WO2000079612A1 - Piezoelement mit einem mittels faltung hergesttellten mehrschichtbau - Google Patents

Piezoelement mit einem mittels faltung hergesttellten mehrschichtbau Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric element with "a multi-layer structure of piezoelectric layers and a method for its preparation, for example, for a piezoelectric actuator for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the aforementioned 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 between them and 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 wholly or partly provided with electrically conductive electrodes.
  • the film has been made flexible by application of solvents, in an advantageous "manner and on both sides up to a predetermined range metallized at the ends in the longitudinal direction to prepare the electrode, for example, by printing or sputtering.
  • the predetermined regions without electrode material provided at the end of the folded layers in order not to short circuit in the To cause piezo element after attaching external electrodes.
  • the outer electrodes can be attached in a simple manner to form the mutual contact to the metallized layer, wherein the outer electrodes can consist of an electrically conductive screen or mesh or also of a corrugated electrode.
  • the piezo film can be bent by the solvent and is cut in the width of the piezo element.
  • the piezo film is metallized on both sides down to the specified end areas.
  • the piezo film is folded by bending at predetermined intervals.
  • the folded package is laminated.
  • the folded package is sintered.
  • the outer electrodes are applied to the metallized layer in the bending area by means of soldering.
  • a piezo element 1 for forming a piezo actuator is shown, 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 is done.
  • piezo layers 4 are formed by bending the piezo film 2, the ceramic layer having previously been cut to the width of the piezo element 1 and being made bendable with a solvent.
  • the piezo film 2 was metallized on both sides up to the predetermined end regions 5 on both sides, so that electrodes 6 and 7 are formed, which after folding are mutually alternate as inner electrodes. treads 6 and 7 work.
  • the distance between the electrodes 6 and 7 here has the amount s, corresponding to the thickness of the piezo layers 4 and corresponds to the radial distance of the inner electrodes 6, 7 in the bending area.
  • the folded package of the piezo layers 4 is provided with external electrodes 8 and 9, which in the exemplary embodiment shown each consist of a metallic corrugated electrode.
  • the outer electrodes 8 and 9 are electrically conductively connected to the metallized layer on the piezo layers 4--, 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 10 and a foot plate 11 are also applied to the outer piezo layers 4, through which the entire piezo element 1 can be stripped to the outside.

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Abstract

Es wird ein Piezoelement mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) mit dazwischen angeordneten Elektroden (6, 7) vorgeschlagen, das mit einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Elektroden (6, 7) über Außenelektroden (8, 9) versehen ist. Die einzelnen Piezolagen (2) bestehen aus einer während der Herstellung faltbaren durchgängigen Folie aus Keramik, die ganz oder teilweise mit den elektrisch leitenden Elektroden (6, 7) versehen sind, wobei jeweils außen im Biegebereich der gefalteten Folie die Außenelektroden (8, 9) zur Bildung der wechselseitigen Kontaktierung an die metallisierte Schicht angebracht sind.

Description

PIEZOELEMENT MIT EINEM MITTELS FALTUNG HERGESTELLTEN MEHRSCHICHTBAU
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Piezoelement mit" einem Mehr- schichtaufbau 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 Piezoaktor 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 mit elektrisch leitenden Elektroden versehen sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Folie durch Aufbringen von Lösungsmitteln in vorteilhafter "Weise biegbar gemacht worden und beidseitig bis auf einen vorgegebenen Bereich an den Enden in Längsrichtung zur Herstellung der Elektroden metallisiert, beispielsweise auch durch Bedrucken oder Sputtern. Hierbei sind die vorgegebenen Bereiche ohne Elektrodenmaterial am Ende der gefalteten Schichten vorgesehen um keinen Kurzschluss im Piezoelement nach dem Anbringen von Außenelektroden hervorzurufen.
Jeweils außen im Biegebereich der gefalteten Keramikschicht können auf einfache Weise die Außenelektroden zur Bildung der wechselseitigen Kontaktierung an die metallisierte Schicht angebracht werden, wobei die Außenele troden 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 Endender 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 ist durch das Lösungsmittel biegbar und wird in der Breite des Piezoelements geschnitten.
Die Piezofolie wird auf beiden Seiten bis auf die vorgegebenen Endbereiche metallisiert.
In vorgegebenen Abständen wird die Piezofolie durch Biegung gefaltet.
Das gefaltete Paket wird laminiert.
Das gefaltete Paket wird gesintert.
Die Außenelektroden werden mittels löten auf die metallisierte Schicht im Biegebereich aufgebracht.
Alternativ vor dem sintern: Auf die äußeren Piezolagen wird jeweils eine elektrisch isolierende Kopf- und Fussplatte aus Piezokeramik 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 mehre- ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs- form 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 Figur der Zeichnung erläutert, die einen Schnitt durch einen Mehrschichtaufbau des Piezoelements zeigt, der durch Faltung hergestellt ist.
Beschreibung des Ausführunqsbeispiels
In der einzigen Figur 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 Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoaktors in Richtung des Pfeiles 3 erfolgt.
Aus der Figur ist erkennbar, dass Piezolagen 4 durch eine Biegung der Piezofolie 2 gebildet sind, wobei die Kera- mikschicht zuvor in der Breite des Piezoelements 1 geschnitten worden ist und mit einem Lösungsmittel biegbar gemacht wurde. Die Piezofolie 2 wurde vor der Biegung auf beiden Seiten bis auf die vorgegebenen Endbereiche 5 metallisiert, damit sich Elektroden 6 und 7 herausbilden, die nach der Faltung jeweils wechselseitig als Innenelek- troden 6 und 7 wirken. Der Abstand der Elektroden 6 und 7 zueinander weist hier den Betrag s auf, entsprechend der Dicke der Piezolagen 4 und entsprechen dem radialen Abstand der Innenelektroden 6, 7 im Biegebereich.
Nach einem Sinterprozess wird das gefaltete Paket der Piezolagen 4 mit Außenelektroden 8 und 9 versehen, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils aus einer metallischen Wellelektrode bestehen. Im jeweiligen Biegebereich werden die Außenelektroden 8 und 9 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 10 und eine Fussplatte 11 aufgebracht, durch die das gesamte Piezoelement 1 nach außen hin abisoliert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1) Piezoelement mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (4) mit dazwischen angeordneten Elektroden (6, 7) und mit einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Elektroden (6,7) über Außenelektroden (8,9), wobei die einzelnen Piezolagen (4) aus einer während der Herstellung faltbaren durchgängigen Folie (2) (aus Keramik ?) bestehen, die ganz ode"r teilweise mit den elektrisch leitenden Elektroden (6,7) versehen sind.
2) Piezoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic-hnet, dass die Folie (2) durch Lösungsmittel biegbar ist und beidseitig bis auf einen vorgegebenen Bereich (5) an den Enden in Längsrichtung zur Herstellung der Elektroden (6,7) metallisiert ist und dass jeweils außen im Biegebereich der gefalteten Folie (2) die Außenelektroden (8,9) zur Bildung der wechselseitigen Kontaktierung an die metallisierte Schicht angebracht sind.
3) Piezoelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich.net, dass die Außenelektroden (8,9) aus einem elektrisch leitenden Sieb oder Netz bestehen.
4) Piezoelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden aus Wellelektroden (8 , 9) bestehen .
5) 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 (10,11) versehen ist.
6) 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. 7) Verfahren zur Herstellung eines Piezoelements (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezofolie (2) in der Breite des Piezoelements (1) geschnitten und mit dem Lösungsmittel biegbar gemacht wird, dass die Piezofolie (2) auf beiden Seiten bis auf die vorgegebenen Endbereiche (5) metallisiert wird, dass die Piezofolie (2) in vorgegebenen Abständen durch Biegung gefaltet wird, dass das gefaltete Paket nach dem laminieren gesintert wird und dass die Außenelektroden (8,9) mittels löten auf die metallisierte Schicht im Biegebereich aufgebracht wird.
8) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf die äußeren Piezolagen (4) vor dem sintern eine elektrisch isolierende Kopf- und Fussplatte (10,11) aus Piezokeramik aufgebracht wird.
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