Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs .
Es ist beispielsweise aus der DE 199 28 189 AI bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement zur Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen 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 Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.
Der Aufbau eines solchen Piezoaktors erfolgt beim Stand der Technik in mehreren Schichten als sogenannter Multi- layer-Aktor, wobei Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils in Wirkrichtung zwischen den Schichten angeordnet werden und mittels Kontaktflächen, die außen an der Oberfläche liegen, in unterschiedlichen Anordnungen kontaktiert werden. Wegen
möglicher Risse der Piezokeramik im Kontaktierungsbereich werden hier auch überbrückende Leiter eingesetzt, wie zum Beispiel Wellelektroden oder Siebe, Doppelsiebe oder Netze, die gut haften und die Dehnung während des Arbeitshubes des Piezoaktors mitmachen müssen. Beispielhaft ist eine solche Anordnung in der EP 0 844 678 AI beschrieben.
Vorteile der Erfindung
Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, weist einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden auf, die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind. Es ist weiterhin eine aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden nach außen führbar. In vorteilhafter Weise erfolgt erfindungsgemäß die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden mit Kontaktelementen, die jeweils in einer inneren Ausnehmung der Piezolagen liegen und dabei die Piezolagen senkrecht zum Lagenaufbau wechselseitig mit einer positiven und negativen Spannung kontaktieren. Die Kontaktelemente sind dabei aus in die jeweiligen Ausnehmungen jeder Piezolage eingebrachten leitendem Material gebildet, wobei durch die wechselseitige Kontaktierung mit den Innenelektroden jedes Kontaktelement jeweils die übernächste Innenelektrode mit der gleichen Polarität anschließt.
Mit der Erfindung ist es auf einfache Weise gelungen, eine Anordnung zu schaffen, mit der ein elektrischer An- schluss der Innenelektrodenbindung ermöglicht wird, der auf eine außenliegende, elektrisch leitende Elektrode verzichtet. In vorteilhafter Weise werden auch keine in-
nenliegenden, durchgehenden starren Pins in den Piezoaktor eingebracht, denn bei diesen stellt die elektrische Anbindung der Innenelektroden an den Pin ein großes Problem dar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das eingebrachte leitende Material aus dem gleichen Stoff wie das E- lektrodenmaterial für die Innenelektroden gebildet. Hier ist aber auch oder ein anderes elektrisch leitendes und vorzugsweise auch dehnungstolerantes Füllmaterial anwendbar. Beim Prozess des Bedrückens der gestanzten sogenannten Grün- oder Keramikfolien für die Piezolagen wird somit das Innenelektrodenmaterial selbst in die Ausnehmungen bzw. Löchern der Keramikfolie eingefüllt und somit stellt übereinandergestapelt das elektrisch leitendende Innenelektrodenmaterial auch den Strompfad in vertikaler in z-Richtung, das heißt senkrecht zu den Piezolagen, dar.
Bei einer Ausführungsform sind die Ausnehmungen für die Kontaktelemente bei allen Piezolagen an den jeweils gleichen Orten auf der Piezolage angebracht. Bei einer anderen Alternative sind die Ausnehmungen für die Kontaktelemente bei allen Piezolagen derart an verschiedenen Orten auf der Piezolage angebracht, dass jeweils nur ein Teilkontaktelement an die jeweils übernächste Innenelektrode gleicher Polarität geführt ist.
Zusammenfassend ergeben sich Vorteile vor allem durch eine besonders einfache Anbindung der elektrisch leitenden Innenelektrodenschicht über das Innenelektrodenmaterial und es ist ein platzsparender Aufbau möglich, da die Kontaktierung in das Innere des Piezoaktorvolumens gelegt ist. Es erfolgt somit eine maximale Ausnutzung des Piezo- aktorquerschnitts bei einer Optimierung der aktiven Pie- zoaktorfläche und es ist auch eine erhöhte Lebensdauer
durch Reduktion der inneren Spannungen bei einer gleichmäßigen Verteilung der Strompfade möglich.
Mit einem besonders geeigneten Verfahren zur Herstellung eines der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Piezoak- toren werden die einzelnen ausgestanzten Piezolagen vor der Zusammenfügung zu einem Piezoaktor mit dem Innenelektrodenmaterial bedruckt, die Ausnehmungen mit dem Material für die Innenelektroden oder mit anderem leitendem Material gefüllt, die einzelnen Piezolagen mit den Innenelektroden und den Kontaktelementen übereinandergesta- pel-t, laminiert und gesintert und an den herausgeführten Kontaktelementen werden dann Anschlusselemente für die elektrische Spannung angeschlossen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Ansicht eines Piezoaktors mit innenliegenden Kontaktelementen für einen elektrischen Anschluss der Innenelektroden, Figur 2 eine Teilansicht einer Piezolage mit einer aufgedruckten Innenelektrode und mit leitendem Material ausgefüllte Ausnehmungen zur Bildung der Kontaktelemente, Figuren 3 und 4 verschiedene Schnitte durch die Piezolage nach der Figur 2 mit hier einseitiger Kontaktierung der Innenelektroden, Figur 5 eine Abfolge von übereinandergestapelten Piezolagen mit wechselseitiger Kontaktierung der In-
nenelektroden an jeweils gleichen Orten auf den Piezolagen und Figur 6 eine alternative Abfolge von übereinanderge- stapelten Piezolagen mit wechselseitiger Kontaktierung der Innenelektroden an jeweils unterschiedlichen Orten auf den Piezolagen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein als sogenannter Multilayer aufgebauter Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannter Weise aus Piezofolien eines Quarzmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung über Kontaktelemente 2 und 3 an anhand der nachfolgenden Figuren erläuterte Innenelektroden eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Z-Richtung senkrecht zum Lagenaufbau erfolgt .
Aus Figur 2 ist beispielhaft eine Piezolage 4 mit einer Innenelektrode 5 gezeigt, die Ausnehmungen zur Aufnahme der Kontaktelemente 2 und 3 aufweisen. Hergestellt werden die Piezolagen 4 aus Grünfolien, die an bestimmten Stellen Löcher für die Aufnahme der Kontaktelemente 2 und 3 aufweisen, diese können gestanzt, gebohrt oder gelasert werden. Diese Grünfolien können entweder zum Aufbau eines einzelnen Piezoaktors 1 dienen oder auch aus hier nicht dargestellten Karten mit einer Vierzahl von nebeneinanderliegend herausgearbeiteten Piezolagen zur Bildung eines komplexeren Aktorblocks von mehreren nebeneinanderliegenden Piezoaktoren 1 bestehen.
Die wechselseitige Kontaktierungen der Innenelektroden 5 ist aus den Schnitten nach Figur 3 und 4 zu entnehmen. Hier wird nur eine Piezolage 4 als Einzelelement näher beschrieben, welches aber auch, wie zuvor erwähnt, Teil einer Karte sein kann und später zur Bildung des Piezoaktors 1 oder einem Block aus mehreren Piezoaktoren 1 mit den anderen Piezolagen zusammengefügt wird.
Nachdem die Löcher zur Aufnahme der Kontaktelemente 2 und
3 gestanzt worden sind, wird die Grünfolie der Piezolage
4 mit dem Innenelektrodenmaterial zur Bildung der Innenelektrode 5 flächig gedruckt. Dabei kann zum Füllen der Löcher und zur Bildung des Kontaktelementes 2 nach der Figur 3 und zur Bildung des Kontaktelementes 3 nach der Figur 4 dasselbe Innenelektrodenmaterial verwendet werden wie für den flächigen Druck. Dadurch füllen sich die Löcher mit dem elektrisch leitenden Material und stellen den vertikalen Strompfad in z-Richtung, also die Kontaktelemente 2 und 3 dar. Es können aber auch aus Gründen der Anpassungen der elektrischen oder thermischen Leitfähigkeit in einem zweiten Schritt nach dem Siebrucken mit einem Injizieren aus einer Düse nur die Ausnehmungen für die Kontaktelemente 2 und 3 mit einem zweiten elektrischen Material gefüllt werden. Idealerweise handelt es sich auch hier um ein dehnungstolerantes Material, das im gesinterten Zustand die Piezoaktordehnung mitmacht.
Aus Figur 5 ist zu entnehmen, wie die Piezolagen 4 mit der jeweiligen Innenelektrode 5 und Piezolagen 6 mit der wechselseitig anders gepolten Innenelektrode 7 übereinan- dergestapelt werden. Nach jeweils zwei Piezolagen 4 und 6 wiederholt sich die Stapelfolge. Die vertikalen stromführenden Kontaktelemente 2 und 3 ergeben dann zusammenlami-
niert und gesintert ein stromführenden Pfad in z- Richtung.
Wenn die zuvor beschriebenen bedruckten und gefüllten einzelnen Piezolagen 4 und 6 übereinandergestapelt, laminiert und gesintert werden, kann man je nach Stapelfolge, Orientierung und Ausbildung der einzelnen Piezolagen unterschiedliche innenliegende elektrische Strompfade bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel nach Figur 6 erzeugt die Stapelfolge von einzelnen Piezolagen 10 bis 13 stromführende vertikale Pfade als Kontaktelemente, die jeweils nur zur übernächsten Piezolage führen. Hier existiert somit kein durchgehender vertikaler elektrischer Strompfad als Kontaktelemente 2 und 3, was bei optimaler Auslegung zur Minimierung von internen mechanischen Spannungen führen kann.