DE2542228B1 - Mehrschichtelement aus piezoelektrischen Keramiklamellen und Verfahren zu seiner Polarisation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrschichtelement aus piezoelektrischer Keramik und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Ein derartiges Mehrschichtelement ist beispielsweise aus der DT-OS 23 29 502 bekannt. Hier dient es zum Antrieb eines Zahnsteinentferners.

In der F i g. 1 ist ein Beispiel für ein derartiges bekanntes Mehrschichtelement dargestellt: Ein derartiges Element besitzt mehrere Lamellen 1 bis 5 aus piezoelektrischer Keramik, diese Lamellen besitzen auf ihrer Ober- und Unterseite Metallisierungen 6 bis 11, die wechselweise über Anschlußkontaktierungen 12,13 mit einer Wechselspannungsquelle verbunden werden können. Die Keramiklamellen sind in Dickenrichtung polarisiert, wobei die Polarisationsrichtungen benachbarter Lamellen antiparallel zueinander sind. Dies ist durch Pfeile symbolisiert. Die Polarisation erfolgt in der Weise, daß nach Herstellung des Mehrschichtelementes an die Metallisierungen eine genügend hohe Gleichspannung angelegt wird. Dabei erfolgt eine Polarisierung jedoch nur in dem Bereich, in dem sich die Metallisierungen überlappen, dieser Überlappungsbereich ist durch die punktierten Linien 20 und 21 eingegrenzt Die Metallisierungen dürfen im allgemeinen nicht die ganze Fläche der Keramiklamellen einnehmen, da dann an den Lamellenrändern beim Betrieb des Elementes keine hinreichende gegenseitige elektrische Isolation der entgegengesetzt gepolten Metallisierungen erreichbar ist, außerdem könnten an den Plattenrändern Durchschläge entstehen.

Bei der Polarisation ändert die Keramik etwas ihre

geometrischen Abmessungen, so daß es im Bereich der punktierten Linien 20 und 21 zu Materialspannungen kommt, die im Langzeit-Schwingbetrieb Brüche verur-Sachen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Bruchsicherheit von derartigen Mehrschichtelementen im Langzeitbetrieb zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Mehrschichtelement der eingangs genannten Art gelöst, welches erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 ausgebildet ist.

Die Erfindung benutzt die Erkenntnis, daß die geometrischen Abmessungen eines Körpers aus piezoelektrischer Keramik unabhängig davon sind, ob die Polarisation in eine Richtung oder in eine genau entgegengesetzte Richtung gerichtet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und dessen Herstellung erläutert:

Zuerst werden zur Herstellung der Keramiklamellen entsprechende Ausgangsstoffe zusammen mit einem Bindemittel vermischt, zu Folien ausgegossen, getrocknet und auf die Größe der gewünschten Lamellen zurechtgeschnitten. Danach werden die Folienstücke gebrannt, damit sind die Keramiklamellen fertiggestellt. Auf die Keramiklamellen werden Metallisierungen aufgebracht, indem Metallpasten mittels Siebdrucktechnik, wie sie aus der Dickschichttechnik bekannt ist, aufgedruckt werden, und zwar in einer Form, wie sie für die jeweilige Anwendung vorgesehen ist. Die beiden Keramiklamellen, die bei dem gewünschten Mehrschichtelement zuoberst bzw. zuunterst liegen, erhalten auf ihrer Ober- bzw. Unterseite eine ganzflächige Metallisierung. Jetzt werden die mit Metallpasten bedruckten Lamellen zu dem gewünschten Mehrschichtelement gestapelt und in einen Ofen gebracht, in dem die Metallpasten eingebrannt werden; das fertige Element hat beispielsweise ein Aussehen wie in F i g. 2 dargestellt.

Die Bezugszeichen der Fig.2 entsprechen den Bezugszeichen der F i g. 1. Der wesentliche Unterschied des Mehrschichtelementes gemäß Fig.2 zu dem Mehrschichtelement der F i g. 1 liegt in den ganzflächigen Metallisierungen 60 und 110 auf der Ober- bzw. Unterseite des Mehrschichtelementes. An die Metallisierungen 60 und 110 wird nun eine derartige Gleichspannung angelegt, daß innerhalb der Keramiklamellen eine für die Polarisation ausreichende elektrische Feldstärke erzeugt wird. Bei der Polarisation kann das Mehrschichtelement in einem ölbad erhitzt werden. Damit weisen nun alle Lamellen auf ihrer gesamten Fläche eine gleichgerichtete Polarisation auf, wie es durch Pfeile dargestellt ist. Nun werden die Metallisierungen, beispielsweise mittels eines leitenden Klebstoffes elektrisch miteinander verbunden, so daß jeweils aufeinanderfolgende Metallisierungen an verschiedene Pole einer Spannungsquelle angeschlossen werden können, d.h. die Metallisierungen werden in gleicher Weise elektrisch zusammengeschaltet, wie es bereits in der F i g. 1 dargestellt wurde. Die ganzflächigen Metallisierungen 110 und 60 werden seitlich etwas abgeätzt, so daß sie die gleiche Form erhalten, wie die Metallisierungen 6 und 11 in der F i g. 1. Jetzt wird an die Metallisierungen wiederum eine Gleichspannung angelegt, welche innerhalb der Lamellen eine zur Polarisation ausreichende Feldstärke erzeugt. Damit wird erreicht, daß in jeder zweiten Lamelle innerhalb des Bereiches, in dem sich die Metallisierungen überlappen,

dieser Bereich ist wiederum durch punktierte Linien 20, 21 gekennzeichnet, die Richtung der bereits bestehenden Polarisierung umgekehrt wird. Man erhält also gemäß Fig.3 ein Mehrschichtelement, bei dem innerhalb des Überlappungsbereiches der Metallisierengen jeweils benachbarte Lamellen eine zueinander antiparallele Polarisation besitzen. Außerhalb des Überlappungsbereiches besitzen alle Lamellen eine Polarisation gleicher Richtung.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß sich an den punktierten Linien 20,21 keine Bruchstellen bilden, obwohl sich in diesem Bereich die Richtung der Polarisation einzelner Lamellen umkehrt.

Bei dem hergestellten Mehrschichtelement besitzen alle Lamellen eine überall konstante Dicke, da jede Lamelle nahezu überall eine gleich starke Polarisation besitzt, die Richtungsumkehr der Polarisation bei einzelnen Lamellen bewirkt keinerlei Dickenänderung. Damit treten keine Materialspannungen auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Mehrschichtelement aus piezoelektrischen Keramiklamellen, die sich teilweise überlappende Metallisierungen besitzen, die elektrisch so miteinander verbunden sind, daß jeweils benachbarte Metallisierungen an verschiedene Pole einer Spannungsquelle anschließbar sind, wobei die Lamellen innerhalb des Überlappungsbereiches der Metallisierungen in Dickenrichtungen so polarisiert sind, daß die Polarisationsrichtungen benachbarter Lamellen jeweils antiparallel zueinander stehen, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lamellen (1,2,3,4,5) des Mehrschichtelementes außerhalb des Überlappungsbereiches der Metallisierungen (Linie 20, Linie 21) eine zueinander gleichgerichtete Polarisierung in Dickenrichtung aufweisen.

2. Verfahren zur Polarisation eines Mehrschichtelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ober- und Unterseite des Mehrschichtelementes ganzflächige Metallisierungen (60, 110) aufgebracht werden, daß an diese Metallisierungen, eine zur Polarisierung des Mehrschichtelementes ausreichende Gleichspannung gelegt wird, daß dann jede Metallisierung mit der jeweils übernächsten Metallisierung elektrisch verbunden wird, daß dann eine Gruppe der Metallisierungen mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle, die andere Gruppe der Metallisierungen mit dem anderen Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden wird, daß an die Metallisierungsgruppen eine zur Polarisation der Lamelle ausreichende Spannung angelegt wird.