DE19951118A1 - Piezoaktor und ein Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Piezoaktor und ein Verfahren zu seiner Herstellung

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Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, bei dem ein Piezoaktor, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwischen angeordneten Innenelektroden (3, 4; 10, 11; 18, 19), versehen ist, die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind. Es ist eine von Schicht zu Schicht wechselnde Kontaktierung der Innenelektroden (3, 4; 10, 11; 18, 19) mit einer Mehrzahl von Außenelektroden (12, 13, 14, 15; 16, 17; 20 bis 25) für jede Polarität vorgesehen, wobei die Kontaktierung jeweils in dem Bereich erfolgt, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innenelektrode (3, 4; 10, 11; 18, 19) an die Außenseite herangeführt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, und ein Herstellungsverfahren nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
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. 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.
Da die erforderlichen elektrischen Feldstärken zur Betä­ tigung des Piezoaktors im Bereich von mehreren kV/mm lie­ gen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, kann, der Aufbau dieses Piezo­ aktors hier in mehreren Schichten erfolgen (Multilayer- Aktoren). Hierzu sind jeweils zwischen den Schichten In­ nenelektroden vorhanden, die z. B. mit einem Druckverfah­ ren aufgebracht werden, und es sind Außenelektroden vor­ handen, über die die elektrische Spannung angelegt wird.
Aus der EP 0 844 678 A1 ist ein solcher Piezoaktor be­ kannt, bei dem zwei, an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Piezoaktorblocks angebrachte, Außenelektroden unter­ schiedlicher Polarität vorhanden sind. Bei einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innene­ lektroden mit den seitlichen Außenelektroden erfolgt die jeweilige Kontaktierung in dem Bereich, in dem in der je­ weils benachbarten Schicht keine Innenelektrode an die Außenseite herangeführt ist.
Vorteile der Erfindung
Der eingangs beschriebene Piezoaktor ist, wie erwähnt, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden aufgebaut und mit einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innene­ lektroden; zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, versehen. In vorteilhafter Weise weist der er­ findungsgemäße Piezoaktor eine Mehrzahl von Außenelektro­ den für jede Polarität der elektrischen Spannung auf.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Mehrzahl der Außenelektroden für jede Polarität der elek­ trischen Spannung in vorteilhafter Weise jeweils auf ei­ ner Seite des Piezoaktors angebracht. Bei einer zweiten Ausführungsform ist die Mehrzahl der Außenelektroden in vorteilhafter Weise für jede Polarität jeweils auf ver­ schiedenen Seiten des Piezoaktors angebracht. Die Anbrin­ gung der mehrfachen Außenelektroden kann dabei abhängig von der geometrischen Gestaltung der Innenelektroden und der gesamten Aktorgeometrie auf den dadurch gebildeten Seitenflächen vorgenommen werden.
Die Schichten des Piezoaktors können hier z. B. im wesent­ lichen rechteckig, insbesondere auch quadratisch aufge­ baut sein, wobei die Außenelektroden einer Polarität bei der zweiten Ausführungsform dann jeweils auf benachbarten Seiten des Piezoaktors angebracht sind.
Weiterhin können die Schichten des Piezoaktors auch eine im wesentlichen hexagonale Kontur aufweisen, wobei dann die Außenelektroden einer Polarität nach der zweiten Aus­ führungsform jeweils auch auf benachbarten Seiten des Piezoaktors angebracht sind.
Mit der Erfindung ist es auf einfache Weise möglich, die Zuverlässigkeit der Piezoaktoren zu erhöhen. Reißt bei­ spielsweise bei der üblichen bekannten Anordnung, mit je­ weils einer Außenelektrode pro Polarität auf den Seiten­ flächen des Piezoaktors, eine der beiden Außenelektroden durch oder löst sich diese von der vorher aufgebrachten Grundmetallisierung, kann dies zum Totalausfall des Pie­ zoaktors führen. Durch die erfindungsgemäße Mehrfachauf­ bringung von Außenelektroden verringert sich die Ausfall­ wahrscheinlichkeit drastisch und dadurch ist die Lebens­ dauer des Piezoaktors erhöht.
Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktor der zuvor beschriebenen Ausführungsfor­ men, werden in vorteilhafter Weise die Seiten des Piezo­ aktors mit den eingeschlossenen Innenelektroden in einem ersten Arbeitsgang vollflächig grundmetallisiert und dann werden in einem zweiten Arbeitsgang durch mechanisches oder chemisches Abtragen von Bereichen der Grundmetalli­ sierung die einzelnen Außenelektroden voneinander iso­ liert.
Bei einer anderen vorteilhaften Variante des Herstel­ lungsverfahrens werden, insbesondere bei der Herstellung eines Piezoaktors nach der zweiten Ausführungsform, ge­ genüberliegende Kanten des Piezoaktors in Richtung des Lagenaufbaus derart entfernt, dass die so gebildeten Au­ ßenelektroden die wechselseitige Kontaktierung der In­ nenelektroden bewirken und eine Übereckkontaktierung ver­ mieden ist.
Ein wesentlicher Vorteil insbesondere der zuletzt genann­ ten Herstellungsvariante besteht darin, dass ein Piezoak­ tor dieser Geometrie beim Herstellungsprozess in einem Arbeitsgang grundmetallisiert werden kann, wobei die Grundmetallisierung auf einfache Weise vollflächig um den Piezoaktor herum aufgebracht wird. Durch einfaches Abtra­ gen, z. B. durch Schleifen, Sägen oder ähnliche Verfahren, entlang vorgegebener Kanten, wird dann die Übereckkontak­ tierung vermieden. Somit schließt man auf einfache Weise zusätzlich das Verschmieren von Metallpartikeln aus den Innenelektroden auf der Piezoaktoroberfläche weitgehend aus und reduziert damit wesentlich die Kurzschlußgefahr zwischen den Innenelektroden.
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
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines an sich bekannten Piezoak­ tors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezo­ keramik mit an einer Seite angebrachten Außenelektro­ den;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf zwei abwech­ selnd im Stapelaufbau übereinander liegenden Piezola­ gen mit jeweils auf unterschiedlichen Seiten ausge­ sparten Bereichen der Innenelektrodenschicht und ei­ ner Kontaktierung über jeweils zwei Außenelektroden gleicher Polarität auf jeder Seite;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf zwei abwech­ selnd im Stapelaufbau übereinander liegenden Piezola­ gen mit jeweils an unterschiedlichen Eckbereichen ausgesparten Bereichen der Innenelektrodenschicht und einer Kontaktierung über zwei Außenelektroden glei­ cher Polarität an benachbarten Seiten;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf zwei abwech­ selnd im Stapelaufbau übereinander liegenden Piezola­ gen mit jeweils an unterschiedlichen Eckbereichen ausgesparten Bereichen der Innenelektrodenschicht und abgetragenen Ecken des Piezoaktors und
Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf zwei abwech­ selnd im Stapelaufbau übereinander liegenden Piezola­ gen eines Piezoaktors mit hexagonaler Geometrie und mit jeweils an unterschiedlichen Eckbereichen ausge­ sparten Bereichen der Innenelektrodenschicht sowie mit einer Kontaktierung über jeweils drei Außenelek­ troden gleicher Polarität an benachbarten Seiten.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezolagen 2 eines Keramikmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Gleichspannung an Innen­ elektroden 3 und 4 über außen kontaktierte Elektroden 5 und 6 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 er­ folgt.
In der Fig. 1 sind nur einige Innenelektroden 3 und 4 schematisch angedeutet und die Außenelektroden 5 und 6 sind als flächige Elektroden ausgeführt, wobei jeweils eine Außenelektrode 5 oder 6 an Kontaktstellen mit je­ weils den, die gleiche Polarität aufweisenden Innenelek­ troden 2 oder 3, kontaktiert sind. Die eingegrabenen In­ nenelektroden 3 und 4 sind jeweils abwechselnd in den Be­ reichen, an denen sie nicht mit einer Außenelektrode 5 oder 6 kontaktiert sind, durch einen ausgesparten, Bereich nach innen versetzt.
Aus Fig. 2 ist eine Ansicht einer Innenelektrode 10, beispielsweise der Pluspol, und einer dahinter liegenden Innenelektrode 11, beispielsweise der Minuspol, als Be­ standteil eines erfindungsgemäßen Piezoaktors erkennbar. Es ist hier jeweils ein ausgesparter Bereich im Bereich der jeweils benachbarten Innenelektrode 10,11 an den In­ nenelektroden 10,11 vorhanden, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Auf der Pluspolseite sind zwei Außenelektroden 12 und 13 und auf der Minuspolseite sind Außenelektroden 14 und 15 angebracht.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Innenelek­ trode 10 als Pluspol und die dahinter liegende Innenelek­ trode 11 als Minuspol so gestaltet, dass jeweils ein aus­ gesparter Bereich an den Innenelektroden 10 und 11 alter­ nierend über zwei Seiten über Eck geführt ist, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Auf der Pluspolseite sind zwei Außenelektroden 12 und 13 an benachbarten Seiten und auf der Minuspolseite sind Außenelektroden 14 und 15, diago­ nal gegenüberliegend, ebenfalls an benachbarten Seiten angebracht.
Bei einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind gegen­ überliegende Kanten des Piezoaktors in Richtung des La­ genaufbaus entlang der Linien A-A und B-B entfernt, so dass die so gebildeten Außenelektroden 16 und 17 die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden 10 und 11 bewirken und eine Übereckkontaktierung vermieden ist. Ein Piezoaktor nach diesem Ausführungsbeispiel kann beim Herstellungsprozess in einem Arbeitsgang grundmetalli­ siert werden. Die Grundmetallisierung wird vollflächig um den Piezoaktor herum aufgebracht und beispielsweise durch Sägen oder Schleifen entlang der Linien A-A und B-B wird eine Übereckkontaktierung vermieden.
Ein letztes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 gezeigt, bei dem in Abweichung von den vorher beschriebenen Aus­ führungsbeispielen die Piezolagen 18 und 19 und damit der gesamte Piezoaktor eine im wesentlichen hexagonale Kontur aufweist. Drei Außenelektroden 20, 21, und 22 sind, hier für den Pluspol und drei Außenelektroden 23, 24, und 25 sind hier für den Minuspol angeordnet.

Claims (7)

1. Piezoaktor, mit
  • - einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und da­ zwischen angeordneten Innenelektroden (3, 4; 10, 11; 18, 19), die mit einer elektrischen Spannung beauf­ schlagbar sind und mit
  • - einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktie­ rung der Innenelektroden (3, 4; 10, 11; 18, 19) mit min­ destens einer Außenelektrode (5, 6; 12, 13, 14, 15; 15, 17; 20 bis 25) für jede Polarität, wobei die Kon­ taktierung jeweils in dem Bereich erfolgt, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innen­ elektrode (3, 4; 10,11; 18, 19) an die Außenseite heran­ geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
  • - eine Mehrzahl von Außenelektroden (12, 13, 14, 15; 16, 17; 20 bis 25) für jede Polarität der elektrischen Spannung an der oder den Außenseiten des Piezoak­ tors (1) angeordnet ist.
2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Außenelektroden (12, 13, 14, 15) für je­ de Polarität jeweils auf einer Seite des Piezoaktors (1) angebracht sind.
3. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Außenelektroden (12, 13, 14, 15; 16, 17; 20 bis 25) jeweils auf verschiedenen Seiten des Piezoaktors (1) angebracht sind.
4. Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten des Piezoaktors (1) im wesentlichen rechteckig, insbesondere auch quadratisch aufgebaut sind und die Außenelektroden (12, 13, 14, 15; 16, 17) einer Polarität jeweils auf benachbarten Seiten des Piezoak­ tors (1) angebracht sind.
5. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten des Piezoaktors (18, 19) eine im wesent­ lichen hexagonale Kontur aufweisen und die Außenelek­ troden (20 bis 25) einer Polarität jeweils auf benach­ barten Seiten des Piezoaktors (1) angebracht sind.
6. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
  • - die Seiten des Piezoaktors mit den eingeschlossenen Innenelektroden (3, 4; 10, 11; 18, 19) vollflächig grundme­ tallisiert werden und dass
  • - durch mechanisches oder chemisches Abtragen von Berei­ chen der Grundmetallisierung einzelne Außenelektroden (12, 13, 14, 15; 16, 17; 20 bis 25) voneinander isoliert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegende Kanten des Piezoaktors (1) in Rich­ tung des Lagenaufbaus derart entfernt werden, dass die so gebildeten Außenelektroden (15, 17) die wechselsei­ tige Kontaktierung der Innenelektroden (10, 11) bewir­ ken und eine Übereckkontaktierung vermieden ist.
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