DE19945933C1 - Piezoaktor mit isolationszonenfreier elektrischer Kontaktierung und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Elektrodenschichten (3, 5) des Vielschichtaktors erstrecken sich isolationszonenfrei über den gesamten Stapelquerschnitt bis zu den seitlichen Oberflächen des Stapels (1), wo für jede Elektrodenschicht (3, 5) separat eine horizontale, an der jeweiligen Elektrodenschicht (3, 5) mindestens über einen Teil des Stapelumfanges entlanglaufende Metallisierung (2) aufgebracht ist. Eine Weiterkontaktierung der Metallisierungen (2) insbesondere mit horizontalen, parallelen Kontaktdrähten ist möglich.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor in Vielschichtbauwei­ se, bei dem piezoelektrische Keramikschichten (8) und Elek­ trodenschichten (3, 5) alternierend übereinander zu einem Sta­ pel (1) angeordnet sind, bei dem die Elektrodenschichten (3, 5) zur elektrischen Kontaktierung in alternierender Pola­ rität mit seitlich am Stapel (1) aufgebrachten Metallisierun­ gen (2) verbunden sind, die wiederum elektrisch leitend mit einer Weiterkontaktierung verbunden sind, und bei dem für je­ de Elektrodenschicht (3, 5) separat eine horizontale, an der jeweiligen Elektrodenschicht (3, 5) mindestens über einen Teil des Stapelumfanges entlanglaufende Metallisierung (2) aufge­ bracht ist.

Ein Piezoaktor ist beispielsweise in der DE 196 46 676 C1 ausführlich beschrieben. Bei derartigen Piezokeramiken wird der Effekt ausgenutzt, daß diese sich unter einem mechani­ schen Druck bzw. Zug aufladen und andererseits bei Anlegen einer elektrischen Spannung entlang der Hauptachse der Kera­ mikschicht ausdehnen. Zur Vervielfachung der nutzbaren Län­ genausdehnung werden monolithische Vielschichtaktoren verwen­ det, die aus einem gesinterten Stapel dünner Folien aus Pie­ zokeramik (z. B. Bleizirkonattitanat) mit eingelagerten metal­ lischen Innenelektroden bestehen. Die Innenelektroden sind wechselseitig aus dem Stapel herausgeführt und über Außene­ lektroden elektrisch parallel geschaltet. Auf den beiden Kon­ taktseiten des bis zu ca. 40 mm hohen Stapels ist hierzu je­ weils eine streifen- oder bandförmige, durchgehende Außenme­ tallisierung aufgebracht, die mit allen Innenelektroden glei­ cher Polarität verbunden ist. Zwischen Außenmetallisierung und elektrischen Anschlüssen wird häufig noch eine in vielen Formen ausführbare Weiterkontaktierung, z. B. ein Cu­ kaschierter Kaptonfolienstreifen, aufgebracht. Legt man eine elektrische Spannung an die Außenkontaktierung, so dehnen sich die Piezofolien in Feldrichtung aus. Durch die mechani­ sche Serienschaltung der einzelnen Piezofolien wird die Nenn­ dehnung des gesamten Stapels schon bei relativ niedrigen elektrischen Spannungen erreicht.

Derartige Aktoren sind durch den mechanischen Hub einer er­ heblichen Belastung ausgesetzt. Von entscheidender Bedeutung für die Lebensdauer von Multilayeraktoren im dynamischen Be­ trieb ist, zur Erzielung hoher Zyklenzahlen und hoher Zuver­ lässigkeit, die elektrische Außenkontaktierung. Multilayerak­ toren aktueller Bauform enthalten mehrere Hundert Innenelek­ troden, die üblicherweise durch Siebdrucken einer Silber- Palladium-Paste und anschließendes Cofiring mit den Keramik­ schichten erzeugt werden. Diese Innenelektroden müssen zuver­ lässig und dauerhaft mit dem externen elektrischen Anschluß verbunden werden.

Die aus der DE 196 46 676 C1 bekannte Kontaktierungslösung erfolgt durch Einbringung von Isolationszonen in den Aktor mittels eines speziellen Innenelektrodenlayouts. In diesen Isolationszonen können die Innenelektroden gleicher Polarität separat durch eine vertikale, streifenförmige Außenmetalli­ sierung miteinander verbunden werden. Diese Metallisierungs­ bahnen werden meistens noch mit einer Weiterkontaktierung, beispielsweise seitlich am Stapel überstehende Kontaktfahnen, und/oder weiteren Anschlußelementen versehen, um die Außen­ kontaktierung des Aktors zu vervollständigen.

In den piezoelektrisch inaktiven Isolationszonen, die bisher in den Multilayeraufbau eingebracht werden, entstehen bei An­ steuerung des Piezoaktors mechanische Spannungen, die beson­ ders im dynamischen Betrieb zu Delaminationsrissen und im weiteren Verlauf zu Kontaktunterbrechungen führen. Eine suk­ zessive Verringerung der erreichten Auslenkung bzw. ein kom­ pletter Ausfall des Aktors ist die Folge.

Ein Piezoaktor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist bei­ spielsweise in der US 4,845,399 beschrieben. Dort sind außen am Aktor-Stapel die Innenelektroden durch stromlose Metallab­ scheidung unter Ausbildung erhabener horizontaler Metallisie­ rungslinien verstärkt. Die Kontaktierung der Metallisierungs­ linien erfolgt durch im wesentlich vertikal verlaufende An­ schlußbändchen oder -drähte, die seitlich am Stapel aufge­ bracht sind. Diese Anschlußbändchen oder -drähte können auch horizontale Abschnitte aufweisen oder einen zickzackförmigen oder wellenartigen Verlauf besitzen.

Ein Piezoaktor ist aus JP-A-6-232466 bekannt. Ein elek­ trostriktiver Aktor mit seitlich aufgebrachten horizontalen Metallisierungslinien ist aus JP-A-4-287984 bekannt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen hinsichtlich der geschilderten Problematik verbesserten Piezoaktor der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu seiner Herstel­ lung bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei einem Piezoaktor der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die Elektroden­ schichten sich isolationszonenfrei über den gesamten Stapel­ querschnitt bis zu den seitlichen Oberflächen des Stapels er­ strecken, daß jede Metallisierung mit einem horizontal über einen Teil einer Seite des Stapels und seitlich darüber hin­ aus verlaufenden Kontaktierungsdraht verbunden ist, und daß die Enden der seitlich überstehenden Bereiche der zu Elektro­ denschichten gleicher Polarität gehörenden Kontaktierungs­ drähte mit einem gemeinsamen Anschlußelement mechanisch und elektrisch verbunden sind.

Durch ein Innenelektrodenlayout ohne inaktive Isolationszonen kann demnach erfindungsgemäß die Entstehung inhomogener me­ chanischer Spannungen im Aktor weitgehend verhindert werden. Die Möglichkeit zur separaten Kontaktierung jeder einzelnen Innenelektrode an der Aktoroberfläche wird durch horizontale, hinsichtlich elektrischer Überschläge ausreichend zueinander beabstandete Einzelmetallisierungen geschaffen.

Die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den hori­ zontal angeordneten Metallisierungspunkten oder einer hori­ zontalen Metallisierungslinie und den typischerweise stift­ förmigen Anschlußelementen kann je nach den Gegebenheiten un­ terschiedlich vorgenommen werden. Eine für viele Anwendungs­ situationen vorteilhafte Anschlußkonfiguration wird dadurch erreicht, daß die Elektrodenschichten unterschiedlicher Pola­ rität durch Metallisierungen kontaktiert sind, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Stapels aufgebracht sind, so daß auf jeder dieser Seiten nur jede zweite Elektrodenschicht kontaktiert ist. Zum Auffangen mechanischer Spannungen er­ weist sich dabei besonders die erfindungsgemäße Konfiguration mit den seitlich überstehenden Kontaktierungsdrähten als vor­ teilhaft, bei der zu einer Polarität gehörende Kontaktie­ rungsdrähte mit einem gemeinsamen Anschlußelement verbunden sind. Die Kontaktierungsdrähte können insbesondere an zwei gegenüberliegenden Seiten in entgegengesetzte horizontale Richtungen parallel übereinander bis zu vertikal angeordneten Anschlußstiften weitergeführt sein.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines derar­ tigen Piezoaktors umfaßt das Aufbringen horizontal verlaufen­ der separierter metallischer Metallisierungspunkte oder Me­ tallisierungslinien auf jede der sich bis zu den seitlichen Oberflächen des Stapels erstreckenden Elektrodenschichten mittels Siebdruck und anschließendem Einbrand.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Piezoaktor mit Außenkontak­ tierung in einer Seitenansicht,

Fig. 2 einen Piezoaktor gemäß dem Stand der Technik mit Iso­ lationszonen,

Fig. 3 den Aktor gemäß Fig. 1 in einer Ansicht von oben,

Fig. 4 in einem Ausschnitt die Verbindung zwischen Kontak­ tierungsdrähten und den mit Metallisierungslinien versehenem Aktor gemäß Fig. 1 in Schnittdarstellung.

Fig. 1 zeigt beispielhalber einen Stapel 1, dessen nur in Fig. 4 erkennbare, mit horizontalen Metallisierungen 2 ver­ sehene Elektrodenschichten 3 und 5 mit horizontalen Kontak­ tierungsdrähten 4 verbunden sind. An der dem Betrachter zuge­ wandten Seite des Stapels 1 sind alle Elektrodenschichten 3 gleicher Polarität, also nur jede zweite Schicht im Stapel 1, über die einzelnen Kontaktierungsdrähte 4 kontaktiert, die wie erkennbar, über den rechten Rand des Stapels 1 hinaus weitergeführt und mit einem ersten senkrechten Anschlußstift 6 verbunden sind. Analog sind auf der vom Betrachter abge­ wandten Seite des Stapels 1 die Elektrodenschichten 5 gemein­ samer, aber der der Vorderseite entgegengesetzten Polarität durch parallel übereinander verlaufende Kontaktierungsdrähte 4 bis zu einem links neben dem Stapel 1 angeordneten zweiten senkrechten Anschlußstift 7 weitergeführt. Insgesamt ergibt sich eine entfernt einer Harfe ähnelnde Anschlußkonfigurati­ on.

Fig. 2 zeigt einen bekannten, aus zahlreichen Keramikschich­ ten 8 und Elektrodenschichten 3 und 5 aufgebauten Stapel 1. Erkennbar sind die inaktiven Isolationszonen 9, die abwech­ selnd in gegenüberliegenden Ecken der aufeinander folgenden, hier sich nicht über den gesamten Stapelquerschnitt erstrec­ kenden Elektrodenschichten 3 und 5 angeordnet sind. Dieser Aufbau ermöglicht, wie dargestellt, den gemeinsamen Anschluß aller Elektrodenschichten 3 gleicher Polarität durch ein ver­ tikales Metallisierungsband 10, das gegebenenfalls durch eine seitlich überstehende Kontaktfahne 11 weiterkontaktierbar ist.

Fig. 3 zeigt den Stapel 1 mit seitlich beabstandeten, sich diametral gegenüberstehenden Anschlußstiften 6 und 7. Etwaige Dehnungen, Schwingungen etc. am Stapel 1 werden in den Kon­ taktierungsdrähten 4 abgebaut.

Fig. 4 zeigt im Ausschnitt und in Schnittdarstellung die Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 3, bei der an zwei Seiten - und deshalb an jeder Seite jeweils nur jede zweite Elektro­ denschicht, z. B. 3 - einzeln kontaktiert wird. Diese Varian­ te erfordert eine Erhöhung des bisherigen Innenelektrodenab­ standes von 80 µm auf 200 µm. Bei einseitig kontaktierten Stapeln wäre demnach ein Innenelektrodenabstand gleicher Po­ larität von ca. 400 µm erforderlich. In jedem Fall lassen sich Metallisierungspunkte oder -linien auf einem gewünschten Teilbereich jeder Elektrodenschicht, genauer: auf die an die seitlichen Oberflächen des Stapels 1 anstoßende Außenkante der Elektrodenschichten 3 und 5, mittels Siebdruck und an­ schließendem Einbrand realisieren. Diese ausreichend beab­ standeten Metallisierungen bleiben auch bei Feldstärken um 2 kV/mm streng separiert. Typische Abmessungen einer solchen Metallisierungslinie sind 60 µm Breite und 4 mm Länge. Die Kontaktierungsdrähte 4 weisen einen Durchmesser von typi­ scherweise 0,05 mm auf. Die Dicke der Elektrodenschichten 3 und 5 beträgt z. B. 0,003 mm.

Mit dem erhöhten Innenelektrodenabstand geht eine verringerte Anzahl von Keramikschichten bzw. eine erhöhte Dicke derselben einher. Dies führt zwar zu einer höheren Spannung, die für ein Ansprechen der mit größerer Dicke als bisher verwendeten Keramikschichten erforderlich ist. Unter Kostengesichtspunk­ ten ist jedoch die Verringerung des insgesamt notwendigen In­ nenelektrodenmaterials (Ag-Pd) wesentlicher.

Auf den beiden Seiten des Stapels 1 kann jede derart kontak­ tierte, also jede zweite, Elektrodenschicht 3 bzw. 5 einzeln mit einem der parallel laufenden Kontaktierungsdrähte 4 in einem Lötprozess (Bügellötanlage oder Laserlötanlage) verbun­ den werden. Es lassen sich demnach hinsichtlich Lebensdauer und Zuverlässigkeit optimierte Multilayeraktoren großserien­ tauglich fertigen.

Claims (5)

1. Piezoaktor in Vielschichtbauweise, bei dem piezoelektrische Keramikschichten (8) und Elektrodenschichten (3, 5) alternierend übereinander zu einem Stapel (1) angeordnet sind, und bei dem die Elektrodenschichten (3, 5) zur elektrischen Kontaktierung in alternierender Polarität mit seitlich am Stapel (1) aufgebrachten Metallisierungen (2) verbunden sind, die wiederum elektrisch leitend mit einer Weiterkontaktierung verbunden sind, bei dem für jede Elektrodenschicht (3, 5) separat eine horizontale, an der jeweiligen Elektrodenschicht (3, 5) mindestens über einen Teil des Stapelumfanges entlanglaufende Metallisierung (2) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrodenschichten (3, 5) sich isolationszonenfrei über den gesamten Stapelquerschnitt bis zu den seitlichen Oberflächen des Stapels (1) erstrecken,
daß jede Metallisierung (2) mit einem eigenen, horizontal über einen Teil einer Seite des Stapels (1) und seitlich darüber hinaus verlaufenden Kontaktierungsdraht (4) verbunden ist, und daß die Enden der seitlich überstehenden Bereiche der zu Elektrodenschichten (3, 5) gleicher Polarität gehörenden Kontaktierungsdrähte (4) mit einem gemeinsamen Anschlußelement mechanisch und elektrisch verbunden sind.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, bei dem die Metallisierung (2) als horizontal nebeneinander angeordnete Metallisierungspunkte oder horizontal verlaufende Metallisierungslinie aufgebracht ist.

3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Elektrodenschichten (3, 5) unterschiedlicher Polarität durch Metallisierungen (2) kontaktiert sind, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Stapels (1) aufgebracht sind, so daß auf jeder dieser Seiten nur jede zweite Elektrodenschicht (3, 5) kontaktiert ist.

4. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem an einer Seite des Stapels (1) die überstehenden Enden der horizontalen Kontaktierungsdrähte (4) parallel zueinander bis zu einem ersten vertikalen Anschlußstift (6) geführt und mit diesem elektrisch verbunden sind, während an der gegenüberliegenden Seite des Stapels (1) die Kontaktierungsdrähte (4) in gleicher Weise, jedoch in entgegengesetzte horizontale Richtung, zu einem zweiten vertikalen Anschlußstift (7) geführt und mit diesem elektrisch verbunden sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem horizontal verlaufende separierte metallische Metallisierungspunkte oder Metallisierungslinien (2) auf jede der sich bis zu den seitlichen Oberflächen des Stapels (1) erstreckenden Elektrodenschichten (3, 5) mittels Siebdruck und anschließendem Einbrand aufgebracht werden und bei dem die aufgebrachten und eingebrannten Metallisierungen (2) in einem Lötprozess mit jeweils einem der parallel übereinander verlaufenden Kontaktierungsdrähte (4) so verbunden werden, daß sie seitlich des Stapels überstehen.