DE19946835A1 - Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung

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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. Jeweils eine Piezolage (2) ist aus einer Mehrzahl (n) von übereinander gestapelten Piezofolien (3) gebildet und die zu jeweils einer Piezolage (2) zugehörigen Innenelektroden (4, 5) sind außen an der jeweiligen Piezolage (2) angeordnet.

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 Piezaaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsy­ stemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden.
Der Aufbau dieses Piezoaktors erfolgt in üblicher Weise durch Übereinanderstapeln mehreren Piezolagen (Multilay­ er-Aktoren), wobei die Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden. Da die elektrischen Feldstärken zwischen den Innenelektroden im Bereich von mehreren Kilovolt pro Millimeter liegen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, werden sogenannte Vielschichtaktoren (Multilayer- Piezoaktoren) hergestellt. Hier besteht jedoch die Gefahr von Rissen in der Keramik der Piezolagen aufgrund inhomo­ gener elektrischer Feldverteilungen oder es besteht die Gefahr von Delaminationen zwischen der Keramik und den Innenelektroden aufgrund verminderter Haftfestigkeit. Beide Phänomene habe eine Verkürzung der Lebensdauer des Piezoaktors zur Folge.
Vorteile der Erfindung
Der eingangs beschriebene Piezoaktor mit einem Mehr­ schichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Elektroden an die eine äußere elektrische Spannung anleg­ bar ist, wird in vorteilhafter Weise weitergebildet, in dem jeweils eine Piezolage aus einer Mehrzahl von über­ einander gestapelten Piezofolien gebildet ist und die zu jeweils einer Piezolage zugehörigen Innenelektroden außen an der jeweiligen Piezolage angeordnet sind.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass mehrere dünne Folienschichten übereinander gestapelt und laminiert werden können, ohne dass dazwischen metallische Innenelektroden auftreten. Durch die Verwendung extrem dünner Folien kann ein geringerer Feldstärkengradient beim Übergang von aktiven zu inaktiven Bereichen inner­ halb der Piezolage eingestellt werden, ohne dass beim Fo­ liengießen verschiedene Foliendicken hergestellt werden müssen. Im Betrieb kann dadurch die Zuverlässigkeit der Piezoaktoren erhöht werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die ein­ zelnen Piezofolien eine Dicke dmin von ca. 20.40 µm auf. Durch die Verwendung dieser extrem dünner Folien lässt sich auf einfache Weise eine beliebige Schichtdicke d = n.dmin einstellen, wobei n ganzzahlig ist. Die Erfindung ist hierbei jedoch nicht auf eine bestimmte Struktur der Elektrodenanordnung beschränkt, sondern gültig für alle Elektrodendesigns. Es können somit Piezolagen aus 2 bis 20 Piezofolien gebildet werden, die eine Lagendicke von ca. 60.400 µm aufweisen.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors, werden die Piezofolien in einem Foliengieß­ verfahren hergestellt. Die Piezofolien werden dann in ei­ ner vorgegebenen Anzahl übereinandergestapelt und an­ schließend laminiert. Zur Bildung der Innenelektroden werden die äußeren Piezofolien metallisiert und die aus den Piezofolien gebildeten Piezolagen in einem Sinterpro­ zess miteinander verbacken. Die Außenelektroden können dann durch Löten mit den jeweils zugehörigen Innenelek­ troden kontaktiert werden.
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 Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Detailansicht eines Piezoaktors einer zwischen zwei Innenelektroden angeordneten Piezolage mit jeweils mehreren Piezofolien und
Fig. 2 eine Ansicht mit mehreren Piezolagen.
Beschreibung des Ausführungsbeispielspiels
In Fig. 1 ist ein Teil eines Piezoaktors 1 gezeigt, bei dem hier beispielhaft eine Piezolage 2 gezeigt ist, die aus drei übereinandergestapelten und laminierten Piezofo­ lien 3 besteht. Die Piezofolien 3 weisen eine Schichtdicke dmin auf und die gesamte Piezolage 2 besitzt eine Schichtdicke d = n.dmin (mit n = 3). Die Piezofolien 3 sind aus einem Keramikmaterial mit einer geeigneten Kri­ stallstruktur aufgebaut, so dass unter Ausnutzung des so­ genannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektri­ schen Spannung an Innenelektroden 4 und 5, die an der je­ weils äußeren Piezofolie 3 angebracht sind, beispielswei­ se in einem Siebdruckverfahren, eine mechanische Reaktion der Piezolagen 2 und somit des gesamten Piezoaktors 1 er­ folgt.
Die Innenelektroden 4 und 5 nach der Fig. 1 sind seit­ lich, wechseleitig an Außenelektroden 6 und 7 kontak­ tiert, wobei die jeweils nicht kontaktierte Innenelektro­ de 4 oder 5 innerhalb des Lagenaufbaus zur Vermeidung ei­ nes Kurzschlusses etwas zurückgesetzt ist.
In Fig. 2 ist der Piezoaktor 1 mit einer Vielzahl von Piezolagen 2 gezeigt, bei denen auch Piezolagen 2 jeweils mit einer unterschiedlichen Anzahl n von Piezofolien 3 angeordnet sein können.

Claims (5)

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 Innen­ elektroden (4, 5) an Außenelektroden (6, 7), wobei
  • - jeweils eine Piezolage (2) aus einer Mehrzahl (n) von übereinander gestapelten Piezofolien (3) gebildet ist und die zu jeweils einer Piezolage (2) zugehörigen In­ nenelektroden (4, 5) außen an der jeweiligen Piezolage (2) angeordnet sind.
2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die einzelnen Piezofolien (3) eine Dicke dmin von ca. 20 bis 40 µm aufweisen.
3. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
  • - die jeweiligen Piezolagen (2) aus 2 bis 20 Piezofolien (3) gebildet sind.
4. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
  • - die Piezofolien (3) in einem Foliengießverfahren her­ gestellt werden, dass
  • - die Piezofolien (3) in einer vorgegebenen Anzahl (n) übereinandergestapelt und anschließend laminiert wer­ den, dass
  • - die äußeren Piezofolien (3) metallisiert werden, zur Bildung der Innenelektroden (4, 5), dass die aus den Piezofolien (3) gebildeten Piezolagen (3) in einem Sinterprozess miteinander verbacken werden und dass
  • - die Außenelektroden (6, 7) durch Löten mit den jeweils zugehörigen Innenelektroden (4, 5) kontaktiert werden.
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