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Die
Erfindung betrifft einen piezokeramischen Mehrschichtaktuator, umfassend:
einen Aktorkörper mit einer Vielzahl von Piezokeramikschichten, die
alternierend durch jeweils eine positive oder negative Innenelektrode
voneinander getrennt sind, positive und negative Sammelelektroden,
die auf zwei Außenseiten des Aktorkörpers angeordnet
und mit den zugeordneten positiven oder negativen Innenelektroden
leitend verbunden sind.
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Ein
Mehrschichtaktuator bzw. Multilayeraktor der oben genannten Art
ist aus der
DE
10 2006 040 316 A1 bekannt. Dort ist ein piezoelektrischer
Flächenaktuator und ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben.
Kernstück ist ein herkömmlicher piezoelektrischer
Multilayeraktuator, dessen Außenkontaktierungen (Sammelelektroden)
mit an sich bekannten elastischen Kontaktflächen versehen
werden, wobei aus dem so vorbereiteten Körper dann dünne
Platten gesägt werden, die in ein Polymer eingebettet werden.
Die elektrische Kontaktierung der dünnen Multilayerplatte
erfolgt über in die Polymereinbettung integrierte Leiterbahnen.
Dabei ist es wichtig, dass bei dem Klebeprozess oder dem Harzinjektionsverfahren
eine galvanische Verbindung zwischen den Leiterbahnen und den elastischen Kontaktflächen
erreicht wird. Eine derartige Anordnung und Technologie ist allein
im Sinne einer stabilen Serienfertigung schon als kritisch zu bewerten. Versuche
haben gezeigt, dass mit der vorgeschlagenen Kontaktierung keine
zuverlässige Herstellung derartiger Aktoren möglich
ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige
Kontaktierung zwischen den Elektroden des piezoelektrischen Multilayeraktuators
und der Außenkontaktierung sicher zu stellen.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung den piezokeramischen
Mehrschichtaktuator nach Anspruch 1 bereit, welcher umfasst: einen
Aktorkörper mit einer Vielzahl von Piezokeramikschichten,
die alternierend durch jeweils eine positive oder negative Innenelektrode voneinander
getrennt sind, positive und negative Sammelelektroden, die auf zwei
Außenseiten des Aktorkörpers angeordnet und mit
den zugeordneten positiven oder negativen Innenelektroden leitend
verbunden sind, wobei der Aktorkörper des Mehrschichtaktuators
zumindest je eine positive und eine negative Kontaktierungselektrode
aufweist, über welche der Mehrschichtaktuator elektrisch
kontaktiert wird und welche mit der zugeordneten positiven oder
negativen Sammelelektrode leitend verbunden ist. Grundgedanke der
Erfindung ist es, die zuverlässige Kontaktierung zwischen
den Elektroden des piezoelektrischen Multilayeraktuators und der
Außenkontaktierung dadurch sicher zu stellen, dass die
Kontaktflächen deutlich vergrößert werden.
Erfindungsgemäß kann das dadurch erreicht werden,
dass der Aktorkörper bereits im grünen Zustand
mit Kontaktierungselektroden versehen wird. Terminologisch werden
die Begriffe „Innenelektrode”, „Kontaktierungselektrode” und „Sammelelektrode” unterschieden.
Der Begriff „Innenelektrode” bezeichnet im Rahmen
dieser Erfindung eine positive oder negative Elektrode, die eine
Piezokeramikschicht flächig elektrodiert, um einen (inversen)
piezoelektrischen Effekt zu erzeugen, bei welchem die elektrodierte
Piezokeramikschicht ihre Form unter dem Einfluss eines elektrischen
Feldes ändert, um eine aktuatorische Nutzung der Piezokeramik
zu ermöglichen, oder um einen direkten piezoelektrischen
Effekt zu erzeugen, bei welchem durch die Einwirkung einer mechanischen
Spannung oder Dehnung Ladungen an den Innenelektroden generiert
werden. Der Begriff „Sammelelektrode” bezeichnet
im Rahmen dieser Erfindung eine Elektrode, über welche
die zugeordneten positiven oder negativen Innenelektroden elektrisch
gespeist werden. Der Begriff „Kontaktierungselektrode” bezeichnet
im Rahmen dieser Erfindung eine Elektrode, über welche
der Mehrschichtaktuator elektrisch kontaktiert wird und über
welche die zugeordneten positiven oder negativen Sammelelektroden
elektrisch gespeist werden. Die Kontaktierungselektroden sind vorzugsweise
elektrisch gegeneinander isoliert. Der Begriff „leitend” wird
im Rahmen dieser Erfindung als „elektrisch leitend” verstanden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung reicht die positive
und/oder die negative Kontaktierungselektrode an zumindest eine
Außenseite, vorzugsweise zwei Außenseiten, des
Aktorkörpers, und schließt bevorzugt bündig
mit der oder den Außenseiten des Aktorkörpers
ab. Vorzugsweise liegt die positive und/oder die negative Kontaktierungselektrode
an zumindest einer Außenseite des Aktorkörpers
frei und ist zur elektrischen Kontaktierung zugänglich.
Zur Herstellung des piezoelektrischen Multilayeraktuators wird eine
Vielzahl von Piezokeramikschichten aufeinander gestapelt, die alternierend durch
jeweils eine positive oder negative Innenelektrode voneinander getrennt
sind, um einen quaderförmigen Aktorkörper zu bilden,
der auch als Multilayerstack bezeichnet werden kann. Der quader förmige Aktorkörper
wird anschließend im wesentlichen senkrecht zur Erstreckungsebene
der Piezokeramikschichten in eine Vielzahl plattenförmiger
piezokeramischen Flächenaktuatoren zersägt. Nach
dem Sägeprozess sind die eingebrachten Kontaktierungselektroden
vorzugsweise von den Hauptflächen der Flächenaktuatoren
für eine elektrische Kontaktierung zugänglich.
Die elektrische Kontaktierung der Kontaktierungselektroden erfolgt
bevorzugt über Kontaktierungssammelelektroden, die zusätzlich
auf die Außenseiten des Aktorkörpers aufgebracht
werden, die zwischen den mit Sammelelektroden versehenen Außenseiten
des Aktorkörpers liegen.
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Es
kann hilfreich sein, wenn die positive und/oder die negative Kontaktierungselektrode
eine Innenseite der zugeordneten positiven oder negativen Sammelelektrode
unmittelbar kontaktiert. Dadurch kann eine optimale leitende Verbindung
zwischen den positiven und negativen Kontaktierungselektroden und
den zugeordneten positiven oder negativen Sammelelektroden sichergestellt
werden.
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Es
kann sich als praktisch erweisen, wenn die Sammelelektroden auf
zwei sich gegenüberliegenden Außenseiten des Aktorkörpers
angeordnet sind. Dadurch kann die Herstellung von piezokeramischen
Flächenaktuatoren erheblich vereinfacht werden. Die Sammelelektroden
werden auf zwei sich gegenüberliegenden Außenseiten
eines Multilayerstacks aufgebracht, der anschließend zersägt
wird, so dass die Sammelelektroden nach dem Sageprozess leitend
mit den zugeordneten positiven oder negativen Kontaktierungselektroden
sowie mit den zugeordneten positiven oder negativen Innenelektroden
verbunden bleiben.
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Es
kann von Vorteil sein, wenn der Aktorkörper des piezokeramischen
Mehrschichtaktuators quaderförmig oder plattenfömig
ausgebildet ist. Derartige Geometrien eignen sich für die
meisten gängigen Anwendungen, insbesondere als Flächenaktuator.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Aktorkörper
zumindest einen passiven Bereich auf, der außerhalb der äußersten
beiden Innenelektroden liegt, wobei die positive und/oder die negative
Kontaktierungselektrode innerhalb des passiven Bereichs angeordnet
ist. Der aktive Bereich des Aktorkörpers umfasst die Vielzahl
von Piezokeramikschichten, die alternierend durch jeweils eine positive oder
negative Innenelektrode voneinander getrennt sind, und ist durch
die äußersten beiden Innenelektroden begrenzt.
Der passive Bereich liegt außerhalb der äußersten
beiden Innenelektroden, wobei dieser Bereich nicht vorrangig der
Erzeugung eines (inversen) piezokeramischen Effekts dient bzw. die
darin befindlichen Schichten nicht oder nicht vorrangig aktuatorisch
genutzt wer den. Vorzugsweise wird der Aktorkörper bereits
im grünen Zustand mit passiven Endschichten versehen und
in die passiven Endschichten werden die Kontaktierungselektroden
eingebracht, die an den eigentlichen Kontaktflächen des Aktuators
bis an die Oberfläche reichen und die in der Mitte des
Aktuators elektrisch gegeneinander isoliert sind.
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Es
kann nützlich sein, wenn der passive Bereich zumindest
eine Piezokeramikschicht aufweist. Wenn in den aktiven und passiven
Bereichen identische Materialien mit identischen Werkstoffeigenschaften
eingesetzt werden, lassen sich Schäden aufgrund unverträglicher
Materialpaarungen, die bspw. durch Dehnungsspannungen hervorgerufen werden,
weitgehend vermeiden.
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Es
kann sich als hilfreich erweisen, wenn der Aktorkörper
mehrere passive Bereiche aufweist, in welchen mindestens eine positive
und/oder mindestens eine negative Kontaktierungselektrode angeordnet
ist. Dadurch können größere Kontaktflächen
zur Kontaktierung des piezokeramischen Mehrschichtaktuators bereitgestellt
werden. Vorzugsweise befinden sich zwei passive Bereiche in einer
Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Piezokeramikschichten
an entgegen gesetzten Enden des Aktorkörpers.
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Es
kann von Vorteil sein, wenn die geometrischen Abmessungen der passiven
Bereiche unterschiedlich sind. Diese Ausführung gestattet
gewisse Freiräume bei der Gestaltung des Mehrschichtaktuators.
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die
Kontaktierungselektroden in Bereichen des Aktorkörpers
angeordnet, die mit einer Grundmetallisierung versehen sind. Mehrere
positive und mehrere negative Kontaktierungselektroden sind vorzugsweise
jeweils in bestimmten zusammenhängenden Bereichen des Aktorkörpers angeordnet,
die elektrisch voneinander isoliert sind. Dies sind vorzugsweise
die passiven Bereiche des Aktorkörpers, in welchen kein
(inverser) piezokeramischer Effekt hervorgerufen wird. Ein mit einer
Grundmetallisierung versehener Bereich ist vorzugsweise ein Teilbereich
eines passiven Bereichs des Aktorkörpers. Die mit einer
Grundmetallisierung versehenen Bereiche mit unterschiedlicher elektrischer
Polarität sind elektrisch voneinander isoliert. Bevorzugt sind
in den mit einer Grundmetallisierung versehenen Bereichen die elektrodierten
Oberflächen und/oder die Schmalseiten der passiven Schichten mit
einer zusammenhängenden Grundmetallisierung versehen, so
dass die elektrische Leitfähigkeit dort erheblich verbessert
ist. Vereinfacht wird von Bereichen des Aktorkörpers mit
einer Grundmetalli sierung gesprochen. Durch Kontaktierungssammelelektroden
kann eine Kontaktfläche noch weiter vergrößert werden.
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Es
kann praktisch sein, wenn die Grundmetallisierung durch Sputtern,
Bedampfen, Dickschichttechnik, Leitklebstoffe aufgebracht ist. Derartige
Metallisierungsverfahren können mit verhältnismäßig geringem
Kostenaufwand bewerkstelligt werden.
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Es
kann sich als nützlich erweisen, wenn die mit einer Grundmetallisierung
versehenen Bereiche des Aktorkörpers durch Abstände
voneinander getrennt sind, die nicht kleiner als die Dicke der Piezokeramikschichten
im aktiven Bereich des Mehrschichtaktuators sind. Dadurch kann im
gesamten Mehrschichtaktuator eine gleichmäßige
Spannungsfestigkeit gewährleistet werden.
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Zur
Vermeidung von hohen inneren mechanischen Spannungen sind die Abstände
der mit einer Grundmetallisierung versehenen Bereiche des Aktorkörpers
vorzugsweise so gewählt, dass die elektrischen Feldstärken
zwischen einer positiven und einer negativen Kontaktierungselektrode
das 0,5 Fache der Koerzitivfeldstärke des verwendeten piezokeramischen
Werkstoffes nicht übersteigen.
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Es
kann von Vorteil sein, wenn der Mehrschichtaktuator als Flächenaktuator
ausgebildet und in Kunststoff eingebettet ist. Ein derartiges Piezokomposit
ist robust und einfach zu handhaben und kann in verschiedensten
Anwendungen zum Einsatz kommen.
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Bevorzugte
Weiterbildungen ergeben sich durch Kombinationen der Unteransprüche
und/oder einzelner Merkmale davon.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines herkömmlichen Aktuators
nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt
den Aktuator gemäß 1 im Querschnitt.
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3 zeigt
einen Querschnitt eines weiteren Aktuators nach dem Stand der Technik.
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4 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen
Aktuator nach dem ersten Ausführungsbeispiel.
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5 zeigt
einen Querschnitt eines Aktuators gemäß 4.
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6 zeigt
einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Aktuators
nach dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die Kontaktierungselektroden
in einer passiven Endschicht des Aktorkörpers in mit Grundmetallisierungen
versehenen Bereichen angeordnet sind.
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7 zeigt
einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Aktuators
nach dem dritten Ausführungsbeispiel, wobei die Kontaktierungselektroden
in verschiedenen passiven Endschichten des Aktorkörpers
in mit Grundmetallisierungen versehenen Bereichen angeordnet sind.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Der
erfindungsgemäße piezokeramische Mehrschichtaktuator 1 umfasst
einen Aktorkörper mit einer Vielzahl von Piezokeramikschichten 4,
die alternierend durch jeweils eine positive oder negative Innenelektrode 2, 3 voneinander
getrennt sind, sowie positive und negative Sammelelektroden 9, 10,
die auf zwei Außenseiten des Aktorkörpers angeordnet und
mit den zugeordneten positiven oder negativen Innenelektroden 2, 3 leitend
verbunden sind. Der Aktorkörper des Mehrschichtaktuators 1 weist
zumindest je eine positive und eine negative Kontaktierungselektrode 7, 8 auf, über
welche der Mehrschichtaktuator 1 elektrisch kontaktiert
wird und welche mit der zugeordneten positiven oder negativen Sammelelektrode 9, 10 leitend
verbunden ist.
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Vorzugsweise
wird der Aktorkörper bereits im grünen Zustand
mit passiven Endschichten versehen und in diese passiven Bereiche 5, 6 werden
Kontaktierungselektroden 7, 8 eingebracht, die
an den eigentlichen Kontaktflächen des Aktuators 1 bis
an die Oberfläche reichen und die in der Mitte des Aktuators 1 elektrisch
gegeneinander isoliert sind. Nach dem Sägeprozess sind
die so eingebrachten Kontaktierungselektroden 7, 8 von
den Hauptflächen der Aktuatorplatte für eine elektrische
Kontaktierung zugänglich, wobei dies über zusätzlich
aufgebrachte strukturierte Sammelelektroden erfolgen kann.
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines herkömmlichen Aktuators 1 mit
Innenelektroden 2 und 3, den zwischen den Innenelektroden 2 und 3 liegenden
aktiven Piezokeramikschichten 4 und den passiven Bereichen 5 und 6 mit
passiven Keramikschichten.
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2 zeigt
einen Aktuator 1 gemäß 1 im
Querschnitt. Zusätzlich dargestellt sind hier die auf den
Kontaktflächen des Aktuators 1 aufgebrachten Sammelelektroden 9 und 10 und
den darauf applizierten Kontaktflächen 11, die
sich auch über die gesamte Länge des Aktuators 1 erstrecken
können.
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3 zeigt
einen Querschnitt eines Aktuators
1 gemäß den
Lehren der Druckschrift
DE
11 2005 001 022 .
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4 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen
Aktuator 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit Innenelektroden 2 und 3, den
aktiven Piezokeramikschichten 4 im aktiven Bereich des
Aktuators 1 und den passiven Piezokeramikschichten in den
passiven Bereichen 5 und 6 mit den erfindungsgemäß eingebrachten
Kontaktierungselektroden 7 und 8. Die Kontaktierungselektroden 7 und 8 können
sowohl in einer als auch in beiden passiven Bereichen 5 und 6 eingebracht
werden. Es ist auch möglich, dass die geometrischen Abmessungen
der passiven Keramikschichten in den passiven Bereichen 5 und 6 deutlich
unterschiedlich ausgebildet sind. Vorzugsweise umfasst jeder der passiven
Bereiche 5 und 6 Piezokeramikschichten, wie sie
auch im aktiven Bereich des Aktorkörpers eingesetzt werden.
Im Unterschied zum aktiven Bereich werden die Keramikschichten der
passiven Bereiche 5 und 6 nicht alternierend von
einer positiven oder negativen Innenelektrode 2 und 3 getrennt,
sondern von sowohl einer positiven als auch einer negativen Kontaktierungselektrode 7 und 8,
die von den mit Sammelelektroden 9 und 10 versehenen
Außenseiten jeweils über ca. 20 bis 40%, vorzugsweise
25 bis 35%, bevorzugt 30% des Abstands der Sammelelektroden 9 und 10 in
den Aktorkörper hineinragen und in der Mitte elektrisch
voneinander isoliert sind.
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5 zeigt
einen Querschnitt eines Aktuators 1 gemäß 4 mit
erfindungsgemäß eingebrachten Kontaktierungselektroden 7, 8 in
den passiven Bereichen 5, 6. Dabei werden die
Kontaktierungselektroden 7 im passiven Bereich 5 über
die Sammelelektrode 9 mit den Innenelektroden 3 des aktiven
Bereichs leitend verbunden und die Kontaktierungselektroden 8 des
passiven Bereichs 5 über die Sammelelektrode 10 mit
den Innenelektroden 2 des aktiven Bereichs leitend verbunden.
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6 und 7 zeigen
Querschnitte der Aktuatoren nach dem zweiten bzw. dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit erfindungsgemäßen Kontaktierungselektroden
in den passiven Bereichen wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Zur besseren äußeren Kontaktierung des Aktuators
sind die Bereiche der Kontaktierungselektroden mit weiteren Grundme tallisierungen 12, 13, 16, 17 versehen,
die untereinander durch die Abstände 14 und 18 und
zu den Innenelektroden durch die Abstände 15 und 19 beabstandet
sind. Die Grundmetallisierungen können unter Berücksichtung
weiterer Aufbaukriterien durch alle bekannten Metallisierungsverfahren
wie bspw. Sputtern, Bedampfen, Dickschichttechnik, Leitklebstoffe
usw. aufgebracht werden. Um eine gleichmäßige
Spannungsfestigkeit im gesamten Aktuator zu gewährleisten,
sollten die Abstände 14, 15, 18 und 19 nicht
kleiner als die Dicke der aktiven keramischen Schichten gewählt
werden. In vorteilhafter Weise werden sie zur Vermeidung von hohen
inneren mechanischen Spannungen so gewählt, dass die elektrischen
Feldstärken zwischen Elektroden mit unterschiedlichem elektrischen
Potenzial das 0,5 Fache der Koerzitivfeldstärke des verwendeten
piezokeramischen Werkstoffes nicht übersteigt.
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Bei
den erfindungsgemäßen Aktuatoren kann es sich
als günstig erweisen, die Bereiche mit den Kontaktaktierungselektroden
in der Mitte anstatt an den Enden des Aktuators anzuordnen. Auch
ist der Lösungsansatz nicht auf quaderförmige
Mehrschichtaktuatoren beschränk, vielmehr kann er in allen
gebräuchlichen Bauformen realisiert werden. Grundsätzlich
ist es auch möglich, die aktiven Bereiche mit den Innenelektroden
und die passiven Bereiche mit den Kontaktierungselektroden getrennt
herzustellen und im gesinterten Zustand durch übliche Aufbau-
und Verbindungsverfahren wie zum Beispiel Kleben miteinander zu
verbinden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist eine sichere Kontaktierung von piezokeramischen
Mehrschichtaktuatoren, insbesondere von dünnen Multilayerplatten
in Flächenaktuatoren, gegeben. Neben der Kontaktierung
von Multilayeraktoren für Flächenwandler kann
diese Art der Kontaktierung für alle herkömmlichen
Multilayeraktoren eingesetzt werden. Insbesondere der Einbau von
Aktuatoren in komplexe mechanische Systeme kann dadurch erleichtert werden,
da die äußere Kontaktierung der Aktuatoren auf
einer Außenfläche erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006040316
A1 [0002]
- - DE 112005001022 [0030]