DE19928188A1 - Piezo element with a multilayer structure of piezo layers and a method for its production - Google Patents
Piezo element with a multilayer structure of piezo layers and a method for its productionInfo
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Abstract
Es wird ein Piezoelement mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2; 20) mit dazwischen angeordneten Elektroden (6, 7; 21, 22) vorgeschlagen, das mit einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Elektroden (6, 7; 21, 22) über Außenelektroden (9, 10) versehen ist. Die einzelnen Piezolagen (4) bestehen aus einer während der Herstellung faltbaren durchgängigen Folie (2; 20), die ganz oder teilweise mit den elektrisch leitenden Elektroden (6, 7; 21, 22) versehen sind. Die Piezolagen (2; 20) sind durch Faltung an in vorgegebenen Abständen quer zur Faltrichtung angebrachten Kerben (5, 5.1, 5.2) gebildet, wobei die Innenelektroden (6, 7; 21, 22) durch die nach der Faltung an der Innenseite der Kerben (5, 5.1, 5.2) liegenden metallisierten Schichten gebildet werden.A piezo element with a multilayer structure of piezo layers (2; 20) with electrodes (6, 7; 21, 22) arranged between them is proposed, which is made with mutual lateral contacting of the electrodes (6, 7; 21, 22) via external electrodes (9 , 10) is provided. The individual piezo layers (4) consist of a continuous film (2; 20) which can be folded during manufacture and which is provided in whole or in part with the electrically conductive electrodes (6, 7; 21, 22). The piezo layers (2; 20) are formed by folding on notches (5, 5.1, 5.2) made at predetermined intervals transversely to the folding direction, the internal electrodes (6, 7; 21, 22) being formed on the inside of the notches after folding (5, 5.1, 5.2) lying metallized layers are formed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Piezoelement mit einem Mehr schichtaufbau von Piezolagen und ein Verfahren zu dessen Herstellung, beispielsweise für einen Piezoaktor zur Be tätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.The invention relates to a piezo element with a more Layer structure of piezo layers and a method for the same Production, for example for a piezo actuator for loading actuation of a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic characteristics of Main claim.
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. Die jeweiligen Innene lektroden sind hierbei jeweils gegenüber den Außenelek troden um einen Bereich versetzt, damit hier kein Kurz schluß erfolgt. Der Aufwand beim Stapeln der einzelnen Piezolagen ist dabei sehr hoch, da bis zu mehreren Hun dert einzelne Folienschichten separat verarbeitet werden müssen.It is generally known that using the so-called called piezo effect a piezo element made of one material with a suitable crystal structure can. When applying an external electrical voltage follows a mechanical reaction of the piezo element, which in Dependence on the crystal structure and the plant range of electrical tension a push or pull in represents a predeterminable direction. Building this Piezo actuator can take place in several layers (Multilayer actuators), the electrodes over which the electrical voltage is applied, between each the layers are arranged. The respective interior electrodes are in each case opposite the outer electrodes treading offset by an area so that there is no shortage here in the end. The effort when stacking the individual Piezolayers is very high, because up to several Hun individual layers of film are processed separately have to.
Das eingangs beschriebene Piezoelement mit einem Mehr schichtaufbau von Piezolagen, mit dazwischen angeordneten Elektroden und einer wechselseitigen seitlichen Kontak tierung der Elektroden, kann in vorteilhafter Weise Be standteil eines Piezoaktors sein, der zur Betätigung ei nes mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen benutzt werden kann. Erfindungsgemäß bestehen die einzel nen Piezolagen aus einer während der Herstellung faltba ren durchgängigen Folie aus Piezokeramik, die ganz oder teilweise auf ihre Oberfläche mit elektrisch leitenden Elektroden versehen sind.The piezo element described above with a more layer structure of piezo layers, with interposed Electrodes and a mutual side contact tion of the electrodes, can be advantageously be part of a piezo actuator that egg to actuate nes mechanical component such as a valve or the like can be used. According to the individual NEN piezo layers from a foldable during manufacture Ren continuous film made of piezoceramic, the whole or partly on their surface with electrically conductive Electrodes are provided.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Folie zur Herstellung der Elektroden ganz oder teilweise metalli siert und die Piezolagen sind durch Faltung an, in vorge gebenen Abständen quer zur Faltrichtung angebrachten, Kerben gebildet, wobei die Innenelektroden durch die nach der Faltung an der Innenseite der Kerben liegenden metal lisierten Schichten zwischen den Piezolagen gebildet sind und an der Außenseite der Kerben die metallisierten Schichten durch die Kerben unterbrochen sind.In a preferred embodiment, the film is for Production of the electrodes completely or partially metalli siert and the piezo layers are on by folding, in pre given distances across the folding direction, Notches formed, with the internal electrodes through the after the fold on the inside of the notches metal lized layers are formed between the piezo layers and the metallized on the outside of the notches Layers are broken by the notches.
Die metallisierten Schichten können beispielsweise durch Bedrucken oder Sputtern aufgebracht werden. Die Innene lektroden sind dabei an den nach der Faltung nach außen ragenden Innenseiten der Kerben mit den Außenelektroden kontaktiert. Der Kerbwinkel α ist dabei individuell an die Dicke der Folie oder sonstige Gegebenheiten anpass bar.The metallized layers can, for example, by Printing or sputtering can be applied. The inside electrodes are on the outside after folding protruding inner sides of the notches with the outer electrodes contacted. The notch angle α is individually adjust the thickness of the film or other circumstances bar.
In vorteilhafter Weise können an mindestens an einer Sei te der Folie jeweils nur jede zweite Fläche zwischen den Kerben metallisiert werden, ohne die Bildung der Innene lektroden zu beeinträchtigen.Advantageously, at least on one screen te of the film only every second surface between the Notches can be metallized without the formation of the interior affect electrodes.
Jeweils außen im Kerbbereich der gefalteten Folie können auf einfache Weise Außenelektroden zur Bildung der wech selseitigen Kontaktierung an die metallisierte Schicht, bzw. die Innenelektrode, angebracht werden, wobei die Au ßenelektroden aus einem elektrisch leitenden Sieb oder Netz bzw. auch aus einer Wellelektroden bestehen können.Each outside in the notch area of the folded film can external electrodes in a simple manner to form the change contacting on the metallized layer, or the inner electrode, are attached, the Au external electrodes from an electrically conductive sieve or Network or can also consist of a corrugated electrodes.
Um das gesamte Piezoelement nach außen zu isolieren, ist der Mehrschichtaufbau der Piezolagen jeweils am Ende der gefalteten Lagen mit einer elektrisch isolierenden Kera mikplatte versehen.To isolate the entire piezo element from the outside, is the multilayer structure of the piezo layers at the end of each folded layers with an electrically insulating kera microplate provided.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung eines
Piezoelements der zuvor beschriebenen Art werden folgende
Herstellungsschritte durchgeführt:
In an advantageous method for producing a piezo element of the type described above, the following production steps are carried out:
- - Die Piezofolie wird in der Breite des Piezoelements geschnitten und in vorgegebenen Abständen jeweils wechselseitig mit Kerben versehen.- The piezo film is the width of the piezo element cut and at predetermined intervals each alternately provided with notches.
- - Auf beiden Seiten wird nunmehr die Piezofolie ganz oder teilweise metallisiert.- The piezo film is now completely on both sides or partially metallized.
- - Die Piezofolie wird dann an den Kerben, jeweils um die Innenseite der Kerbe gefaltet. - The piezo film is then on the notches, each around the Folded inside of the notch.
- - Die Außenelektroden werden an die Innenelektroden, im Biegebereich in der nach der Faltung nach außen ragen den Innenseite der Kerbe, z. B. angelötet.- The outer electrodes are connected to the inner electrodes, in Bending area in which protrude outwards after folding the inside of the notch, e.g. B. soldered.
- - Auf die äußeren Piezolagen wird jeweils eine elek trisch isolierende Kopf- und Fussplatte aufgebracht.- An elec tric insulating head and foot plate applied.
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.These and other features of preferred training gene of the invention go out not only from the claims the description and the drawings, the individual characteristics individually or for more ren in the form of sub-combinations in the execution form of the invention and realized in other fields his and advantageous as well as protectable execution represent representations for which protection is claimed here becomes.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoele ments zur Bildung eines Piezoaktors wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigenAn embodiment of the piezoelectric element according to the invention elements for forming a piezo actuator is based on the Drawing explained. Show it
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Mehrschichtaufbau des Piezoelements aus einer Piezofolie, der durch Faltung an Kerben hergestellt ist; Fig. 1 shows a section through a multilayer structure of the piezo element of a piezo film, which is made by folding of notches;
Fig. 2 eine Detailansicht einer gekerbten Folie mit durchgehender Metallisierung und Fig. 2 is a detailed view of a notched film with continuous metallization and
Fig. 3 eine Detailansicht einer gekerbten Folie mit teilweiser Metallisierung. Fig. 3 is a detailed view of a notched film with partial metallization.
In Fig. 1 ist ein Piezoelement 1 zur Bildung eines Pie zoaktors gezeigt, der aus einer Piezofolie 2 eines Kera mikmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufge baut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Pie zoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoaktors in Richtung des Pfeiles 3 erfolgt.In Fig. 1, a piezo element 1 for forming a piezo actuator is shown, which is built up from a piezo film 2 of a ceramic material with a suitable crystal structure, so that using the so-called piezo effect when an external electrical voltage is applied, a mechanical reaction of the piezo actuator in the direction of arrow 3 .
Aus der Fig. 1 ist erkennbar, dass Piezolagen 4 durch eine Faltung der Piezofolie 2 gebildet sind, die im Zu stand vor ihrer Faltung in Fig. 2 gezeigt ist. Die Pie zofolle 2 ist vor der Faltung in der Breite des Piezoele ments 1 geschnitten worden und auf beiden Seiten metalli siert, damit sich Elektroden herausbilden, die nach der Faltung jeweils wechselseitig als Innenelektroden 6 und 7 wirken.From Fig. 1 it can be seen that piezo layers 4 are formed by folding the piezo film 2 , which was shown in the prior to their folding in Fig. 2. The Pie zofolle 2 has been cut before folding in the width of the Piezoele element 1 and metalli siert on both sides, so that electrodes form, which act alternately after folding as internal electrodes 6 and 7 .
In der Fig. 2 ist gezeigt, dass die Piezofolie 2 vor der Faltung mit Kerben 5 (d. h. im dargestellten Ausschnitt 5.1, 5.2) versehen worden ist, die dabei wechselseitig in die Folie 2 eingebracht sind und in etwa einen Winkel α umfassen. Die Faltung erfolgt hier z. B. in der Kerbe 5.1 um den Pfeil 8, so dass sich hier auf der linken Seite eine der Innenelektroden (z. B. die Innenelektrode 6) nach dem Aufeinanderklappen herausbildet. Auf der rechten Sei te entstehen jeweils auch beiderseits der offenen Seite der Kerbe 5.1 die anderen Innenelektroden (hier eine der Innenelektroden 7).In FIG. 2 it is shown that the piezoelectric film 2 prior to folding with notches 5 (ie, in the illustrated segment 5.1, 5.2) has been provided, which are alternately introduced into the film 2 and α include an angle approximately. The folding takes place here z. B. in the notch 5.1 around the arrow 8 , so that here on the left side one of the inner electrodes (z. B. the inner electrode 6 ) is formed after folding. On the right side, the other inner electrodes (here one of the inner electrodes 7 ) are also formed on both sides of the open side of the notch 5.1 .
Das so gefaltete Paket der Piezolagen 4 wird nach dem la minieren und sintern mit Außenelektroden 9 und 10 verse hen, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils aus einer metallischen Wellelektrode bestehen. Im jeweiligen hervorstehenden Faltbereich der vorherigen Kerben 5 wer den die Außenelektroden 9 und 10 mit der metallisierten Schicht auf den Piezolagen 4 elektrisch leitend verbun den, so dass eine elektrische Spannung auf die Innenelek troden 6 und 7 zur Erzeugung des Piezoeffekts aufbringbar ist.The thus folded package of the piezo layers 4 is hen after the la minieren and sintering with outer electrodes 9 and 10 , which each consist of a metallic corrugated electrode in the embodiment shown. In the respective protruding folding area of the previous notches 5, the external electrodes 9 and 10 are connected to the metallized layer on the piezo layers 4 in an electrically conductive manner, so that an electrical voltage can be applied to the internal electrodes 6 and 7 to generate the piezo effect.
Auf die äußeren Piezolagen 4 ist noch jeweils eine elek trisch isolierende Kopfplatte 11 und eine Fussplatte 12 aufgebracht, durch die das gesamte Piezoelement 1 nach außen hin abisoliert werden kann.On the outer piezo layers 4 is still an elec trically insulating head plate 11 and a foot plate 12 is applied, through which the entire piezo element 1 can be stripped to the outside.
Nach Fig. 3, die eine Piezofolie 20 im Zustand vor ihrer Faltung zeigt, werden in Abwandlung zur Piezofolie 2 nach der Fig. 2 nur Teilbereiche der Piezofolie 20 mit Elek troden 21 und 22 versehen. Diese Elektroden 21 und 22 sind jeweils wechselseitig auf eine der gegenüberliegen den Seiten der Piezofolie 20 aufgebracht, so dass sich ebenfalls Piezolagen 4 wie anhand der Fig. 1 beschrie ben, ausbilden, jedoch weisen die resultierenden Innene lektroden 21 und 22 hier eine geringere Dicke auf, da sie nur durch eine einseitige Beschichtung gebildet sind.According to FIG. 3, showing a piezoelectric film 20 in the state before being folded, 2, only portions of the piezoelectric film 20 are in a modification of the piezoelectric film 2 of FIG. Elek with trodes provided 21 and 22. These electrodes 21 and 22 are alternately applied to one of the opposite sides of the piezo film 20 , so that piezo layers 4 as described with reference to FIG. 1 ben form, but the resulting inner electrodes 21 and 22 have a smaller thickness here , since they are only formed by a one-sided coating.
Claims (9)
einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Elektroden (6, 7; 21, 22) über Außenelektroden (9, 10), wobei
die einzelnen Piezolagen (4) aus einer während der Herstellung faltbaren durchgängigen Folie (2; 20) be stehen, die ganz oder teilweise mit den elektrisch leitenden Elektroden (6, 7; 21, 22) versehen sind.1. Piezo element with a multilayer structure of piezo layers ( 4 ) with electrodes ( 6 , 7 ; 21 , 22 ) arranged therebetween and with
a mutual lateral contacting of the electrodes ( 6 , 7 ; 21 , 22 ) via external electrodes ( 9 , 10 ), wherein
the individual piezo layers ( 4 ) are made of a continuous film ( 2 ; 20 ) that can be folded during manufacture, all or part of which are provided with the electrically conductive electrodes ( 6 , 7 ; 21 , 22 ).
die Folie (2; 20) zur Herstellung der Elektroden (6, 7; 21, 22) ganz oder teilweise metallisiert ist, dass
die Piezolagen (2; 20) durch Faltung an in vorgegebenen Abständen quer zur Faltrichtung angebrachten Ker ben(5, 5.1, 5.2) gebildet sind, wobei die Innenelektro den (6, 7; 21, 22) durch die nach der Faltung an der In nenseite der Kerben (5, 5.1, 5.2) liegenden metallisier ten Schichten gebildet sind und an der Außenseite der Kerben (5, 5.1, 5.2) die metallisierten Schichten unter brochen sind und dass
die Innenelektroden (6, 7; 21, 22) an den nach der Fal tung nach außen ragenden Innenseiten der Kerben (5, 5.1, 5.2) mit den Außenelektroden (9.10) kontaktiert sind.2. Piezo element according to claim 1, characterized in that
the film ( 2 ; 20 ) for producing the electrodes ( 6 , 7 ; 21 , 22 ) is completely or partially metallized that
the piezo layers ( 2 ; 20 ) are formed by folding at notches ( 5 , 5.1 , 5.2 ) attached at predetermined intervals transversely to the folding direction, the inner electrodes ( 6 , 7 ; 21 , 22 ) being formed by the folds on the inside metallized layers are formed on the inside of the notches ( 5 , 5.1 , 5.2 ) and the metallized layers are interrupted on the outside of the notches ( 5 , 5.1 , 5.2 ) and that
the inner electrodes ( 6 , 7 ; 21 , 22 ) are in contact with the outer electrodes ( 9.10 ) on the inner sides of the notches ( 5 , 5.1 , 5.2 ) which protrude outwards after the folding.
die Piezofolie (2; 20) in der Breite des Piezoelements (1) geschnitten und in vorgegebenen Abständen jeweils wechselseitig mit Kerben (5, 5.1, 5.2) versehen wird, dass
die Piezofolie (2; 20) auf beiden Seiten ganz oder teilweise metallisiert wird, dass
die Piezofolie (2; 20) an den Kerben (5, 5.1, 5.2), je weils um die Innenseite der Kerbe (5, 5.1, 5.2) gefaltet wird und dass
die Außenelektroden (9, 10) durch löten an die Innene lektrode (6, 7; 21, 22) im Biegebereich, in der nach der Faltung nach außen ragenden Innenseite der Kerbe (5), aufgebracht wird.8. A method for producing a piezo element ( 1 ) according to one of claims 2 to 7, characterized in that
the piezo film ( 2 ; 20 ) is cut in the width of the piezo element ( 1 ) and alternately provided with notches ( 5 , 5.1 , 5.2 ) at predetermined intervals that
the piezo film ( 2 ; 20 ) is completely or partially metallized on both sides that
the piezo film ( 2 ; 20 ) on the notches ( 5 , 5.1 , 5.2 ), each because it is folded around the inside of the notch ( 5 , 5.1 , 5.2 ) and that
the outer electrodes ( 9 , 10 ) by soldering to the inner electrode ( 6 , 7 ; 21 , 22 ) in the bending area, in which, after folding, the inside of the notch ( 5 ) protruding outwards is applied.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |