DE19928177A1

DE19928177A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE19928177A1
Application number: DE19928177A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Schmoll; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-06-19
Filing date: 1999-06-19
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2019-06-20
Also published as: CN1315058A; WO2000079615A1; KR20010072697A; DE19928177C2; HUP0103374A3; EP1110254A1; HUP0103374A2; JP2003522510A

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, bei dem ein Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwischen angeordneten Elektroden (3, 4) angeordnet ist. Bei einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung (5, 6) der Elektroden (3, 4) ist eine neutrale Phase (7) ohne Elektrodenschicht vorhanden, in der Rissbildungen entstehen können, die durch eine Formgebung des Mehrschichtaufbaus verhindert werden können, über die eine erhöhte mechanische Spannung, bei einer Einspannung des Piezoaktors (1) senkrecht zum Lagenaufbau, im Bereich der neutralen Phasen (7) aufbringbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des soge nannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung er folgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebe reiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Der Aufbau dieses Piezoaktors kann hier in mehreren Schichten erfolgen (Multilayer-Aktoren), wobei die Elektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden. Beim Betrieb des Piezo aktors ist darauf zu achten das durch mechanische Span nungen im Lagenaufbau keine störenden Rissbildungen ent stehen.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, ist in vorteilhafter Weise mit einem Mehr schichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Elektroden aufgebaut. Bei einer wechselseitigen seitli chen Kontaktierung der Elektroden entsteht im Bereich zwischen zwei Piezolagen jeweils eine neutrale Phase. Da die jeweils an einer Seite kontaktierten Elektroden kamm artig in den Lagenaufbau integriert sind, müssen die in Richtung des Lagenaufbaus aufeinanderfolgenden Elektroden jeweils abwechseln an gegenüberliegen Seiten kontaktiert werden.

Die an einer Seite kontaktierten Elektroden können dabei nicht vollständig bis an die gegenüberliegende Seite ge führt werden, da sonst Spannungsüberschläge zur Zerstö rung des Piezoaktors führen können. Bei einer Betätigung des Piezoaktors, d. h. bei Anlage einer Spannung zwischen den im Lagenaufbau gegenüberliegenden Elektroden treten unterschiedliche mechanische Kräfte im Bereich der Elek troden sowie in den nichtkontaktierten neutralen Phasen auf, die zu mechanischen Spannungen und Rissbildungen im Piezoaktor führen können.

In vorteilhafter Weise wird erfindungsgemäß bei einer Einspannung des Piezoaktors senkrecht zum Lagenaufbau mit einer Formgebung des Mehrschichtaufbaus gezielt eine er höhte mechanische Spannung im Bereich der neutralen Pha sen zur Verhinderung der Rissbildung aufgebracht.

Bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist minde stens eine äußere Deckschicht des Mehrschichtaufbaus an der äußeren Endfläche so gestaltet, dass diese im Bereich der neutralen Phasen eine Verdickung aufweist und so hier gezielt eine erhöhte Vorspannkraft aufgebracht werden kann. Die Verdickung kann auf einfache Weise beispiels weise durch Schleifen der Deckschicht gebildet werden.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird zwi schen den Lagen des Mehrschichtaufbaus eine Isolations schicht angeordnet, die im Bereich der neutralen Phasen jeweils eine Verdickung aufweist und so in vergleichbarer Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel wirkt.

Eine weitere Ausführungsform weist in vorteilhafter Weise besonders gestaltete Elektroden im Mehrschichtaufbau auf, die ebenfalls im Bereich der neutralen Phase jeweils eine Verdickung aufweisen, wobei hinsichtlich der verschiede nen zuvor genannten Ausführungsformen auch einige oder alle Merkmale miteinander kombiniert sind.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit ei nem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und Elektroden;

Fig. 2 einen Detailschnitt durch den Lagenaufbau im Bereich von neutralen Phasen ohne Anlage einer elek trischen Spannung;

Fig. 3 einen Detailschnitt durch den Lagenaufbau im Bereich von neutralen Phasen mit Anlage einer elek trischen Spannung;

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Piezo aktors, bei dem eine äußere Deckschicht im Bereich der neutralen Phasen an den Seitenflächen Verdickun gen aufweist;

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Piezo aktors, bei dem eine äußere Deckschicht im Bereich der neutralen Phasen an den gegenüberliegenden Ecken Verdickungen aufweist;

Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Piezo aktors, bei dem die Elektroden im Bereich der neu tralen Phasen Verdickungen aufweist und

Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Piezo aktors, bei jeweils eine Isolationsschicht zwischen den lagen angebracht ist, die im Bereich der neutra len Phasen an den Seitenflächen Verdickungen auf weist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezofolien 2 eines Quarzmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Elektroden 3 und 4 über Kontaktflächen 5 und 6 eine mechanische Re aktion des Piezoaktors 1 erfolgt.

Aus Fig. 2 ist ein Bereich des Piezoaktors 1 vergrößert dargestellt, der die Elektroden 3 und 4 zeigt, wobei hier auch die Kontaktierung der Elektroden 4 mit der Kontakt fläche 6 zu erkennen ist. Da die Elektroden 3 aufgrund der anderen Polarität einen Abstand zu dieser Kontaktflä che 6 einhalten müssen sind hier neutrale Phasen gebil det, die anhand der neutralen Phase 7 beispielhaft darge stellt sind. Aufgrund des somit räumlich unterschiedli chen Auftretens des Piezoeffekts entstehen mechanische Spannungen in der neutralen Phase 7, die zu einer Mate rialbeeinträchtigung führen, die mit der gewellten Linie 8 schematisch angedeutet ist.

Nach Fig. 3 ist der Bereich aus der Fig. 2 mit einer angelegten elektrischen Spannung gezeigt, wobei die da durch hervorgerufene mechanische Reaktion des Piezoaktors mit Pfeilen 9 und 10 verdeutlicht ist. Hierbei ist er kennbar, dass im Bereich der neutralen Phase 7 eine ge ringere Ausdehnung in Richtung der Pfeile 9 und daher ei ne Kraftwirkung in Richtung des Pfeiles 10 bewirkt wird, die zu Rissbildung im Bereich 8 der neutralen Phase führt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand Fig. 4 erläutert, bei dem eine äußere Deckschicht 11 auf dem Mehrschichtaufbau angeordnet ist, die im Bereich der neutralen Phase 7 mit einer Verdickung 12 versehen ist, welche im äußeren Maximum eine Größenordnung von 2 bis 8 µm erreichen kann. Mit dieser Verdickung 12 kann beim Einspannen des Piezoaktors 1 eine Vorspannung im Bereich der neutralen Phasen 7 aufgebracht werden, die die Riss bildung im Bereich 8 der Elektroden 3 und 4 verhindert (siehe Fig. 3).

Aus Fig. 5 ist eine zweites Ausführungsbeispiel zu ent nehmen, das eine äußerer Deckschicht 11 mit Verdickungen 13 zeigt, die an gegenüberliegenden Ecken des Piezoaktors 1 angeordnet sind. Die neutralen Phasen 7 sind hier eben falls an den Ecken ausgebildet, da bei diesem Ausfüh rungsbeispiel die Kontaktierung der Elektroden 3 und 4 über eine an den Ecken angebrachte Kontaktfläche 14 und eine nicht sichtbare diagonal gegenüberliegenden Kontakt fläche erfolgt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird eine Verdickung im Bereich der neutralen Phase 7 durch eine lokale Verdickung der Elektroden 3 und 4 ausschließlich im Be reich der neutralen Phasen 7 bewirkt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 zeigt einen Piezoaktor 1, bei dem im Bereich der neutralen Phase 7 eine hier extra verdickte Isolationsschicht 15 zwischen den Piezolagen 2 eingebracht ist, um auch hier beim Ein spannen des Piezoaktors 1 eine Vorspannung aufzubringen, die eine Rissbildung zu verhindert.

Claims

1. Piezoaktor, mit

- einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwi schen angeordneten Elektroden (3, 4)
- einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung (5, 6) der Elektroden (3, 4), wobei im Bereich zwischen zwei Piezolagen, der eine an der jeweils gegenüberliegenden Seite kontaktierte Elektrode (3, 4) aufweist eine neu trale Phase (7) ohne Elektrodenschicht vorhanden ist und mit
- einer Formgebung des Mehrschichtaufbaus über die eine erhöhte mechanische Spannung, bei einer Einspannung des Piezoaktors (1) senkrecht zum Lagenaufbau, im Be reich der neutralen Phasen (7) aufbringbar ist.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine äußere Deckschicht (11) des Mehr schichtaufbaus an der äußeren Endfläche so gestaltet ist, dass diese im Bereich der neutralen Phasen (7) eine Verdickung (12; 13) aufweist.

3. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung (12) an gegenüberliegenden Seiten der Deckschicht (11), entsprechend der Anordnung der neu tralen Phasen (7), angeordnet ist.

4. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung (13) an diagonal gegenüberliegenden Ecken der Deckschicht (11) entsprechend der Anordnung der neutralen Phasen (7) angeordnet ist.

5. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung durch Schleifen der Deckschicht gebil det ist.

6. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen (einigen oder allen ?) Lagen des Mehrschicht aufbaus eine Isolationsschicht (15) angeordnet ist, die im Bereich der neutralen Phasen (7) jeweils eine Verdickung aufweist.

7. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3, 4) des Mehrschichtaufbaus im Bereich der neutralen Phase (7) jeweils eine Verdickung auf weisen.

8. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass einige oder alle Merkmale dieser Ansprüche miteinander kombiniert sind.