WO2000079610A1 - Piezoelement mit einem mittels faltung hergestellten mehrschichtaufbau - Google Patents

Piezoelement mit einem mittels faltung hergestellten mehrschichtaufbau Download PDF

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    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the invention relates to a piezo element with a multilayer structure of piezo layers and a method for its production, for example for a piezo actuator for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.
  • a piezo element can be constructed from a material with a suitable crystal structure using the so-called piezo effect.
  • the piezoelectric element reacts mechanically, depending on the crystal structure and the system range of the electrical voltage represents a push or pull in a predeterminable direction.
  • This piezo actuator can be constructed in several layers (multilayer actuators), the electrodes via which the electrical voltage is applied being arranged between the layers. The respective inner electrodes are offset from the outer electrodes by an area so that there is no short circuit here. The effort involved in stacking the individual piezo layers is very high, since up to several hundred individual film layers have to be processed separately.
  • the piezo element described at the outset with a multilayer structure of piezo layers, with electrodes arranged in between and a mutual lateral contacting of the electrodes can advantageously be part of a piezo actuator that can be used to actuate a mechanical component such as a valve or the like.
  • the individual piezo layers consist of a continuous piezoceramic film which can be folded during manufacture and which is provided with electrically or completely conductive electrodes on its surface.
  • the film for producing the electrodes is completely or partially metallized and the piezo layers are formed by folding on notches made at predetermined intervals transversely to the folding direction, the internal electrodes being formed by the metallized layers lying on the inside of the notches after the folding are formed between the piezo layers and on the outside of the notches the metallized layers are interrupted by the notches.
  • the metallized layers can be applied, for example, by printing or sputtering.
  • the inner electrodes are in contact with the outer electrodes on the inner sides of the notches that protrude outward after the folding.
  • the notch angle ⁇ can be individually adapted to the thickness of the film or other conditions.
  • only every second surface between the notches can be metallized on at least one side of the film without impairing the formation of the internal electrodes.
  • outside electrodes in the notch area of the folded film can easily be attached to form the mutual contact to the metallized layer or the inner electrode, whereby the outer electrodes can consist of an electrically conductive screen or mesh or also of a corrugated electrodes.
  • the multilayer structure of the piezo layers is provided with an electrically insulating ceramic plate at the end of the folded layers.
  • the piezo film is cut in the width of the piezo element and alternately provided with notches at predetermined intervals.
  • the piezo film is now completely or partially metallized on both sides.
  • the piezo film is then folded on the notches, each around the inside of the notch.
  • the outer electrodes are attached to the inner electrodes, in the bending area in the inner side of the notch which projects outwards after the folding, for. B. soldered.
  • An electrically insulating head and foot plate are applied to the outer piezo layers.
  • Figure 1 shows a section through a multilayer structure of the piezo element from a piezo film, which is produced by folding on notches;
  • Figure 2 is a detailed view of a notched film with continuous metallization
  • Figure 3 is a detailed view of a notched film with partial metallization. Description of the embodiment
  • FIG. 1 shows a piezo element 1 for forming a piezo actuator, which is constructed from a piezo film 2 of a ceramic material with a suitable crystal structure, so that, using the so-called piezo effect when an external electrical voltage is applied, a mechanical reaction of the piezo actuator in the direction of the Arrow 3 takes place.
  • piezo layers 4 are formed by folding the piezo film 2, which is shown in the state before it was folded in FIG. 2.
  • the piezofilm 2 was cut before the folding in the width of the piezo element 1 and metallized on both sides, so that electrodes are formed which, after the folding, act mutually as internal electrodes 6 and 7.
  • the piezo film 2 has been provided with notches 5 (i.e. in the section 5.1, 5.2 shown) before folding, which are alternately introduced into the film 2 and comprise approximately an angle ⁇ . Folding takes place here e.g. 5.1 in the notch around the arrow 8, so that here one of the inner electrodes (e.g. the inner electrode 6) is formed on the left-hand side after being folded open. On the right side, the other inner electrodes (here one of the inner electrodes 7) are also formed on both sides of the open side of the notch 5.1.
  • the package of the piezo layers 4 folded in this way is provided with external electrodes 9 and 10, which in the exemplary embodiment shown each consist of a metallic corrugated electrode.
  • the outer electrodes 9 and 10 are metallized Layer on the piezo layers 4 electrically connected, so that an electrical voltage can be applied to the inner electrodes 6 and 7 to produce the piezo effect.
  • An electrically insulating head plate 11 and a foot plate 12 are also applied to the outer piezo layers 4, through which the entire piezo element 1 can be stripped to the outside.
  • FIG. 3 which shows a piezo film 20 in the state before it was folded
  • a modification of the piezo film 2 according to FIG. 2 only partial areas of the piezo film 20 are provided with electrodes 21 and 22.
  • These electrodes 21 and 22 are alternately applied to one of the opposite sides of the piezo film 20, so that piezo layers 4 are also formed as described with reference to FIG. 1, but the resulting internal electrodes 21 and 22 have a smaller thickness here because they are only are formed by a one-sided coating.

Abstract

Es wird ein Piezoelement mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2; 20) mit dazwischen angeordneten Elektroden (6, 7; 21, 22) vorgeschlagen, das mit einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Elektroden (6, 7; 21, 22) über Aussenelektroden (9, 10) versehen ist. Die einzelnen Piezolagen (4) bestehen aus einer während der Herstellung faltbaren durchgängigen Folie (2; 20), die ganz oder teilweise mit den elektrisch leitenden Elektroden (6, 7; 21, 22) versehen sind. Die Piezolagen (2; 20) sind durch Faltung an in vorgegebenen Abständen quer zur Faltrichtung angebrachten Kerben (5, 5.1, 5.2) gebildet, wobei die Innenelektroden (6, 7; 21, 22) durch die nach der Faltung an der Innenseite der Kerben (5, 5.1, 5.2) liegenden metallisierten Schichten gebildet werden.

Description

PIEZOELEMENT MIT EINEM MITTELS FALTUNG HERGESTELLTEN MEHRSCHICHTAUFBAU
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Piezoelement mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und ein Verfahren zu dessen Herstellung, beispielsweise für einen Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs .
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt 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. Der Aufbau dieses Piezoaktors kann hier in mehreren Schichten erfolgen (Multilayer-Aktoren) , wobei die Elektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden. Die jeweiligen Innenelektroden sind hierbei jeweils gegenüber den Außenelektroden um einen Bereich versetzt, damit hier kein Kurzschluß erfolgt. Der Aufwand beim Stapeln der einzelnen Piezolagen ist dabei sehr hoch, da bis zu mehreren Hundert einzelne Folienschichten separat verarbeitet werden müssen.
Vorteile der Erfindung
Das eingangs beschriebene Piezoelement mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen, mit dazwischen angeordneten Elektroden und einer wechselseitigen seitlichen Kontak- tierung der Elektroden, kann in vorteilhafter Weise Bestandteil eines Piezoaktors sein, der zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen benutzt werden kann. Erfindungsgemäß bestehen die einzelnen Piezolagen aus einer während der Herstellung faltbaren durchgängigen Folie aus Piezokeramik, die ganz oder teilweise auf ihre Oberfläche mit elektrisch leitenden Elektroden versehen sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Folie zur Herstellung der Elektroden ganz oder teilweise metallisiert und die Piezolagen sind durch Faltung an, in vorgegebenen Abständen quer zur Faltrichtung angebrachten, Kerben gebildet, wobei die Innenelektroden durch die nach der Faltung an der Innenseite der Kerben liegenden metallisierten Schichten zwischen den Piezolagen gebildet sind und an der Außenseite der Kerben die metallisierten Schichten durch die Kerben unterbrochen sind.
Die metallisierten Schichten können beispielsweise durch Bedrucken oder Sputtern aufgebracht werden. Die Innenelektroden sind dabei an den nach der Faltung nach außen ragenden Innenseiten der Kerben mit den Außenelektroden kontaktiert. Der Kerbwinkel α ist dabei individuell an die Dicke der Folie oder sonstige Gegebenheiten anpassbar.
In vorteilhafter Weise können an mindestens an einer Seite der Folie jeweils nur jede zweite Fläche zwischen den Kerben metallisiert werden, ohne die Bildung der Innenelektroden zu beeinträchtigen.
Jeweils außen im Kerbbereich der gefalteten Folie können auf einfache Weise Außenelektroden zur Bildung der wechselseitigen Kontaktierung an die metallisierte Schicht, bzw. die Innenelektrode, angebracht werden, wobei die Außenelektroden aus einem elektrisch leitenden Sieb oder Netz bzw. auch aus einer Wellelektroden bestehen können.
Um das gesamte Piezoelement nach außen zu isolieren, ist der Mehrschichtaufbau der Piezolagen jeweils am Ende der gefalteten Lagen mit einer elektrisch isolierenden Keramikplatte versehen.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung eines Piezoelements der zuvor beschriebenen Art werden folgende Herstellungsschritte durchgeführt :
Die Piezofolie wird in der Breite des Piezoelements geschnitten und in vorgegebenen Abständen jeweils wechselseitig mit Kerben versehen.
- Auf beiden Seiten wird nunmehr die Piezofolie ganz oder teilweise metallisiert.
- Die Piezofolie wird dann an den Kerben, jeweils um die Innenseite der Kerbe gefaltet . Die Außenelektroden werden an die Innenelektroden, im Biegebereich in der nach der Faltung nach außen ragenden Innenseite der Kerbe, z. B. angelötet.
Auf die äußeren Piezolagen wird jeweils eine elektrisch isolierende Kopf- und Fussplatte aufgebracht.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen 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 mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoelements zur Bildung eines Piezoaktors wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch einen Mehrschichtaufbau des Piezoelements aus einer Piezofolie, der durch Faltung an Kerben hergestellt ist;
Figur 2 eine Detailansicht einer gekerbten Folie mit durchgehender Metallisierung und
Figur 3 eine Detailansicht einer gekerbten Folie mit teilweiser Metallisierung. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein Piezoelement 1 zur Bildung eines Piezoaktors gezeigt, der aus einer Piezofolie 2 eines Keramikmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Pie- zoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoaktors in Richtung des Pfeiles 3 erfolgt.
Aus der Figur 1 ist erkennbar, dass Piezolagen 4 durch eine Faltung der Piezofolie 2 gebildet sind, die im Zustand vor ihrer Faltung in Figur 2 gezeigt ist. Die Piezofolie 2 ist vor der Faltung in der Breite des Piezoelements 1 geschnitten worden und auf beiden Seiten metallisiert, damit sich Elektroden herausbilden, die nach der Faltung jeweils wechselseitig als Innenelektroden 6 und 7 wirken.
In der Figur 2 ist gezeigt, dass die Piezofolie 2 vor der Faltung mit Kerben 5 (d.h. im dargestellten Ausschnitt 5.1, 5.2) versehen worden ist, die dabei wechselseitig in die Folie 2 eingebracht sind und in etwa einen Winkel α umfassen. Die Faltung erfolgt hier z.B. in der Kerbe 5.1 um den Pfeil 8, so dass sich hier auf der linken Seite eine der Innenelektroden (z.B. die Innenelektrode 6) nach dem Aufeinanderklappen herausbildet. Auf der rechten Seite entstehen jeweils auch beiderseits der offenen Seite der Kerbe 5.1 die anderen Innenelektroden (hier eine der Innenelektroden 7) .
Das so gefaltete Paket der Piezolagen 4 wird nach dem la- minieren und sintern mit Außenelektroden 9 und 10 versehen, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils aus einer metallischen Wellelektrode bestehen. Im jeweiligen hervorstehenden Faltbereich der vorherigen Kerben 5 werden die Außenelektroden 9 und 10 mit der metallisierten Schicht auf den Piezolagen 4 elektrisch leitend verbunden, so dass eine elektrische Spannung auf die Innenelektroden 6 und 7 zur Erzeugung des Piezoeffekts aufbringbar ist .
Auf die äußeren Piezolagen 4 ist noch jeweils eine elektrisch isolierende Kopfplatte 11 und eine Fussplatte 12 aufgebracht, durch die das gesamte Piezoelement 1 nach außen hin abisoliert werden kann.
Nach Figur 3, die eine Piezofolie 20 im Zustand vor ihrer Faltung zeigt, werden in Abwandlung zur Piezofolie 2 nach der Figur 2 nur Teilbereiche der Piezofolie 20 mit Elektroden 21 und 22 versehen. Diese Elektroden 21 und 22 sind jeweils wechselseitig auf eine der gegenüberliegenden Seiten der Piezofolie 20 aufgebracht, so dass sich ebenfalls Piezolagen 4 wie anhand der Figur 1 beschrieben, ausbilden, jedoch weisen die resultierenden Innenelektroden 21 und 22 hier eine geringere Dicke auf, da sie nur durch eine einseitige Beschichtung gebildet sind.

Claims

Patentansprüche
1) Piezoelement mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (4) mit dazwischen angeordneten Elektroden (6 , 7 ; 21, 22) und mit einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Elektroden (6,7;21,22) über Außenelektroden (9,10), wobei die einzelnen Piezolagen (4) aus einer während der Herstellung faltbaren durchgängigen Folie (2; 20) bestehen, die ganz oder teilweise mit den elektrisch leitenden Elektroden (6,7;21,22) versehen sind.
2) Piezoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (2; 20) zur Herstellung der Elektroden (6, 7; 21, 22) ganz oder teilweise metallisiert ist, dass die Piezolagen (2; 20) durch Faltung an in vorgegebenen Abständen quer zur Faltrichtung angebrachten Kerben (5 , 5.1, 5.2) gebildet sind, wobei die Innenelektroden (6, 7,-21, 22) durch die nach der Faltung an der Innenseite der Kerben (5,5.1,5.2) liegenden metallisierten Schichten gebildet sind und an der Außenseite der Kerben (5,5.1,5.2) die metallisierten Schichten unterbrochen sind und dass die Innenelektroden (6,7;21,22) an den nach der Faltung nach außen ragenden Innenseiten der Kerben (5,5.1,5.2) mit den Außenelektroden (9.10) kontaktiert sind.
3) Piezoelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens an einer Seite der Folie (20) jeweils nur jede zweite Fläche zwischen den Kerben (5,5.1,5.2) metallisiert ist.
4) Piezoelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden (9,10) aus einem elektrisch leitenden Sieb oder Netz bestehen.
5) Piezoelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden aus Wellelektroden (9, 10) bestehen.
6) Piezoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrschichtaufbau der Piezolagen (4) jeweils am Ende der gefalteten Lagen mit einer elektrisch isolierenden Keramikplatte (11,12) versehen ist.
7) Piezoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (1) Bestandteil eines Piezoaktor ist, der zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen heranziehbar ist.
8) Verfahren zur Herstellung eines Piezoelements (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezofolie (2; 20) in der Breite des Piezoelements (1) geschnitten und in vorgegebenen Abständen jeweils wechselseitig mit Kerben (5,5.1,5.2) versehen wird, dass die Piezofolie (2;20) auf beiden Seiten ganz oder teilweise metallisiert wird, dass
- die Piezofolie (2;20) an den Kerben (5,5.1,5.2), jeweils um die Innenseite der Kerbe (5,5.1,5.2) gefaltet wird und dass
- die Außenelektroden (9,10) durch löten an die Innenelektrode (6,7;21,22) im Biegebereich, in der nach der Faltung nach außen ragenden Innenseite der Kerbe (5) , aufgebracht wird.
9) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf die äußeren Piezolagen (4) vor dem sintern eine elektrisch isolierende Kopf- und Fussplatte (11,12) aus Piezokera ik aufgebracht wird.
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