DE19951118A1 - Piezoaktor und ein Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Piezoaktor und ein Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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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
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.
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.
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19951118A DE19951118A1 (de) | 1999-10-23 | 1999-10-23 | Piezoaktor und ein Verfahren zu seiner Herstellung |
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Publication Number | Publication Date |
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Country Status (1)
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Date | Code | Title | Description |
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OAV | Publication of unexamined application with consent of applicant | ||
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |