DE19946836A1 - Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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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 und einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (4, 5) an Außenelektroden (6, 7). Die Piezokeramik der Piezolagen (2) ist ein niedrigsinterndes Pb-haltiges Material und die Innenelektroden (4, 5) sind aus einer Ag/Pd-Legierung oder reinem Ag hergestellt, wobei jedoch der Pd-Anteil kleiner als 30 mol% 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 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.
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 Pie
zokeramik der Piezolagen ein niedrigsinterndes Pb-
haltiges Material ist und die Innenelektroden aus einer
Ag/Pd-Legierung hergestellt sind, deren Pd-Anteil jeweils
kleiner als 30 mol-% ist.
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. Da
die üblichen Sintertemperaturen von einer Pb-haltigen
Piezokeramik zwischen ca. 1100°C und 1150°C liegen, ent
hält die zuvor erwähnte Ag/Pd Innenelektrode einen Pd-
Anteil von 30 mol-%, wodurch die Schmelztemperatur von
reinem Silber (961,93°C) auf ca. 1160°C erhöht wird und
damit ein sog. Cofiren der Innenelektroden mit dem Kera
mikmaterial ermöglicht wird.
Jedoch kommt es während der üblichen Herstellungsbedin
gungen zu einer Oxidation von Pd (Paladium) zu PdO (Pala
diumoxid) und zu einer Sekundärphasenbildung (Pd-Pb-O) an
der Keramik/Elektroden-Grenzfläche. Die bei der Bildung
von PdO einhergehende Volumenexpansion bzw. die unter
schiedlichen mechanischen Festigkeiten und thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der Piezokeramik und der Pd-Pb-O
Phase führen verstärkt zu Delaminationen an der Kera
mik/Elektroden-Grenzfläche, die wiederum die Zuverlässig
keit des Piezoaktors erheblich verringern. Gemäß der Er
findung wird somit mit dem Einsatz von Pb-haltiger Kera
mik, die bereits bei relativ niedrigen Temperaturen von
z. B. < 1000°C, in vorteilhafter Weise erreicht, dass der
Pd-Gehalt der Ag/Pd-Legierung der Innenelektroden auf un
ter 30 mol-% reduziert werden kann.
Außerdem kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
unter bestimmten Entbinderungs- und Sinterbedingungen
auch reines Silber (Ag) als Innenelektrodenmaterial beim
Cofiren des Keramik/Elektroden-Schichtverbundes verwendet
werden. Mit den vorgeschlagenen Maßnahmen kann somit
durch die Verringerung oder Vermeidung des Pd-Zusatzes
zum einen die mechanische Stabilität des Bauteils wesent
lich verbessert werden, da die Volumehexpansion bei, der
Bildung der Phasen Pd zu PdO bzw. Pd-Pb-O reduziert und
bei reinen Ag-Elektroden ganz vermieden wird und zum an
deren eine erhebliche Reduzierung der Kosten für das re
lativ teure Paladium möglich ist.
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, beschichtet. Die Piezolagen werden dann
in einem Sinterprozess miteinander verbacken und es wer
den die Außenelektroden durch Löten mit den jeweils zuge
hörigen Innenelektroden kontaktiert, damit die äußere
elektrische Spannung 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.
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.
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 4 und 5 aus einer
Ag/Pd-Legierung hergestellt, deren Pd-Anteil jeweils
kleiner als 30 mol-% ist oder sie bestehen aus reinem Ag.
Die Piezokeramik der Piezolagen 2 ist ein niedrigsintern
des Pb-haltiges Material mit einer Sintertemperatur von
< 1000°C. Mit geeigneten, an sich bekannten Entbinderungs-
und Sinterverfahren kann, wie zuvor erwähnt, auch reines
Silber (Ag) als Innenelektrodenmaterial beim Cofiren des
Keramik/Elektroden-Schichtverbundes verwendet werden. Mit
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann somit durch
die erfindungsgemäße Materialauswahl die mechanische Sta
bilität des Piezoaktors wesentlich verbessert werden.
Insbesondere kann bei bei reinen Ag-Innenelektroden 4 und
5 eine erhebliche Reduzierung der Kosten für den Piezoak
tor 1 erreicht werden.
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 Innene lektroden (4, 5) an Außenelektroden (6, 7), wobei
- - die Piezokeramik der Piezolagen (2) ein niedrigsin terndes Pb-haltiges Material ist und die Innenelektro den (4, 5) aus einer Ag/Pd-Legierung hergestellt sind, deren Pd-Anteil jeweils kleiner als 30 mol-% ist.
2. 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
- - die Piezokeramik der Piezolagen (2) ein niedrigsin terndes Pb-haltiges Material ist und die Innenelektro den (4, 5) aus reinem Ag hergestellt sind.
3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass
- - die Piezokeramik der Piezolagen (2) bei einer Tempera tur von < 1000°C sinterbar ist.
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) von bis 500 µm 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 ähnlichem Verfahren 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.
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