DE19946834A1

DE19946834A1 - Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19946834A1
Application number: DE19946834A
Authority: DE
Inventors: Bertram Sugg; Marianne Hammer; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-05-03
Also published as: WO2001024287A3; WO2001024287A2

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwischen angeordneten Innenelektroden (4, 5), an die eine äußere elektrische Spannung anlegbar ist und einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (4, 5) an Außenelektroden (6, 7). Die Innenelektroden (4, 5) sind aus einem unedlen Metall oder dessen Legierungen hergestellt, wobei insbesondere Kupfer (Cu) oder Kupferlegierungen bzw. Nickel (Ni) oder Nickellegierungen in Frage kommen.

Description

Stand der Technik

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 einen Piezoaktor 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. Aufgrund dieses ex trem schnellen und genau regelbaren Effektes können sol che Piezoaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsy stemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Pie zoaktors zur Positionierung eines Steuerventils genutzt, das wiederum den Hub einer Düsennadel regelt. Ein großer Vorteil der Piezoaktoren ist dabei die Realisierung prä ziser und sehr schneller Auslenkungen mit hohen Kräften.

Piezoaktoren können hier metallisierte keramische Bauele mente sein, die in vielen technischen Bereichen ihre An wendung als Stellelemente finden. Herkömmliche piezokera mische Bauelemente können dabei aus einem monolithischen keramischen Block mit Abmessungen im mm- bis cm-Bereich bestehen, auf dessen Endflächen die Innenelektroden abge schieden werden. Typische Bauformen sind hier ein Quader, runde Scheiben oder Ringe. Diese Formen haben den Nach teil, dass für den Betrieb als Piezoaktor hohe Spannungen (1,6 kV/mm Dicke) erforderlich sind.

Um diesen Nachteil zu umgehen wurden Vielschichtaktoren (Multilayer-Aktoren) aus einem Schichtverbund aus dünnen Keramikschichten (in der Regel < 0,1 mm) entwickelt, wobei die Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeord net werden. Die Keramikschichten werden hierbei elek trisch parallel geschaltet, so daß die notwendige Steuer spannung in Vergleich zu den weiter oben erwähnten mono lithischen Piezoaktoren bei gleicher Länge und Anzahl der Schichten sinkt. Der Aufbau dieser Piezoaktoren erfolgt somit in üblicher Weise durch Übereinanderstapeln mehre ren Piezolagen, wobei die Gefahr von Rissen in der Kera mik der Piezolagen aufgrund inhomogener elektrischer Feldverteilungen gegeben ist. Auch besteht aufgrund des notwendigen Herstellungsverfahrens (z. B. Sintern) oder der verwendeten Werkstoffe die Gefahr von Delaminationen zwischen der Keramik und den Innenelektroden, beispiels weise aufgrund verminderter Haftfestigkeit, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Piezoaktors führen kann.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor mit einem Mehr schichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden, an die eine äußere elektrische Spannung anlegbar ist und einer wechselseitigen seitlichen Kontak tierung der Innenelektroden an Außenelektroden wird in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die In nenelektroden aus einem unedlen Metall oder dessen Legie rungen sind.

Typische Bauformen der Piezoaktoren in einem Mehrschicht aufbau bestehen z. B. aus bis zu 500 Schichten mit einer Keramikschichtdicke von 60 bis 120 µm und einer Innene lektrodendicke von 1 bis 5 µm, so daß die Steuerspannung auf 100 bis 200 mV reduziert werden kann. Als Elektroden material wurde bisher in der Regel Ag₇₀/Pd₃₀ angewandt, wobei ein Problem in der während des Sintervorganges ab laufenden Ag/Pd-Migration (Diffusion) des Innenelektroden materials in die Keramik der Piezolagen bestand. Der Grund für die vor allem Ag-Migration (Diffusion) liegt in der Sintertemperatur, die ca. 1100°C beträgt und damit nahe der Schmelztemperatur des üblicherweise verwendeten Elektrodenmaterials Ag₇₀/Pd₃₀ (Schmelztemperatur bei 1160°C) liegt.

Da die eingangs schon erwähnten Nachteile, wie Ablösungen der Innenelektroden vom Keramikmaterial der Piezolagen oder elektrische Durchschläge und abnehmende Leitfähig keiten innerhalb der Innenelektrodenschichten, können da bei zum Versagen des Piezoaktors führen. Gemäß zweier be sonders vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind die Innenelektroden aus Kupfer (Cu) bzw. Kupferle gierungen oder aus Nickel (Ni) bzw. Nickellegierungen hergestellt.

Mit der erfindungsgemäßen Materialauswahl kann zum einen eine Steigerung der Zuverlässigkeit der Piezoaktoren er reicht werden; zum anderen tragen die unedlen Innenelek trodenmaterialien Cu oder Ni zu einer enormen Kostenredu zierung des gesamten Bauteils bei. Die beschriebenen Schadensbilder können bei dem Ersatz der bisher üblichen Ag₇₀/Pd₃₀ Innenelektroden durch unedle Cu- bzw. Ni- Innenelektroden oder deren Legierungen eingeschränkt wer den, da von einer geringeren Metall-Migration (Diffusion) in die Keramik des Piezomaterials ausgegangen werden kann. Hierbei ist besonders die Verwendung von Nickel als Grundmaterial vorteilhaft, da die Schmelztemperatur hier mit 1453°C weit über der während der Herstellung erfor derlichen Sintertemperatur liegt. Im Hinblick auf Kupfer als Grundmaterial ist vor allem eine sehr gute Oxidati onsbeständigkeit und die gute elektrische Leitfähigkeit in Verbindung mit einer geringen Reaktivität mit der Pb- haltigen Keramik des Piezomaterials vorteilhaft.

Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktor werden die Piezolagen aus keramischen Piezofo lien in einem Foliengießverfahren hergestellt und mit dem unedlen Metall oder dessen Legierungen, zur Bildung der Innenelektroden, in einem Siebdruck oder ähnlichen Druck verfahren beschichtet. Die Piezolagen werden dann in ei nem Sinterprozess miteinander verbacken und es werden die Außenelektroden nach einer vorhergegangenen Grundmetalli sierung durch Löten mit den jeweils zugehörigen Innene lektroden kontaktiert, damit die äußere elektrische Span nung angelegt werden kann.

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

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoaktors mit wird anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläu tert, die eine Detailansicht eines Piezoaktors mit einem Schnitt durch die Piezolagen mit Innenelektroden zeigt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Teil eines Piezoaktors 1 gezeigt, bei dem Piezolagen 2 zu erkennen sind, die aus laminierten Piezofolien gebildet sind. Die Piezofolien sind aus einem Keramikmaterial mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Pie zoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden 4 und 5, die jeweils zum Abschluss ei ner jeden Piezolage 2 beispielsweise durch Siebdruck, an gebracht sind, eine mechanische Reaktion der Piezolagen 2 und somit des gesamten Piezoaktors 1 erfolgt.

Die Innenelektroden 4 und 5 nach der Fig. 1 sind seit lich, wechselseitig an Außenelektroden 6 und 7 kontak tiert, an die außen die elektrische Spannung angelegt werden kann. Die jeweils nicht kontaktierte Innenelektro de 4 oder 5 ist dabei innerhalb des Lagenaufbaus zur Ver meidung eines Kurzschlusses etwas zurückgesetzt. Gemäß der Erfindung sind die Innenelektroden aus Kupfer (Cu) bzw. Kupferlegierungen oder aus Nickel (Ni) bzw. Nickel legierungen hergestellt.

Claims

1. Piezoaktor, mit

- einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwi schen angeordneten Innenelektroden (4, 5) an die eine äußere elektrische Spannung anlegbar ist und einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innene lektroden (4, 5) an Außenelektroden (6, 7), wobei
- die Innenelektroden (4, 5) aus einem unedlen Metall oder dessen Legierungen hergestellt sind.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Innenelektroden (4, 5) aus Kupfer (Cu) oder Kupfer legierungen hergestellt sind.

3. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Innenelektroden (4, 5) aus Nickel (Ni) oder Nickel legierungen hergestellt sind.

4. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Schichtdicke der Innenelektroden (4, 5) ca. 1 bis 5 µm, die Schichtdicke der Piezolagen (2) ca. 60 bis 120 µm bei einer Anzahl der Piezolagen (2) bis 500 be trägt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Piezolagen (2) aus keramischen, laminierten Piezo folien in einem Foliengießverfahren hergestellt und mit dem unedlen Metall oder dessen Legierungen, zur Bildung der Innenelektroden (4, 5) in einem Siebdruck oder ähnlichen Druckverfahren beschichtet werden, dass
- die aus den Piezofolien (3) gebildeten Piezolagen (3) in einem Sinterprozess miteinander verbacken werden und dass
- die Außenelektroden (6, 7) nach einer vorhergegangenen Grundmetallisierung durch Löten mit den jeweils zuge hörigen Innenelektroden (4, 5) kontaktiert werden.