. Cross, "Field-Induced Lead Zirconate Titanate Stannate Antiferroelectric-to Ferroelectric Phase Switching Ceramics", SPIE 2441, 223-232 (1996)) sowie Relaxor-Materialien (L. E. Cross, "Relaxor Ferroelectrics: An Overview", Ferroelectrics 151, 305-320 (1994)). Diese beiden Klassen von Materialien werden nicht gepolt, sondern zeigen eine zum angelegten Feld parallele Dehnung, sofern die kristallografischen Orientierungen dies zulassen. Es entstehen aufgrund der statistischen Orientierungsverteilung der Kristallite wie im vorherigen Fall mechanische Verspannungen die zum Versagen des Materials führen können. Eine Konzentration dieser Verspannungen bei hohen Feldern an den Elektrodenspitzen ist ebenso gegeben, wie für ferroelektrische Keramiken. Beispiele zu diesen Materialien sind PMN (Blei-Magnesium-Niobat, Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃), das Mischsystem PMN-PT (Pb(Mg_1/3Nb_2/3) O₃- PbTiO₃), das System PZST (Blei-Zinn-Zirkonat, (Pb_0.97La_0.02) (Zr_0.66T_0.11-xSn_0.23+x)O₃) und auch PLZT (Blel- Lanthan-Zirkonat-Titanat, (Pb_1-yLa_y) (Zr_xTi_1-x)O₃) für geeignete Lanthankonzentrationen (G. H. Heartling, "PLZT Electrooptic Materials and Applications- A Review", Ferroelectrics 75, 25- 55 (1987)).Furthermore, all electrostrictive (S. Yoshikawa, Namchul Kim, T. Shrout, Q. Zhang, P. Moses, LE Cross, "Field-Induced Lead Zirconate Titanate Stannate Antiferroelectric-to Ferroelectric Phase Switching Ceramics", SPIE 2441, 223- 232 (1996)) and relaxor materials (LE Cross, "Relaxor Ferroelectrics: An Overview", Ferroelectrics 151, 305-320 (1994)). These two classes of materials are not polarized, but rather show an expansion parallel to the applied field, provided that the crystallographic orientations allow this. As in the previous case, mechanical stresses arise due to the statistical orientation distribution of the crystallites, which can lead to failure of the material. A concentration of these stresses in the case of high fields at the electrode tips is given, as is the case with ferroelectric ceramics. Examples of these materials are PMN (lead magnesium niobate, Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ ), the mixed system PMN-PT (Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ - PbTiO ₃ ), the system PZST (lead-tin-zirconate, (Pb _0.97 La _0.02 ) (Zr _0.66 T _0.11-x Sn _{0.23 + x} ) O ₃ ) and also PLZT (Blel-lanthanum-zirconate-titanate, (Pb _1-y La _y ) (Zr _x Ti _1-x ) O ₃ ) for suitable lanthanum concentrations (GH Heartling, "PLZT Electrooptic Materials and Applications-A Review", Ferroelectrics 75, 25-55 (1987)).

Eine gute Elektrodenqualität ist für die Lebensdauer eines Aktors ebenfalls von großer Bedeutung. Hierbei spielt insbesondere die Degradation durch von der Elektrode ausgehende Mikrorisse eine große Rolle (M.-J. Pan, S. -E. Park, K. A. Markowski, S. Yoshikawa, C. A. Randall, "Superoxidation and Electrochemical Reactions during Switching in Pb(Zr,Ti)O₃ Ceramics", J. Am. Ceram. Soc. 79 (6), 2971-2974 (1996)). Sie führt zu einer Zermürbung des Materials, die man bis zur Zersetzung hin zu einzelnen Körnern beobachten kann (D. Lupascu, M. Christmann, J. Nuffer, J. Rödel, "Microcrack Degradation in Ferroelectrics Monitored by Acoustic Emission", in Vorbereitung). Dieses Problem kann auch von der Helixgeometrie nicht prinzipiell gelöst werden.Good electrode quality is also of great importance for the service life of an actuator. In particular, the degradation caused by microcracks emanating from the electrode plays a major role (M.-J. Pan, S. -E. Park, KA Markowski, S. Yoshikawa, CA Randall, "Superoxidation and Electrochemical Reactions during Switching in Pb (Zr , Ti) O ₃ Ceramics ", J. Am. Ceram. Soc. 79 (6), 2971-2974 (1996)). It leads to attrition of the material, which can be observed up to the point of decomposition to individual grains (D. Lupascu, M. Christmann, J. Nuffer, J. Rödel, "Microcrack Degradation in Ferroelectrics Monitored by Acoustic Emission", in preparation) . This problem cannot in principle be solved by the helix geometry either.

Als Elektroden werden in der Regel die Metalle Ag, Ni, Au, Mn, Pd, Ag/Pd oder Pt eingesetzt, wobei die preiswerten Nickelelektroden keine so gute Stabilität zeigen, wie zum Beispiel teure Platin-Elektroden. Palladium und Silber/Palladium stellen derzeit einen Kosten/Nutzen- Kompromiß dar. Ferner wird seit einiger Zeit mit metallisch leitenden oxidischen Elektroden experimentiert z. B. RuO₂ (siehe US 5619393).As a rule, the metals Ag, Ni, Au, Mn, Pd, Ag / Pd or Pt are used as electrodes, the inexpensive nickel electrodes not exhibiting as good stability as expensive platinum electrodes, for example. Palladium and silver / palladium currently represent a cost / benefit compromise. Furthermore, experiments with metallically conductive oxidic electrodes have been carried out for some time. B. RuO ₂ (see US 5619393).

Folgende bekannte Techniken können zur Auftragung der Elektroden eingesetzt werden: Bedampfen, Sputtern, Pastenauftragung, chemische Abscheidung (z. B. Ionentauschverfahren oder Silberspiegelverfahren, mit nachfolgender mechanischer Nachbearbeitung zur Entfernung von Überschußmaterial) und Pulverauftragung. In den meisten Fällen werden die aufgebrachten Elektroden dann in einem weiteren Prozeßschritt durch Einbrennen in die darunterliegende Piezokeramik fest mit dem Aktorwerkstoff verbunden. Niedrig schmelzende Legierungen können auch flüssig aufgetragen, eingegossen oder infiltriert werden. Bevorzugte Aufbringungsverfahren für das Elektrodenmaterial auf eine erfindungsgemäße piezokeramische Helixstruktur sind beispielsweise Pastenauftragung, chemische Abscheidung, Pulverauftragung oder Infiltration.The following known techniques can be used to apply the Electrodes are used: vapor deposition, sputtering, Paste application, chemical deposition (e.g. Ion exchange process or silver mirror process, with subsequent mechanical post-processing to remove Excess material) and powder application. In most The electrodes are then applied in one case further process step by baking into the underlying piezoceramic firmly to the actuator material tied together. Low melting point alloys can also liquid applied, poured or infiltrated. Preferred application methods for the electrode material on a piezoceramic helix structure according to the invention e.g. paste application, chemical deposition, Powder application or infiltration.

Bei jedem thermischen Prozeßschritt treten beim Phasenübergang zwischen der meist kubischen Hochtemperaturphase der Keramik und der piezoelektrischen Phase unterhalb der Curietemperatur starke mechanische Verspannungen auf, die zu starker Mikrorißbildung führen (V. Srikanth, E. C. Subbarao, "Acoustic Emission in Ferroelectric Lead Titanate Ceramics: Origin and Recombination of Microcracks", Acta metall, mater. 40 (5), 1091-1100 (1992)). Um die Anzahl der thermischen Prozeßschritte u. a. auch aus Kostengründen zu minimieren, können Metall- und Keramikschichten zu einer Vielschicht-Vorform, entweder durch Pasten- oder Pulverabscheidung oder durch den erfindungsgemäßen Vielschicht-Folienstapel (siehe Anspruch 72) zusammengestellt und dann in einem gemeinsamen Schritt gesintert werden.In every thermal process step, the Phase transition between the mostly cubic High temperature phase of ceramic and piezoelectric Strong mechanical phase below the Curie temperature Tensions that lead to severe microcracking (V. Srikanth, E.C. Subbarao, "Acoustic Emission in Ferroelectric Lead Titanate Ceramics: Origin and Recombination of Microcracks ", Acta metall, mater. 40 (5), 1091-1100 (1992)). In order to reduce the number of thermal process steps, among other things. also from To minimize cost reasons, metal and Ceramic layers to a multi-layer preform, either through Paste or powder deposition or through the multilayer film stack according to the invention (see claim 72) and then in one step be sintered.

Oxidische Elektroden werden im Allgemeinen gleichzeitig mit der piezoelektrischen Keramik gesintert. Die Techniken hierfür finden insbesondere in der Mikroelektronik Anwendung, wo die Mikrobrüche durch mechanische Fehlanpassungen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen und den Oxidkeramiken schwerwiegende Folgen haben.Oxide electrodes are generally used simultaneously with the piezoelectric ceramic sintered. The techniques for this are used in particular in microelectronics, where the micro-breaks are due to mechanical mismatches the different thermal expansion coefficients of metals and oxide ceramics have serious consequences to have.

Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Aktors besteht in dem im folgenen erläuterten Schnittverfahren. Legt man eine gerade Linie durch die Mitte einer der kreisrunden Zylinderflächen, dann wird diese Fläche in zwei Teile geteilt. Nimmt man diese Linie als Schnittlinie einer fadenförmigen Säge (endlicher Schnittbreite), dann teilt diese den Zylinder längs der Zylinderachse in zwei Hälften. Wird der Zylinder bei dem Schnitt bei gleichzeitigem Vortrieb um seine Rotationsachse gedreht, dann bilden diese beiden Teile ineinandergefügte Helizes. Ist der Vortrieb solch einer Anordnung (vgl. Fig. 9) mit einem bestimmten Hub versehen, dann hat jede der 4 Helizes (2 Keramik, 2 Elektroden) des späteren Aktors den gleichen Hub (bzw. Ganghöhe), jedoch ineinander geschachtelt. Bei seitlicher Ansicht des Aktors sind Keramikschichten und Elektrodenschichten jeweils im Abstand der halben Ganghöhe zu sehen.A method for producing the actuator according to the invention consists in the cutting method explained below. If you put a straight line through the center of one of the circular cylinder surfaces, this surface is divided into two parts. If you take this line as the cutting line of a thread-like saw (finite cutting width), then this divides the cylinder into two halves along the cylinder axis. If the cylinder is rotated around its axis of rotation during the cut with simultaneous propulsion, then these two parts form interlocking helices. If the propulsion of such an arrangement (cf. Fig. 9) is provided with a certain stroke, then each of the 4 helices (2 ceramics, 2 electrodes) of the later actuator has the same stroke (or pitch), but nested one inside the other. When viewing the actuator from the side, ceramic layers and electrode layers can each be seen at a distance of half the pitch.

Nach dem Schneiden des Zylinders werden schließlich die Elektrodenschichten in die resultierenden Spalte zwischen den beiden ineinandergefügten Helizes aus Keramik eingebracht. Dies geschieht vorzugsweise durch das Einpressen als Pasten, Pulver, Flüssigkeiten oder Suspensionen in eine Form, in der sich auch der Aktorrohling (d. h. die beiden ineinandergefügten Helizes) befindet. Auf diese Weise werden alle Zwischenräume mit dem amorphen Elektroden(roh)material gefüllt. Nach einem gemeinsamen und/oder getrennten Sintervorgang (vgl. z. B. Anspruch 53) wird überschüssiges Material an den Aktoraußen- und innenseiten entfernt (beispielsweise durch ausbohren, abdrehen, schleifen, ätzen etc.).After cutting the cylinder, the Electrode layers in the resulting gaps between the two nested ceramic helices. This is preferably done by pressing in as pastes, Powders, liquids or suspensions in a form in which the actuator blank (i.e. the two nested helices). Be that way all gaps with the amorphous electrode (raw) material filled. According to a common and / or separate Sintering process (see. For example, claim 53) is excess Material removed from the outside and inside of the actuator (for example by drilling out, turning, grinding, etching Etc.).

Natürlich kann auch ein Zylinder aus Elektrodenmaterial geschnitten werden. In diesem Fall werden nachfolgend die Schichten aus Keramik gemäß den eben beschriebenen Techniken in die Zwischenräume eingebracht.Of course, a cylinder made of electrode material can also be used get cut. In this case, the Layers of ceramic according to the techniques just described introduced into the spaces.

In der Mitte des Zylinders wird entlang der Zylinderachse eine Öffnung mit dem Durchmesser des Schnittes freigeschnitten. Bei ungenauer Führung wird der Durchmesser der Öffnung größer. Weicht der Schnitt mehr als den halben Schnittdurchmesser von der Zylinderachse ab, dann bleibt in der Mitte ein Steg anstelle der Öffnung stehen. Deshalb ist es ratsam, den Schnitt bereits an einem Hohlzylinder durchzuführen. Dadurch wirken sich kleine Fehler beim Schnitt nicht so sehr aus. Welches der in den Ansprüchen formulierten Schnittverfahren benutzt wird, ist vom jeweiligen Material und den Prozessvoraussetzungen des Herstellers des Helixaktors abhängig.In the middle of the cylinder is along the cylinder axis an opening with the diameter of the cut cut free. If the guidance is inaccurate, the diameter the opening larger. If the cut is more than halfway Cutting diameter from the cylinder axis, then remains in there is a bar in the middle instead of the opening. Therefore it is advisable to make the cut on a hollow cylinder perform. This affects small errors in the cut not so much. Which of the ones formulated in the claims The cutting method used depends on the material and the process requirements of the manufacturer of the Helical actuator dependent.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Aktors besteht in einem Extrusionsverfahren zur Pastenabscheidung.Another method of making the invention Actuator consists in an extrusion process for Paste deposition.

Für die Hybridtechnik werden seit geraumer Zeit auch Pasten verwendet, die einen hohen Anteil keramischer Pulver, bzw. einen hohen Metallgehalt für die Elektroden enthalten (Pepin, J. G., "Multilayer ceramic capacitor electrodes: powder technology and fired properties", Journal of Materials Science,. Mater. Electron., 2[1]34-9 1991). Diese Pasten werden z. B. mit Siebdruckmaschinen in der Schichttechnik aufgebracht. Kürzlich ist hierzu ein Schichtverfahren bekannt geworden, das die Elektroden und die Keramikschichten eines Vielschichtaktors abwechselnd abscheidet (Okawa Y; Chikaoka Y; Sakaida A; Suzuki Y; Ikezaki Y, METHOD FOR PRODUCING A LAYERED PIEZOELECTRIC ELEMENT, US 5639508, 1997, Brother Kogyo KK, 17. Juni 1997). Die für den vorliegenden erfindungsgemäßen Piezoaktor relevante Technik ist das gleichzeitige Abscheiden der Pasten aus mehreren Düsen. Dies ist notwendig, um bei Rotation die ineinanderliegenden 4 Helizes darstellen zu können. Die zumindest notwendige Anzahl von vier Düsen ist durch die minimal nötige Anzahl an Schichten vorgegeben. Mehrfache Düsenöffnungen, die lediglich zu einer besseren Verteilung der Paste dienen, sind in diesem Prinzip mit eingeschlossen. Ebenso Vielfache der Anzahl der Düsen, die lediglich die Vierfach-Schichtfolge mehrmals darstellen.Pastes have also been used for hybrid technology for some time used, which have a high proportion of ceramic powder or contain a high metal content for the electrodes (pepin, J. G., "Multilayer ceramic capacitor electrodes: powder technology and fired properties, "Journal of Materials Science ,. Mater. Electron., 2 [1] 34-9 1991). These pastes are z. B. with screen printing machines in the layer technique upset. A layering process has recently been known for this purpose that the electrodes and the ceramic layers of one Multilayer actuator separates alternately (Okawa Y; Chikaoka Y; Sakaida A; Suzuki Y; Ikezaki Y, METHOD FOR PRODUCING A LAYERED PIEZOELECTRIC ELEMENT, US 5639508, 1997, Brother Kogyo KK, June 17, 1997). The for the present The technology relevant to the piezo actuator according to the invention is that simultaneous deposition of the pastes from several nozzles. this is necessary to keep the 4 To be able to represent helices. The least necessary Number of four nozzles is due to the minimum number required Layers given. Multiple nozzle openings that are merely to better distribute the paste are included in this Principle included. Likewise, multiples of the number of Nozzles that only do the fourfold layer sequence several times represent.

Um einen Pasten-Zylinder bzw. -Hohlzylinder großer Höhe (Ausdehnung entlang der Zylinderachse) herstellen zu können, müssen die Pasten in eine mechanische Form hinein abgeschieden werden. Diese sollte aus einem sich bei hohen Temperaturen gut zersetzenden Material gefertigt sein. Hier kommen Kunststoffe oder harte Pappen in Frage. Die Vorform sollte ferner vorzugsweise die innere Öffnung des Hohlzylinders bereits enthalten, um eine mechanische Bohrung des fertigen Aktors zu vermeiden. Auch bei sehr guten Pasten und Formgebung der Düsen ist es nicht vermeidbar, daß sich die Pasten der verschiedenen Schichten in der Mitte eines Vollzylinders treffen. Dies ist auf jeden Fall durch eine innere Öffnung zu verhindern. Ob die äußere Form des Aktors dann kreiszylindrisch gewählt wird oder nicht, ist für die Funktionsweise und auch für die Lebensdauer kaum relevant, obwohl Ecken und Kanten auch hier vermieden werden sollten. In der Herstellung am einfachsten ist sicherlich der kreisrunde Zylinder.Around a paste cylinder or hollow cylinder of great height (Expansion along the cylinder axis) to be able to produce the pastes have to be put into a mechanical mold to be deposited. This should come out at high Temperatures well decomposing material be made. here plastics or hard cardboard come into question. The preform should also preferably be the inner opening of the Hollow cylinder already included to make a mechanical bore of the finished actuator. Even with very good pastes and shape of the nozzles it is unavoidable that the pastes of the different layers in the middle of a Meet the full cylinder. This is definitely by one to prevent internal opening. Whether the external shape of the actuator then circular cylindrical is chosen or not, is for the Functionality and hardly relevant for the service life, although corners and edges should also be avoided here. The easiest to manufacture is certainly the circular cylinder.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemässen Aktors besteht in einem bindenden Freiformverfahren, im folgenden Freiform-Verfahren genannt.Another method for producing the inventive Aktors consists of a binding free-form process, im called the following free-form process.

In einer Lösung aus Polymeren mit Anteilen, die geeignet sind eine entsprechende Keramik zu bilden und weiterhin organischen Gruppen, die fähig sind durch UV-Licht zu binden, kann eine komplexe Struktur durch Bestrahlung mit UV-Licht erzeugt werden (Danforth, S. C., Safari, A., "Solid Freeform Fabrication: Novel Manufacturing Opportunities for Electronic Ceramics", IEEE Int. Symp. On Appl. of Ferroelectrics 1, 183- 188, (1996)). Zur Herstellung der erfindungsgemässen Helixstruktur inclusive aller abgerundeten Enden und eventuellen Stromzuführungen wird diese Geometrie in einem Computer simuliert. Die so generierte erfindungsgemässe Helixstruktur kann durch folgende Schritte direkt auf die Keramikform abgebildet werden. In einem Behälter mit einer geeigneten Lösung von Polymeren wird eine vertikal bewegliche Unterlage an der Oberfläche der Flüssigkeit in diese hineingetaucht. Mit einem fokussierten UV-Strahl wird für die entsprechende Lage Keramik (am Anfang die unterste) das Muster der Keramik mit dem UV-Strahl geschrieben. Die Unterlage wird dann ein ganz kleines Stück weiter in die Flüssigkeit getaucht und die nächste Lage Polymervorform wird gebildet. Diese zwei Schritte werden so lange wiederholt, bis die vollständige erfindungsgemässe Aktorgeometrie gebildet ist. Die Keramik wird dann durch Polymerpyrolyse hergestellt. Weiterhin ist es möglich in die so gebildete feste Vorform des Keramik-Vorpolymers eine weitere geeignete Flüssigkeit mit Metallanteilen oder metallhaltigen Polymeren einzubringen, so dass bei der Pyrolyse sowohl die Keramikstruktur als auch die Elektrodenstruktur in einem thermischen Prozessschritt gebildet werden. Wird lediglich die Polymervorform der Keramik gesintert, dann lassen sich selbstverständlich alle bisher genannten Verfahren zum Einbringen der Metallanteile in eine gesinterte Vorform verwenden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass auch sehr dünne Schichten insbesondere der piezoelektrisch inaktiven Elektrodenschicht gebildet werden können. Natürlich sind die zwei Prozessschritte sinngemäß in ihrer Reihenfolge austauschbar, wobei dann Elektroden-Vorformen gebildet werden müssen, die genügend mechanische Stabilität aufweisen, um das Einbringen des keramikbildenden Polymers oder einer anderen keramikbildenden Flüssigkeit oder Paste oder Schlickers zu ermöglichen.In a solution of polymers with proportions that are suitable to form a corresponding ceramic and continue organic groups that are able to bind through UV light, can create a complex structure through irradiation with UV light (Danforth, S. C., Safari, A., "Solid Freeform Fabrication: Novel Manufacturing Opportunities for Electronic Ceramics ", IEEE Int. Symp. On Appl. Of Ferroelectrics 1, 183- 188, (1996)). For the production of the invention Helical structure including all rounded ends and possible power supply this geometry becomes in one Computer simulated. The thus generated according to the invention Helix structure can be directly applied to the Ceramic shape can be mapped. In a container with a suitable solution of polymers becomes a vertically movable one Pad on the surface of the liquid in this immersed in it. A focused UV beam is used for the corresponding layer of ceramics (at the beginning the lowest) the Pattern of ceramics written with the ultraviolet ray. the The underlay is then a very small piece further into the Liquid is immersed and the next layer of polymer preform is made educated. These two steps are repeated until the complete actuator geometry according to the invention is formed is. The ceramic is then made by polymer pyrolysis. It is also possible to use the solid preform thus formed another suitable liquid of the ceramic prepolymer with metal components or metal-containing polymers bring in, so that during pyrolysis both the Ceramic structure and the electrode structure in one thermal process step are formed. Will only sintered the polymer preform of the ceramic, then can of course, all of the previously mentioned procedures for Bringing the metal parts into a sintered preform use. This procedure has the advantage of that too very thin layers, especially the piezoelectric inactive electrode layer can be formed. Naturally are the two process steps in their order exchangeable, in which case electrode preforms are formed must have sufficient mechanical stability to allow the Introducing the ceramic-forming polymer or another ceramic-forming liquid or paste or slip enable.

Wählt man geeignete Vorpolymere, eines zur Bildung der Metallschichten und eines zur Bildung der Keramikschichten, die bei unterschiedlichen UV-Lichtwellenlängen polymerisieren, dann lassen sich Keramik- und Metallanteile mit zwei UV-Strahlen gleichzeitig aus einer Lösung polymerisieren. Die gesamte Geometrie des erfindungsgemässen Aktors wird dann in einem Prozessschritt als Polymervorform erzeugt. Diese Polymervorform wird dann in einem thermischen Prozessschritt zum vollständigen Aktor.Choosing suitable prepolymers, one for forming the Metal layers and one to form the ceramic layers, those at different UV light wavelengths polymerize, then ceramic and metal parts can be with two UV rays at the same time from one solution polymerize. The entire geometry of the inventive The actuator is then used as a polymer preform in one process step generated. This polymer preform is then in a thermal Process step to a complete actuator.

In der Doppelhelixgeometrie als Hohlzylinder ist eine direkte Berührung der zwei Elektroden ausgeschlossen. Um jedoch im Betrieb auch einen Schutz vor Kurzschluß durch Abriebteilchen zu gewährleisten, sollte ein gut elastisches Isolationsmaterial fest mit den Oberflächen der Spirale bzw. Helix verbunden werden. Eine glatte elektrisch isolierende Führung, die nicht in fester Verbindung mit dem Aktor steht, mit einem elektrisch isolierenden Gleitmittel zwischen dieser Führung und dem Aktor ist ebenfalls möglich. Sie sollte aber deutlich weicher als das Elektroden und/oder Piezomaterial sein, um Abrieb zu verhindern.In the double helix geometry as a hollow cylinder there is a direct No contact with the two electrodes. However, in order to use the Operation also provides protection against short-circuit due to abrasion particles to ensure it should be a good elastic Insulation material firmly with the surfaces of the spiral resp. Helix to be connected. A smooth electrically insulating Leadership that is not in permanent connection with the actuator, with an electrically insulating lubricant between them Leadership and the actuator is also possible. But she should significantly softer than the electrodes and / or piezo material be to prevent abrasion.

Die Kontaktierung der Elektrodenenden ist abhängig von der Anwendung. In den Ausführungsbeispielen sind sowohl Zuführungskabel als auch eine Kontaktierung durch die zwei Stirnflächen des Aktors gezeigt. Bei der Herstellung durch Schnitt ist es nicht ohne großen Aufwand zu vermeiden, daß eine der Stirnflächen des Aktors vollständig geteilt wird. Hier führen also dann beide Elektroden aus der Keramik heraus. Da dies auch die Richtung der mechanischen Dehnung ist, muß hier eine gut isolierende, mechanisch feste Platte (36) angebracht werden, die sowohl zur Kraftführung als auch zur elektrischen Isolation des Aktorkörpers gegenüber seiner Umgebung dient. Über Ausnehmungen und/oder Vertiefungen (37) in der mechanisch festen Platte ist ggf. auch eine Führung und ein Schutz der Elektrodenzuleitungen realisierbar. Die Zuführungskabel sind seitlich anzubringen.The contacting of the electrode ends depends on the application. In the exemplary embodiments, both feed cables and a contact through the two end faces of the actuator are shown. When producing by cutting, it cannot be avoided without great effort that one of the end faces of the actuator is completely divided. So here both electrodes lead out of the ceramic. Since this is also the direction of the mechanical expansion, a well insulating, mechanically strong plate ( 36 ) must be attached, which serves both for force guidance and for electrical insulation of the actuator body from its surroundings. Through recesses and / or depressions ( 37 ) in the mechanically fixed plate, guidance and protection of the electrode leads can also be implemented, if necessary. The supply cables are to be attached to the side.

Ein großer Vorteil sowohl des Extrusionsverfahrens nach Anspruch 55 als auch des Freiformverfahrens nach Anspruch 79 ist es, daß jeweils eine der Elektroden nicht bis zur jeweiligen Stirnseite geführt werden muß und in diesem Fall vollständig auf fest verbundene Zuführungskabel verzichtet werden kann. Eine der beiden dann metallisch ausgeführten Stirnflächen kann als Masse, die andere als Hochspannungszuführung genutzt werden.A great advantage both after the extrusion process Claim 55 as well as the free-form method according to Claim 79 it is that one of the electrodes is not up to respective end face must be performed and in this case completely dispensed with permanently connected supply cables can be. One of the two then made metallic End faces can be as mass, the other as High voltage supply can be used.

Um die für lange Lebensdauern nötige mechanische Vorspannung zu gewährleisten, kann der Helixaktor in eine externe Vorspannvorrichtung eingebaut werden, wie sie auch für andere Vielschichtaktoren genutzt wird. Da dies beim Einbau meist unter Werkstattbedingungen erfolgt, ist eine Schädigung der bruchempfindlichen Keramik oft nicht zu vermeiden. Die Doppelhelixgeometrie in der Ausführung als Hohlzylinder bietet den großen Vorteil, daß im offenen Kern eine mechanische Führung angebracht werden kann, die gleichzeitig mit zwei metallischen Platten zur Vorspannung der Keramik dient. Die mechanisch vorgespannte Keramik ist dann auch nicht mehr so stark gegen Bruch empfindlich, da sie einerseits keine äußeren keramischen Kanten mehr hat und andererseits bereits unter Drucklast steht. Die äußere Dimension des Aktors wird in dieser Ausführung nicht erhöht, was bei beengten Einbaubedingungen sehr hilfreich sein kann. Ferner ist der bereits vorgespannte und somit unempfindliche Helixaktor leicht handhabbar.About the mechanical preload necessary for a long service life to ensure, the helix actuator can be in an external Pre-tensioning device can be installed, as it is for others Multi-layer actuators is used. Since this is usually the case during installation takes place under workshop conditions, damage to the fragile ceramics often cannot be avoided. the Double helix geometry in the design as a hollow cylinder has the great advantage that in the open core one mechanical guide can be attached at the same time with two metallic plates for prestressing the ceramic serves. The mechanically pre-stressed ceramic is then also no longer as sensitive to breakage as they are on the one hand no longer has any outer ceramic edges and on the other hand is already under pressure. The outer The actuator dimension is not increased in this version, which can be very helpful in cramped installation conditions. Furthermore, it is already pre-tensioned and therefore insensitive Helix actuator easy to handle.

Ein weiterer Vorteil der Doppelhelixgeometrie ist die Tatsache, daß sie gegen Verkippungen und ungleiche mechanische Last an den Stirnflächen deutlich unempfindlicher ist als Kammstrukturen. Da die Doppelhelix weder innere Kanten noch Ecken hat, stehen diese nicht zur Verfügung, um lokal die äußeren mechanischen Spannungen zu erhöhen. Die Last wird gleichmäßig verteilt und der Bruch somit deutlich unwahrscheinlicher.Another advantage of the double helix geometry is that Fact that they are against tilts and unequal mechanical load on the end faces significantly less sensitive is as comb structures. Since the double helix is neither inner Edges still has corners, these are not available to to locally increase the external mechanical stresses. the The load is evenly distributed and the breakage is clear less likely.

Da die Piezoaktoren zu großen Leistungen hin genutzt werden sollen, entsteht beim Schalten der Aktoren eine nicht unerhebliche Wärmemenge. Ein Teil dieser Wärme muß unter bestimmten Betriebsbedingungen künstlich abgeführt werden. Dies ist in vorteilhafter Weise in der Hohlzylindergeometrie inmitten des Aktors durch eine freizulassende Öffnung in der Metallführung bzw. der Vorspannvorrichtung leicht möglich. Unter Umständen reicht diese Kühlung dann vollständig aus, um die Wärme abzuführen. Keine weiteren kühlmitteldichten Behältnisse um den Aktor herum sind dann notwendig.Because the piezo actuators are used for high performance should not occur when the actuators are switched insignificant amount of heat. Some of this warmth must be under certain operating conditions can be artificially removed. This is advantageously in the hollow cylinder geometry in the middle of the actuator through an opening to be released in the Metal guide or the pretensioning device easily possible. Under certain circumstances, this cooling is then completely sufficient to to dissipate the heat. No further coolant seals Containers around the actuator are then necessary.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigenThe invention will be based on the Embodiments and the drawings explained in more detail will. Show here

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezoaktors; FIG. 1 is a schematic diagram of one embodiment of the piezoelectric actuator according to the invention;

Fig. 2 einen Vielschichtaktor mit Kammstruktur gemäß dem Stand der Technik; Fig. 2 is a multilayer actuator with a comb structure according to the prior art;

Fig. 3 einen weiteren Vielschichtaktor des Standes der Technik mit externer Kontaktierung der Einzelelektroden; Fig. 3 shows a further multi-layer actuator of the prior art with external contacting of the individual electrodes;

Fig. 4 ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Piezoaktor in Schnittansicht; Fig. 4 is an example of a piezoelectric actuator according to the invention in sectional view;

Fig. 5 den Piezoaktor der Fig. 4 mit isolierendem Kern; FIG. 5 shows the piezo actuator from FIG. 4 with an insulating core; FIG.

Fig. 6 den Piezoaktor der Fig. 4 mit Metallführung; Fig. 6 is the piezoelectric actuator of Figure 4 with metal guide.

Fig. 7 den Piezoaktor der Fig. 4 mit mechanischer Spannvorrichtung; Fig. 7 the piezoelectric actuator of Figure 4 with mechanical clamping device.

Fig. 8 den Piezoaktor der Fig. 4 mit Gehäuse; Fig. 8 the piezoelectric actuator of Figure 4 with casing.

Fig. 9 den Piezoaktor der Fig. 4 mit Spannscheiben in gespanntem Zustand sowie metallischer Führung, die ein durchlaufendes Rohr zur Kühlung aufweist; FIG. 9 shows the piezo actuator of FIG. 4 with clamping disks in the tensioned state and a metallic guide which has a continuous pipe for cooling; FIG.

Fig. 10 ein Beispiel für eine mechanische Vorspannung mit Federscheiben in entspanntem Zustand; FIG. 10 is an example of a mechanical prestress with spring washers in a relaxed state;

Fig. 11 ein Beispiel für einen Schneckenvorschub, wie er beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird (alle schraffierten Teile im Schnitt; Schnecke in Aufsicht) Figure 11 is an example of a screw feed, such as is used in the inventive process (all the hatched portions in section; screw in plan view).

Fig. 12 ein Beispiel einer Spannvorrichtung, die als Schraube ausgeführt ist, mit einer Drehmomentsperrscheibe; FIG. 12 is an example of a clamping device, which is designed as a screw with a torque locking disc;

Fig. 13 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezoaktors mit ungleich langen Elektrodenenden, wobei die Stirnseiten als Stromzuführungen dienen; Fig. 13 shows a further embodiment of the piezoelectric actuator according to the invention with unequal length electrode ends, wherein the end faces serve as power supply lines;

Fig. 14 ein Beispiel für den erfindungsgemäßen Piezoaktor mit mittigen Stromzuführungen und einer Kabelführung durch eine externe Gegendruckplatte hindurch;14 shows an example for the inventive piezoelectric actuator with the central power supply lines and a cable guide by an external counter-pressure plate.;

Fig. 15 ein Beispiel für den erfindungsgemäßen Piezoaktor mit seitlichen Stromzuführungen; Figure 15 is an example of the piezoelectric actuator according to the invention with lateral current supply.

Fig. 16 ein Beispiel für eine Extrusionseinheit gemäß Anspruch 68; FIG. 16 is an example of an extrusion unit according to claim 68;

Fig. 17 ein Beispiel für eine Extrusionseinheit mit Vielfachöffnungen an den Düsen; Figure 17 is an example of an extrusion unit with multiple ports at the nozzles.

Fig. 18 ein Beispiel für eine Vierfach-Schichtstruktur aus Folien, wie sie beim erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 72 eingesetzt werden; FIG. 18 is an example of a four-layer structure of films, as are used according to claim 72 in the inventive method;

Fig. 19 ein Beispiel für gestanzte Ringe aus einer Vierfachschicht, wie sie als Zwischenprodukt beim erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 72 auftreten;19 shows an example of punched rings of a quadruple layer, as they occur as an intermediate in the inventive method of claim 72.

Fig. 20 ein Beispiel für eine Unterlage gemäß Anspruch 76; FIG. 20 is an example of a support according to claim 76;

Fig. 21 ein weiteres Beispiel für eine Unterlage zur Erzeugung eines abgerundeten Verlaufs der Elektrodenenden; und Fig. 21 is another example of a base to produce a rounded profile of the electrode ends; and

Fig. 22 ein Beispiel für aus der Folie ausgestanzte streifenförmige Teile für Anfangs- und Endstück (Anspruch 78). Fig. 22 is an example of punched out of the foil strip-shaped parts for start and end piece (claim 78).

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors. Aus der Figur ist die eine Spirale (mit Hohlraum) bildende Schichtfolge (1) aus einer Vierfachschicht deutlich zu erkennen. Die Elektrodenschichten ((+), (-)) weisen an den Stirnseiten des durch die Spirale gebildeten Aktors eine abgerundeten Verlauf (6, 7) auf. Fig. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of the piezoelectric actuator according to the invention. The layer sequence (1 ) consisting of a quadruple layer and forming a spiral (with a cavity) can be clearly seen in the figure. The electrode layers ((+), (-)) have a rounded profile ( 6 , 7 ) on the end faces of the actuator formed by the spiral.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktor mit den beiden Schichten aus Elektrodenmaterial (4, 5), zwischen denen eine Schicht aus Keramik (3) liegt, und einer weiteren Schicht (2), vorzugsweise ebenfalls aus Keramik. Die Schichtfolge (1) ist übereinanderliegend zu einer Spirale geformt. Fig. 4 shows a section through an inventive actuator with the two layers of electrode material (4, 5) between which is a layer of ceramic (3), and a further layer (2), also preferably made of ceramic. The layer sequence ( 1 ) is formed into a spiral one on top of the other.

Als Beispiel wurde mit dem Schnittverfahren ein Piezoaktor, wie er in den Fig. 1 bzw. 4 dargestellt ist, mit folgenden Abmessungen hergestellt:As an example, a piezo actuator, as shown in FIGS. 1 and 4, with the following dimensions was produced using the cutting process:

Außendurchmesser:Outer diameter: ca. 20 mmapprox. 20 mm Innendurchmesser:Inside diameter: ca. 6 mmapprox. 6 mm Höhe des Aktorkörpers:Actuator body height: ca. 40 mmapprox. 40 mm Höhe des Helixabschnittes:Height of the helix section: ca. 20 mmapprox. 20 mm Windungszahl:Number of turns: ca. 10approx 10 Ganghöhe:Pitch: ca. 2 mmapprox. 2 mm Schnittbreite:Cutting width: ca. 0,2 mmapprox. 0.2 mm abgerundete Elektrodenzuführung:rounded electrode feed: ca. 10 mmapprox. 10 mm

Es sind verschiedene Steigungen bzw. Ganghöhen der Spirale möglich. Die Ganghöhe sollte jedoch nicht zu groß gewählt werden, damit die elektrischen Feldkomponenten senkrecht zur Ausdehnungsrichtung des Aktors nicht zu groß werden. Über die Variation der Ganghöhe der Spiralen- bzw. Helixstruktur kann ein vorgegebener oder gewünschter Verlauf des elektrischen Feldes im Aktorkörper zumindest mit hinreichend guter Näherung erreicht werden. Derzeit gängige Finite-Elemente- Programme können genutzt werden, um näherungsweise die Feldüberhöhungen zu berechnen. Die Vorzeichen der elektrischen Spannung sind nur zur Orientierung eingezeichnet und können auch umgekehrt verwendet werden. Eine bei der Polung ferroelektrischer Keramiken mit (+) beaufschlagte Elektrode sollte auch im Betrieb in dieser Polungsrichtung betrieben werden.There are different pitches or pitches of the spiral possible. However, the pitch should not be too large so that the electric field components are perpendicular to the The direction of extension of the actuator does not become too great. About the Variation of the pitch of the spiral or helix structure can a predetermined or desired course of the electrical Field in the actuator body at least with sufficiently good Approximation can be achieved. Currently common finite element Programs can be used to approximate the To calculate field peaks. The signs of the electrical voltage are shown for guidance only and can also be used vice versa. One at the Polarity of ferroelectric ceramics with (+) applied Electrode should also be in this polarity direction during operation operate.

Ein Aufbau der Spirale mit steigender Ganghöhe zu den Stirnflächen des zylinderförmigen Aktors hin (vgl. Anspruch 10) entspricht einer abgerundeten Zuführung der Elektroden, jedoch mit so kleiner Rundung, daß die Zuführung sich wie eine sehr steile Helix gestaltet.A structure of the spiral with increasing pitch to the End faces of the cylindrical actuator (see claim 10) corresponds to a rounded lead for the electrodes, but with such a small rounding that the feeder is like designed a very steep helix.

Eine Isolation (8) an den Randflächen der Spirale kann durch Lacke, Polymere, Öle oder andere hochisolierende Stoffe gewährleistet werden. Ob dabei eine feste Verbindung zum Aktormaterial gewählt wird, hängt von der Anwendung ab. Beispiele zu Formen der Isolation (8, 17) sind in den Fig. 5, 6, 7 und 8 zu sehen.An insulation ( 8 ) on the edge surfaces of the spiral can be ensured by varnishes, polymers, oils or other highly insulating substances. Whether a fixed connection to the actuator material is chosen depends on the application. Examples of forms of insulation ( 8 , 17 ) can be seen in FIGS. 5, 6, 7 and 8.

Hierbei zeigt Fig. 6 einen Piezoaktor mit mechanischer Führung (9) aus Metall in dem durch die Spirale gebildeten Hohlraum. Fig. 7 stellt ein Beispiel für eine mechanische Führung (11) dar, die gleichzeitig als mechanische Spannvorrichtung für den Piezoaktor dient. Bezugszeichen (17) bezeichnet isolierende Ringe an den Stirnflächen. Here, FIG. 6 shows a piezoelectric actuator with a mechanical guide (9) of metal in the space formed by the spiral cavity. FIG. 7 shows an example of a mechanical guide ( 11 ) which simultaneously serves as a mechanical tensioning device for the piezo actuator. Reference number ( 17 ) denotes insulating rings on the end faces.

Fig. 8 zeigt einen Piezoaktor, bei dem die Führung (10) in ein Gehäuse (10, 14) des Piezoaktors integriert ist, wobei Bezugszeichen (14) eine Verschlußkappe des Gehäuses darstellt. Fig. 8 shows a piezoelectric actuator, in which the guide (10) of the piezoelectric actuator is integrated in a housing (10, 14), in which reference numeral (14) represents a cap of the housing.

Eine weitere Möglichkeit eines Gehäuses ist das gleichzeitig als Vorspannvorrichtung dienende Gehäuse (30, 31, 32) der Fig. 12.A further possibility of a housing is the housing ( 30 , 31 , 32 ) of FIG. 12, which simultaneously serves as a pretensioning device.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Beispiel für einen Piezoaktor mit metallischer Führung. Hierbei wurden (an den Stirnflächen) Spannscheiben zur mechanischen Vorspannung eingesetzt, die in gespanntem Zustand dargestellt sind. Die mechanische Führung (12) ist als Rohr gefertigt, in dessen Innerem (13) eine Kühlflüssigkeit zirkuliert. Hierdurch wird auf einfache Weise eine Kühlung des Piezoaktors erzielt. Fig. 9 shows another example of a piezoelectric actuator with metal guide. Here, tensioning disks were used (on the end faces) for mechanical pre-tensioning, which are shown in a tensioned state. The mechanical guide ( 12 ) is made as a tube, inside ( 13 ) of which a cooling liquid circulates. In this way, cooling of the piezo actuator is achieved in a simple manner.

Eine Möglichkeit der mechanischen Vorspannung ist in der Spannvorrichtung (30, 31, 32) der Fig. 12 als Schraubversion gegeben. Die Spannvorrichtung beinhaltet auch eine Sperrscheibe (31), um eine Übertragung des Drehmomentes auf den Piezoaktor beim Verschrauben zu verhindern. Die Spannvorrichtung bildet gleichzeitig das Gehäuse (30, 31, 32), das einen sicheren mechanischen Schutz des Bauteils gewährleistet.One possibility of mechanical pre-tensioning is given in the tensioning device ( 30 , 31 , 32 ) of FIG. 12 as a screw version. The tensioning device also contains a locking disk ( 31 ) to prevent the torque from being transmitted to the piezo actuator during screwing. The clamping device also forms the housing ( 30 , 31 , 32 ), which ensures reliable mechanical protection of the component.

Eine weitere Möglichkeit der Vorspannung ist in Fig. 10 durch einen Spannfederstift (16) und eine Spannscheibe (15) gegeben. Zur Montage werden diese, nachdem der Piezoaktor eingesetzt wurde, lediglich fest ineinandergeklemmt. Fig. 10 zeigt die Federscheiben in entspanntem Zustand.Another possibility of pre-tensioning is given in FIG. 10 by a tension spring pin ( 16 ) and a tension washer ( 15 ). After the piezo actuator has been inserted, these are simply clamped tightly into one another for assembly. Fig. 10 shows the spring washers in a relaxed state.

Ein Beispiel eines Schneckenvortriebes für die Aktorfertigung unter Einsatz der Schnittechnik ist in Fig. 11 dargestellt. Der zu schneidende keramische Vorkörper (21) wird bei Rotation der Welle (23), die in einer Halterung (22) mit Lagern gehaltert wird, dadurch gegen den feststehenden Schneiddraht (25) vorangetrieben, daß der Führungsstift (26) in einer helixförmigen Kulissenführung (27) mit abgerundeten Enden auf dem Vortriebszylinder (24) ähnlich wie bei einem Kopierdrehvorgang geführt wird.An example of a screw drive for actuator production using cutting technology is shown in FIG. 11. When the shaft ( 23 ), which is held in a holder ( 22 ) with bearings, rotates, the ceramic preform ( 21 ) to be cut is driven against the fixed cutting wire ( 25 ) in that the guide pin (26 ) moves in a helical link guide ( 27 ) is guided with rounded ends on the drive cylinder ( 24 ) similar to a copy-turning process.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Piezoaktors mit ungleich langen Elektrodenenden (27, 29). Hierbei sind die Stirnflächen (28) des Aktors als Kontakte ausgeführt, mit denen die Elektroden auf jeweils einer Seite verbunden sind (29). Dadurch wird eine externe elektrische Kontaktierung des Aktors erleichtert. In diesem Fall müssen jeweils die Elektroden anderer Polarität enden (27), bevor sie die Stirnflächen erreichen. Ein Aufbau dieser Art ist in Schnitttechnik etwas schwierig herzustellen. Es bietet sich daher vorzugsweise die Herstellungstechnik des Extrudierens an. Beim Extrudieren kann zu geeignetem Zeitpunkt einfach die Extrusion einer der Elektroden ausgesetzt werden, um die in Fig. 13 dargestellte Struktur zu erzeugen. Fig. 13 shows an example of a piezoelectric actuator according to the invention with unequal length electrode ends (27, 29). The end faces ( 28 ) of the actuator are designed as contacts to which the electrodes are connected on one side ( 29 ). This facilitates external electrical contacting of the actuator. In this case, the electrodes of different polarity must end ( 27 ) before they reach the end faces. A structure of this kind is somewhat difficult to manufacture using cutting technology. The production technique of extrusion is therefore preferred. During the extrusion, the extrusion of one of the electrodes can simply be exposed at a suitable point in time in order to produce the structure shown in FIG.

Eine Kontaktierung der Elektroden im Inneren des Hohlzylinders ist ebenfalls möglich, wie in Fig. 14 dargestellt ist. Die äußere mechanische Stütze (33), gegen die die mechanischen Hübe des Aktors letztendlich arbeiten müssen, enthält in diesem Fall eine Bohrung zur Durchführung der Kabel (34).Contacting the electrodes in the interior of the hollow cylinder is also possible, as shown in FIG. 14. The outer mechanical support ( 33 ), against which the mechanical strokes of the actuator ultimately have to work, contains in this case a hole for the cable ( 34 ) to pass through.

Eine Kontaktierung von außen kann beispielsweise in der Form angelöteter, angesinterter oder eingesteckter externer Anschlußleitungen (35) bestehen (siehe Fig. 15). Hier führen beide Elektroden aus der Keramik heraus. Die gut isolierende, mechanisch feste Deckplatte (36) dient sowohl zur Kraftführung als auch zur elektrischen Isolation des Aktorkörpers gegenüber seiner Umgebung. Über Ausnehmungen und/oder Vertiefungen (37) in der mechanisch festen Platte ist ggf. eine Führung und ein Schutz der Elektrodenzuleitungen realisierbar. Die Zuführungskabel werden seitlich angebracht. Contacting from the outside can consist, for example, in the form of external connection lines ( 35 ) soldered on, sintered on or plugged in (see FIG. 15). Here both electrodes lead out of the ceramic. The well-insulating, mechanically strong cover plate ( 36 ) serves both for force guidance and for electrical insulation of the actuator body from its surroundings. If necessary, the electrode leads can be guided and protected by means of recesses and / or depressions ( 37) in the mechanically fixed plate. The supply cables are attached to the side.

Für einen Extruder zur Herstellung des Piezoaktors ist in Fig. 16 ein Beispiel gegeben. Aus den vier Öffnungen (40; A, B, C, D) werden jeweils keramikhaltige Pasten (oder Polymer- Keramik-Verbunde oder Pyrolyse-Vorpolymere für die Keramik) aus zwei gegenüberliegenden Düsen (A, D) abgeschieden. Aus dem anderen Paar Düsen (B, C) wird dann die metallhaltige Paste (oder Polymer-Metall-Verbund oder Pyrolyse-Vorpolymer für die Elektrode) abgeschieden. Die Zuführungen der zu extrudierenden Materialien (42) sind im Inneren des Extruders geführt. Ein Führungsstab (41) dient dazu, den Hohlraum im Innern der Spirale zu erzeugen, wenn keine Negativform mit innerem Zylinder verwendet wird. Der ganze Extruder oder die Negativform oder beide können gedreht werden.An example of an extruder for producing the piezo actuator is given in FIG. 16. Ceramic-containing pastes (or polymer-ceramic composites or pyrolysis prepolymers for the ceramic) are deposited from two opposing nozzles (A, D) from the four openings ( 40; A, B, C, D). The metal-containing paste (or polymer-metal composite or pyrolysis prepolymer for the electrode) is then deposited from the other pair of nozzles (B, C). The feeds of the materials to be extruded ( 42 ) are guided inside the extruder. A guide rod ( 41 ) is used to create the cavity inside the spiral if a negative mold with an inner cylinder is not used. The whole extruder or the negative mold or both can be rotated.

Ein Beispiel für einen Extruder mit mehrfachen Öffnungen pro Düse (43) für eine bessere Abscheidung in den inneren und äußeren Bereichen der Helix ist in Fig. 17 gegeben. Im Inneren des Extruders befindet sich eine Öffnung (44), die Platz läßt für eine Negativform mit innerem Zylinder.An example of an extruder with multiple openings per nozzle ( 43 ) for better separation in the inner and outer regions of the helix is given in FIG . Inside the extruder there is an opening ( 44 ) that leaves space for a negative mold with an inner cylinder.

Für die Herstellung von Vielschichtaktoren wird derzeit im Stand der Technik häufig auf die Folientechnik zurückgegriffen. Hierbei werden Keramikgrünfolien aus einem Schlicker gewonnen. Unter Schlicker ist hierbei eine Suspension aus Piezokeramikmaterial in geeigneten Trägerflüssigkeiten (Wasser, Ethanol, usw.) zu verstehen. Diesen Schlickern auf organischer oder Wasserbasis werden 30-- 40% Feststoffanteil Keramik, meist ein Dispergierhilfsmittel (z. B. Dolapix® oder Polyacrylsäuren) und ein Binder zugegeben. Nach dem Trocknen verbleibt eine lederartige Folie, die durch den Binder elastisch und fest bleibt. Diese Folie wird im Siebdruckverfahren mit Elektrodenmaterial bedruckt, ausgestanzt und dann zum Vielschichtaktor zusammengefügt. Dieser wird dann anschließend zum fertigen Bauteil gesintert.For the production of multi-layer actuators, the State of the art often relies on film technology resorted to. Here ceramic green films are made of one Won slip. Here is one under slip Suspension of piezoceramic material in suitable Understand carrier liquids (water, ethanol, etc.). These organic or water-based slurries are 30-- 40% ceramic solids content, mostly a dispersing aid (e.g. Dolapix® or polyacrylic acids) and a binder admitted. After drying, a leather-like appearance remains Foil that remains elastic and firm thanks to the binder. These Foil is screen-printed with electrode material printed, punched out and then a multi-layer actuator put together. This is then then finished Sintered component.

Will man sich diese Technik zunutze machen, dann sind aus einer derartigen Grünfolie Doppelhelix-Segmente zu stanzen, die eine radiale Schnittkante enthalten. An dieser Schnittkante lassen sich die Segmente leicht verwinden und dann in Helixform aufeinanderstapeln, so daß sich hieraus ein Doppelhelix-Vielschichtaktor als Grünkörper herstellen läßt.If you want to take advantage of this technology, then it's over to punch double helix segments of such a green sheet, which contain a radial cutting edge. At this Cut edge, the segments can be easily twisted and then stack them in a helix shape, so that one Can produce double helix multilayer actuator as a green body.

Fig. 18 zeigt ein Beispiel für eine Vierfachschicht, bestehend aus zwei Elektrodenschichten (45) und zwei Keramik- Grünkörperschichten (46), die benutzt werden kann, um ein Doppelhelixelement in einem Stanzschritt zu erstellen. Fig. 18 shows an example of a four-layer consisting of two electrode layers (45) and two ceramic green body layers (46), which can be used to form a double helix element to create in a punching step.

Ein einzelnes Segment des Doppelhelixaktors, wie er aus einer Vierfachschicht durch einen einmaligen Stanzschritt hergestellt werden kann, ist in Fig. 19 gezeigt. Ein ringförmiges Segment (48) wird durch eine radiale Stanzkante (47) geteilt. Die Folie (48) aus zwei (Keramik-Elektrode) beziehungsweise vier Schichten (Keramik-Elektrode-Keramik- Elektrode) wird zu einem Spiralsegment (49) des Doppelhelixaktors zusammengesetzt. Von den einfachen Doppelschichten sind zwei zur Erzeugung eines Doppelhelixelementes nötig. (49) zeigt die Schrägansicht eines Doppelhelixelementes. Die ausgestanzten ringförmigen Folien mit Radialschnitt werden kongruent aufeinandergestapelt, wobei alle Radialschnitte (möglichst genau) übereinander zu liegen kommen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Formgebung für ein Unterteil (50, 52, 53) (siehe Fig. 20 und 21) wird insbesondere erreicht, daß die Endfolien eine entsprechend dem verwendeten Unterteil erfindungsgemäße Formgebung erhalten, und daß die Radialschnittkanten der Zwischenfolien insbesondere um genau eine Ganghöhe (entsprechend der Schichtdicke der Mehr- bzw. Vielschichtfolie) versetzt werden und einander gegenüberstehen. Durch einen abschließenden Sinterprozeß wird diese geometrische Konstellation stabilisiert und erreicht, daß aus den Helix-Teilsegmenten (entsprechend jeder einzelnen Zwischenfolie) durch Versinterung der aneinanderliegenden, um eine Ganghöhe versetzten Schnittkanten eine kontinuierliche, durchgehende Helixstruktur erhalten wird. A single segment of the double helix actuator, as it can be made from a quadruple layer by a single stamping step, is shown in FIG . An annular segment ( 48 ) is divided by a radial punched edge ( 47 ). The film ( 48 ) of two (ceramic electrode) or four layers (ceramic electrode-ceramic electrode) is put together to form a spiral segment ( 49 ) of the double helix actuator. Two of the simple double layers are necessary to create a double helix element. ( 49 ) shows the oblique view of a double helix element. The punched out annular foils with radial cut are stacked congruently on top of one another, with all radial cuts coming to lie one above the other (as precisely as possible). With the help of the shaping according to the invention for a lower part ( 50 , 52 , 53 ) (see FIGS. 20 and 21) it is achieved in particular that the end foils receive a shaping according to the invention corresponding to the lower part used, and that the radial cut edges of the intermediate foils in particular by exactly one pitch (according to the layer thickness of the multilayer or multilayer film) are offset and face each other. This geometric constellation is stabilized by a subsequent sintering process and a continuous, continuous helix structure is obtained from the helix sub-segments (corresponding to each individual intermediate film) by sintering the adjacent cut edges offset by a pitch.

Fig. 20 zeigt die Ausführung einer Unterlage (50) der Doppelhelix, wie sie für scharf endende Elektroden eingesetzt wird. Die Höhe des Absatzes (50) entspricht der Schichtdicke der Vierfachschicht. Diese Geometrie ist aufgrund der spitz endenden Elektroden nur nach vorherigen Belastungstests der Keramik zu verwenden. Fig. 20 shows the design of a base ( 50 ) of the double helix as it is used for sharp-ended electrodes. The height of the shoulder ( 50 ) corresponds to the layer thickness of the quadruple layer. Due to the pointed electrodes, this geometry can only be used after previous stress tests on the ceramic.

Fig. 21 zeigt die Ausführung einer Unterlage (52, 53) für die Verwendung mit Doppelhelixelementen mit abgerundeter Elektrodenführung. Mit dieser Unterlage läßt sich der Piezoaktor gemäß Anspruch 9 (siehe Fig. 1, (6)) herstellen. Die zwei Segmente (52 und 53) werden zusammengefügt, nachdem jeweils ein Folienstreifen Doppelschicht eingelegt und auf seine endgültige Form (55) (siehe Fig. 22) gebracht wurde. Fig. 21 shows the execution of a support (52, 53) for use with double helical elements with rounded electrode guide. The piezo actuator according to claim 9 (see Fig. 1, ( 6 )) can be produced with this base. The two segments ( 52 and 53 ) are joined together after a double-layer film strip has been inserted and brought to its final shape ( 55 ) (see FIG. 22).

Fig. 22 zeigt gestanzte Folienteile (54), wie sie für eine abgerundete Elektrodenzuführung in Folientechnik verwendet werden können. Hierzu eine Seitenansicht (55), wie diese Streifen in der Vorform gemäß Fig. 21 zum liegen kommen. Diese Folienstücke können nur als Einfachfolie genutzt werden (eine Schicht Keramikgrünfolie und eine Schicht Elektrode). Fig. 22 shows punched foil parts (54), as they can be used for a rounded electrode lead in foil technology. For this purpose, a side view ( 55 ) of how these strips come to rest in the preform according to FIG. 21. These pieces of foil can only be used as a single foil (one layer of ceramic green foil and one layer of electrode).

Claims

1. Piezoelectric actuator which has a layer sequence ( 1 ) with at least one quadruple layer, which is composed of two layers of electrode material ( 4 , 5 ), between which there is a layer of piezoelectric material ( 3 ), and a further layer ( 2 ) characterized in that the layer sequence (1) is formed along a rectilinear axis to a helix of any number of turns, wherein upon application of an electrical voltage between the two layers of electrode material (4, 5) an extension of the layer of piezoelectric material (3) in an area of the helix approximately parallel to this straight axis.

2. Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that the layer made of piezoelectric material ( 3 ) is a layer made of ceramic.

3. Piezoelectric actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the further layer ( 2 ) is a pure insulation layer.

4. Piezoelectric actuator according to claim 2, characterized in that the further layer ( 2 ) is a layer made of ceramic.

5. Piezoelectric actuator according to one of claims 2 to 4, characterized in that the ceramic ( 2 , 3 ) is an electrostrictive ceramic.

6. Piezoelectric actuator according to one of claims 2 to 4, characterized in that the ceramic ( 2 , 3 ) is a ferroelectric ceramic.

7. Piezoelectric actuator according to one of claims 2 to 4, characterized in that the ceramic ( 2 , 3 ) is a relaxor ceramic.

8. Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 7, characterized in that the sequence of layers consists of several Consists of four layers.

9. Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 8, characterized in that the layers of electrode material at the ends of the helix run in the axial direction of the helix, the transition to the axial direction being made by a rounded profile of the layers ( 6 , 7 ) To avoid excessive fields in the piezoelectric material.

10. Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 9, characterized in that the slope of the turns to the End faces of the helix increases.

11. Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 10, characterized in that the outer shape of the helix is a is elliptical cylinder.

12. Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 10, characterized in that the outer shape of the helix is an n- Eck is.

13. Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 12, characterized in that the helix is surrounded by a housing ( 10 ) made of elastic, electrically insulating material which is firmly connected to the helix.

14. Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 13, characterized in that the helix forms a cylindrical cavity in which an electrically insulating core ( 8 ) is provided.

15. Piezoelectric actuator according to claim 14, characterized in that the core ( 8 ) consists of elastic material and is in a fixed mechanical connection with the helix.

16. Piezoelectric actuator according to claim 14, characterized in that the core ( 8 ) is without a fixed mechanical connection with the helix.

17. Piezoelectric actuator according to one of claims 14 to 16, characterized in that the core ( 8 ) has a cavity in which an additional mechanical guide ( 9 ) extends for the actuator.

18. Piezoelectric actuator according to claim 17, characterized in that the additional mechanical guide ( 9 ) is fixedly connected to the housing of the piezoelectric actuator or forms part of it.

19. Piezoelectric actuator according to one of claims 17 or 18, characterized in that the mechanical guide ( 11 ) is designed so that it is used for mechanical biasing of the piezoelectric actuator.

20. Piezoelectric actuator according to one of claims 17 to 19, characterized in that the mechanical guide ( 11 ) is designed as a clamping screw.

21. Piezoelectric actuator according to one of claims 17 to 19, characterized in that the mechanical guide ( 11 ) is designed as a clamping rivet.

22. Piezoelectric actuator according to one of claims 19 to 21, characterized in that the mechanical preload is designed at the same time as a housing ( 30 , 32 ) of the piezoelectric actuator.

23. Piezoelectric actuator according to claim 22, characterized in that the housing ( 32 ) contains one or more grooves for anchoring a disc ( 31 ) which is provided to prevent torque transmission, the disc ( 31 ) having one or more extensions, which engage in one or more of the housing grooves.

24. Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 23, characterized in that the core ( 8 ) or a mechanical guide ( 12 ) provided therein has an additional opening ( 13 ) for the flow of a coolant.

25. Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 24, characterized in that edge surfaces of the helix a have elastic coating for electrical insulation.

26. Use of the piezoelectric actuator according to one of the Claims 1 to 25 as an actuator.

27. Use of the piezoelectric actuator according to one of the Claims 1 to 25 as an ultrasonic transmitter.

28. Use of the piezoelectric actuator according to one of the Claims 1 to 25 as a valve control.

29. Use of the piezoelectric actuator according to one of the Claims 1 to 25 as a sensor.

30. A method for producing the piezoelectric actuator according to claim 1 with the following method steps:

1. Providing a cylinder made of a ceramic material or an electrode material;
2. Making a helical cut through the cylinder so that two nested helices are formed; and
3. Insertion of electrode material or ceramic material into the notches created by the cut between the two helices.

31. The method according to claim 30, characterized in that a hollow cylinder is provided as a cylinder, and the Cut is a thread-like cut.

32. The method according to claim 30 or 31, characterized characterized in that the cylinder consists of a completely sintered ceramic.

33. The method according to claim 30 or 31, characterized characterized in that the cylinder is made of a ceramic polymer Composite material.

34. The method according to any one of claims 30 to 33, characterized characterized in that the cut is made in a preform, which is then subjected to further thermal process steps will.

35. The method according to claim 34, characterized in that the preform made of an only partially sintered ceramic consists.

36. The method according to claim 34, characterized in that a polymer preform is used from which by Polymer pyrolysis the ceramic is produced.

37. The method according to claim 34, characterized in that an injection molding preform made of a ceramic-polymer composite Material is used.

38. The method according to any one of claims 30 to 37, characterized characterized in that the cut is made with a cutting wire he follows.

39. The method according to any one of claims 30 to 37, characterized characterized in that the cut is made with a laser.

40. The method according to any one of claims 30 to 37, characterized characterized in that the cut is made with an ion beam he follows.

41. The method according to any one of claims 30 to 37, characterized characterized in that the cut is made with a plasma.

42. The method according to any one of claims 30 to 37, characterized characterized in that the cut is made with a gas flame.

43. The method according to any one of claims 30 to 37, characterized characterized in that the cut with a jet of liquid he follows.

44. The method according to any one of claims 30 to 43, characterized in that a screw drive (24 ) is used to carry out the helical cut through the cylinder.

45. The method according to claim 44, characterized in that the screw drive ( 24 ) has rounded screw ends ( 27 ).

46. The method according to claim 44 or 45, characterized characterized in that the screw drive with screw ends having increased pitch.

47. The method according to any one of claims 44 to 46, characterized characterized in that a thread is used as a screw drive is used.

48. The method according to any one of claims 30 to 47, characterized characterized in that the introduction of electrode material or ceramic material by infiltration of a liquid Metal or a liquid ceramic takes place.

49. The method according to any one of claims 30 to 47, characterized characterized in that the layers of electrode material or ceramic material are introduced as pastes.

50. The method according to any one of claims 30 to 47, characterized characterized in that the layers of electrode material or ceramic material are introduced as a powder.

51. The method according to any one of claims 30 to 47, characterized characterized in that the layers of electrode material or ceramic material are chemically deposited.

52. The method according to any one of claims 30 to 51, characterized characterized in that the layers of electrode material together with the ceramic or the cut preform be co-sintered.

53. The method according to any one of claims 30 to 52, characterized characterized in that the layers of electrode material in the ceramic can be re-sintered.

54. Method of manufacturing the piezoelectric actuator according to claim 1 by extrusion of individual layers in such a way, that a sequence of layers formed into a helix is created which consists of at least two layers of electrode material, between which a layer of piezoelectric material and composed of another layer.

55. The method according to claim 54, characterized in that Pastes can be used for extrusion.

56. The method according to any one of claims 54 or 55, characterized characterized in that polymers suitable for polymer pyrolysis be used.

57. The method according to any one of claims 54 or 55, characterized characterized in that ceramic-polymer composites be used.

58. The method according to any one of claims 54 or 55, characterized characterized in that metal-polymer composites be used.

59. The method according to any one of claims 54 to 58, characterized characterized in that ceramic and metallic components or ceramic and metal-forming components extruded at the same time will.

60. The method according to any one of claims 54 to 59, characterized characterized in that extruded into a negative mold will.

61. The method according to claim 60, characterized in that inside the negative mold a cylindrical core a Preform of an inner cylinder of the piezoelectric actuator forms.

62. The method according to any one of claims 60 or 61, characterized characterized in that the negative form is the outer limit forms a preform of the piezoelectric actuator.

63. The method according to any one of claims 60 to 62, characterized characterized in that the outer limit of the negative form n-corner, a cylinder jacket or an elliptical one Cylinder jacket is.

64. The method according to any one of claims 60 to 63, characterized characterized in that the negative mold is made of a material is provided, which is at the sintering temperatures of the Material of the piezoelectric actuator decomposes.

65. The method according to any one of claims 60 to 64, characterized characterized in that the negative mold rotates.

66. The method according to any one of claims 54 to 64, characterized characterized in that a rotating multiple nozzle is used will.

67. Device for carrying out the method according to one of claims 54 to 66 with an extrusion unit which has at least four nozzles ( 40 ; A, B, C, D) which deposit together so that the at least necessary four layers of the piezoelectric actuator after Claim 1 can be generated at the same time.

68. Apparatus according to claim 67, characterized in that that the extrusion unit is a multiple of the four Has nozzles.

69. Apparatus according to claim 67 or 68, characterized characterized in that the nozzles for better extrusion through a plurality of openings are formed.

70. Device according to one of claims 67 to 69, characterized characterized in that the nozzles in a rotating Multiple nozzle are arranged.

71. A method for producing the piezoelectric actuator according to claim 1, comprising the following steps:

1. Providing a film which consists of at least four layers, alternately one layer of ceramic and one layer of electrode material;
2. Punching out subsegments from the film in such a way that the subsegments consist of annular disks with an additional radial cutting edge;
3. Twisting and stacking several subsegments in such a way that a helical course of the layer sequence consisting of the at least four layers results.

72. The method according to claim 71, characterized in that the annular disks as outer and / or inner Boundary have the shape of n-corners.

73. The method according to claim 71 or 72, characterized characterized in that the film consists of two separate Double layers ceramic electrode is composed.

74. The method according to any one of claims 71 to 73, characterized characterized in that the two layers are made of ceramic ferroelectric green ceramics exist.

75. The method according to any one of claims 71 to 74, characterized characterized in that the twisting and stacking of the Sub-segments by applying the sub-segments to a Underlay takes place that has the pitch of a helix turn pretends.

76. The method according to claim 75, characterized in that the base consists of a ceramic green body.

77. The method according to any one of claims 75 or 76, characterized characterized that a rounded course of the electrode Beginning or end pieces according to claim 9 with the aid of strip-shaped parts punched out of the film is realized.