WO2006003039A1 - Piezoaktor - Google Patents

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internal electrodes
foot
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Ulrich Schoor
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Robert Bosch Gmbh
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
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    • H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H10N30/883—Additional insulation means preventing electrical, physical or chemical damage, e.g. protective coatings

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric actuator, for example for actuating a mechanical component, according to the generic features of the main claim.
  • a piezo element for controlling the needle stroke of a valve or the like can be constructed from a material having a suitable crystal structure.
  • a mechanical reaction of the piezoelectric element takes place, which, depending on the crystal structure and the contact regions of the electrical voltage, represents a pressure or tension in a predeterminable direction.
  • piezoactuators can be used to construct actuators, for example for the drive of switching valves in fuel injection systems in motor vehicles.
  • the voltage or charge-controlled deflection of the piezoelectric actuator is used to position a Used control valve, which in turn controls the stroke of a Düsen ⁇ needle.
  • this piezoelectric actuator takes place here in several layers of stacked metallized piezoceramics so-called multilayer actuator.
  • the layers inner electrodes are present, which are e.g. be applied with a printing process, and there are notes ⁇ electrodes available, via which the electrical voltage is applied.
  • a typical method for producing such layers is in the film casting technique.
  • the individual layers are metallized and stacked one above the other to produce the internal electrodes, the piezo effect then having an effect between two layers with internal electrodes of different polarity.
  • piezoelectric actuators are provided with internal electrodes which, on the entire broad side, are provided on one of four sides, a retracted, i. have buried inner electrode here. On all other sides, the inner electrode extends to the edge of the ceramic to the outside.
  • Piezoactuators are also known whose internal electrodes are retracted on all sides, with the exception of the contact strip on the outside of the piezoactuator. These arrangements can have different contacting zones, e.g. on a surface or over a corner.
  • these known piezoelectric actuators have passive head and foot parts which are not provided with internal electrodes for assembly in corresponding actuator arrangements. This means that special guiding or fitting _ o _
  • NEN be provided and it is here a cover or an insulating layer necessary, which may be easily damaged.
  • the piezoactuator known from the prior art is provided with a multilayer structure of piezoelectric layers consisting of a passive region with or without internal electrodes and a piezoelectrically active region with contacted internal electrodes arranged between the layers.
  • the piezoelectric actuator In the active region, the piezoelectric actuator has a contacting of the inner electrodes that changes from layer to layer, for application of an electrical voltage.
  • the piezoelectric actuator is actively constructed with contacted inner electrodes in an advantageous manner, including a head and / or foot region, wherein the internal electrodes in the head and / or foot region, however, except for a minimal contact zone to the respective external contact in difference to the central active area, fully buried.
  • piezoelectric actuators are advantageous whose active range extends from the head to the foot over the entire piezoelectric actuator, thus eliminating guide or fitting zones in the foot and optionally in the head region.
  • active areas with internal electrodes routed to the outside in a customary manner must be covered in an electrically insulating manner in order to prevent surface conduction or creep.
  • Coating compositions for example silicone resins or elastomers or other insulating materials, lacquers or coatings, are used here in general are sensitive to mechanical damage during manufacture and further processing.
  • the embodiment according to the invention of a completely active piezoactuator does not require a cover with an insulating layer in the fitting or joining region at the top or bottom.
  • an advantageous combination of different burial of the internal electrodes in the layer structure of the piezoactuator is proposed partially buried internal electrodes in the central free area allow unhindered stretching and in the Fü ⁇ area on the head and / or foot additional layers can be activated with almost fully buried internal electrodes.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a piezoactuator with a head and foot region in an overall active construction
  • FIG. 2 shows a detail view of a layer structure in the central free area of the piezoelectric actuator with partially buried internal electrodes
  • FIG Figure 3 shows a detailed view of a layer structure in the head or foot of the piezoelectric actuator with almost fully buried internal electrodes.
  • FIG. 1 schematically shows a piezoactuator 1 which, in a manner known per se, consists of piezo layers of a ceramic material, e.g. So-called green sheets, is constructed with a geeigne ⁇ th crystal structure, so that taking advantage of the so-called piezoelectric effect when applying a äuße ⁇ Ren electrical DC voltage to internal electrodes via externally contacted electrodes, a mechanical reaction of the piezoelectric actuator 1 takes place.
  • a piezoactuator 1 which, in a manner known per se, consists of piezo layers of a ceramic material, e.g. So-called green sheets, is constructed with a geeigne ⁇ th crystal structure, so that taking advantage of the so-called piezoelectric effect when applying a äuße ⁇ Ren electrical DC voltage to internal electrodes via externally contacted electrodes, a mechanical reaction of the piezoelectric actuator 1 takes place.
  • the piezoactuator 1 is constructed overall from such piezoelectrically active regions and specifically from a central free area 2 and a head area 3 and a foot area 4, the head and / or foot area 3, 4 in particular for the mechanical holding of the piezoelectric actuator 1 serve.
  • Figure 2 shows the structure of a piezoelectric layer in the central region 2 of Figure 1 with a Keramik ⁇ layer 5 and one of the ceramic layer 5 on the right edge covered inner electrode 6, which has a externally attached to the piezoelectric actuator 1 contact 7 with a pole of a Voltage is supplied.
  • the inner electrode 6 is covered on the left edge of the layer structure not only by the ceramic layer 5 but also by the overlying inner electrode 8, which is supplied with the other pole of the voltage via an outer contact 9. Inlin ken part of the layer structure, the non-visible edge of the inner electrode 6 is shown in dashed lines.
  • the non-contacted edge of the inner electrode 6 in the left-hand part and the non-contacted edge of the inner electrode 8 in the right-hand part are covered or thus partly buried.
  • an insulating layer On the sides 10 and 11 of the piezoelectric actuator 1 to the outer cover is an insulating layer,. e.g. made of silicone resin or elastomers.
  • the structure of the active region 2 consists of the hitherto customary construction with internal electrodes, which are pulled back only on one side and thus enable the greatest possible elongation.
  • the structure of the piezoactuator 1 can, as shown, be rectangular or even with a beveled contour at the corners.
  • FIG. 3 shows the construction of a piezoelectric layer with a ceramic layer 12 in the head or foot region 3 or 4 according to FIG.
  • an inner electrode 13 is connected via a relatively small contact zone 14 with the outside of the piezoelectric actuator 1 attached contact 7.
  • the underlying inner electrode 15 can be seen in the left-hand part of the piezoelectric layer, which likewise is connected via a relatively small contact zone 16 to the contacting 9 provided on the outside of the piezoelectric actuator 1.
  • the position of the contact zones 14, 16 can lie centrally on the side of the piezoactuator 1 or can also be offset on both sides or only on one side from the center.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung ei­nes mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, bei dem der Piezoaktor (1) aus einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen aus mindestens einem piezoelektrisch aktiven Bereich (2) mit zwischen den Piezolagen angeordneten Innenelektroden (6,8,13,15), die wechselseitig mit einer elektrischen Spannung unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar sind, besteht. Der Piezoaktor (1) ist einschließlich seines Kopf- und/oder Fussbereichs (3,4) aktiv aufgebaut, wobei die Innenelektroden (13,15) im Kopf- und/oder Fussbereich (3,4) bis auf eine minimale Kontaktzone (14,16) zur je­weiligen Aussenkontaktierung (7,9) vollvergraben sind.

Description

Piezoaktor
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, nach den gat- tungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Es ist beispielsweise aus der DE 199 28 189 Al 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.
Aufgrund des extrem schnellen und genau regelbaren Hub¬ effektes können solche Piezoaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuer¬ te Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Steuerventils genutzt, das wiederum den Hub einer Düsen¬ nadel regelt.
Da die erforderlichen elektrischen Feldstärken zur Betä¬ tigung des Piezoaktors im Bereich von mehreren kV/mm lie¬ gen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, erfolgt der Aufbau dieses Piezoaktors hier in mehreren Schichten von übereinander- gestapelten metallisierten Piezokeramiken zu einem sog. Multilayer-Aktor. Hierzu sind jeweils zwischen den Schichten Innenelektroden vorhanden, die z.B. mit einem Druckverfahren aufgebracht werden, und es sind Außen¬ elektroden vorhanden, über die die elektrische Spannung angelegt wird. Ein typisches Verfahren zum Herstellen solcher Schichten besteht in der Foliengießtechnik. Die einzelnen Schichten werden dabei zur Herstellung der In¬ nenelektroden metallisiert und übereinandergestapelt, wo¬ bei dann zwischen zwei Schichten mit Innenelektroden un¬ terschiedlicher Polarität sich der Piezoeffekt auswirkt.
Üblicherweise sind solche Piezoaktoren mit Innenelektro¬ den versehen, die auf der gesamten Breitseite auf einer von vier Seiten, eine zurückgezogene, d.h. hier vergrabe¬ ne Innelektrode besitzen. Auf allen anderen Seiten reicht die Innenelektrode bis zum Keramikrand nach außen. Es sind auch Piezoaktoren bekannt, deren Innenelektroden auf allen Seiten zurückgezogen sind, mit Ausnahme des Kontak- tierungsstreifens an der Außenseite des Piezoaktors. Die¬ se Anordnungen können verschiedene Kontaktierungszonen aufweisen, z.B. auf einer Fläche oder über Eck.
Diese bekannten Piezoaktoren weisen in der Regel zur Mon¬ tage in entsprechende Aktoranordnungen passive Kopf- und Fußteile auf, die nicht mit Innenelektroden versehen sind. D.h. es müssen spezielle Führungs- oder Passungszo- _ o _
nen vorgesehen werden und es ist hier eine Abdeckung bzw. eine Isolationsschicht notwendig, die eventuell leicht beschädigt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Der aus dem Stand der Technik bekannte Piezoaktor ist mit einem MehrSchichtaufbau aus Piezolagen, bestehend aus ei¬ nem passiven Bereich mit oder ohne Innenelektroden und einem piezoelektrisch aktiven Bereich mit zwischen den Lagen angeordneten kontaktierten Innenelektroden, verse¬ hen. Der Piezoaktor weist im aktiven Bereich eine von Schicht zu Schicht wechselnde Kontaktierung der Innen¬ elektroden, zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, auf. Gemäß der Erfindung ist der Piezoaktor in vorteilhafter Weise dagegen einschließlich eines Kopf- und/oder Fußbereichs aktiv mit kontaktierten Innenelekt¬ roden aufgebaut, wobei die Innenelektroden im Kopf- und/oder Fußbereich jedoch, bis auf eine minimale Kon¬ taktzone zur jeweiligen Außenkontaktierung im Unterschied zum zentralen aktiven Bereich, voll vergraben sind.
Für viele Anwendungsfälle sind Piezoaktoren vorteilhaft, deren aktiver Bereich vom Kopf bis zum Fuß über den ge¬ samten Piezoaktor reicht, damit entfallen im Fuß- und ggf. im Kopfbereich Führungs- oder Passungszonen. Aktive Bereiche mit in üblicher Weise nach außen geführten In¬ nenelektroden müssen an sich jedoch elektrisch isolierend abgedeckt werden um Oberflächenleitung oder Kriechen zu verhindern. Es werden hier in der Regel Abdeckmassen, z.B. Silikon-Harze oder -Elastomere bzw. andere Isolati¬ onsstoffe, -lacke oder -schichten, eingesetzt, die sehr empfindlich sind bezüglich mechanischer Beschädigung bei der Herstellung und Weiterverarbeitung.
Die erfindungsgemäße Ausführung eines vollständig aktiven Piezoaktors benötigt im Passungs- oder Fügebereich am Kopf- oder Fuß keine Abdeckung mit einer Isolations¬ schicht.. Hier wird eine vorteilhafte Kombination unter¬ schiedlicher Vergrabungen der Innenelektroden im Lagen¬ aufbau des Piezoaktors vorgeschlagen, bei dem die nur teilweise vergrabenen Innenelektroden im zentralen freien Bereich eine ungehinderte Dehnung ermöglichen und im Fü¬ gebereich am Kopf und/oder Fuß zusätzliche Schichten mit nahezu vollvergrabenen Innenelektroden aktivierbar sind.
Die hier auftretenden geringfügigen Einbußen durch das leicht geringere Dehnvermögen des nahezu vollvergrabenen Innenelektrodendesigns im Kopf- und/oder Fußbereich sind leicht hinzunehmen. Die jeweils verbleibende Kontaktzone macht einen relativ geringen Anteil der gesamten Breite der Außenkontaktierung aus.
Zeichnung-
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoaktors wird anhand der Figuren der Zeichnung erläutert. Es zei¬ gen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Piezoaktors mit einem Kopf- und Fußbereich in einem gesamten ak¬ tiven Aufbau,
Figur 2 eine Detailansicht eines Lagenaufbaus im zentralen freien Bereich des Piezoaktors mit teil¬ weise vergrabenen Innenelektroden und Figur 3 eine Detailansicht eines Lagenaufbaus im Kopf- oder Fußbereich des Piezoaktors mit nahezu vollvergrabenen Innenelektroden.
Beschreibung des Ausführuncrsbeispiels
In Figur 1 ist ein Piezoaktor 1 schematisch gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezolagen eines Keramik¬ materials, z.B. sogenannte Grünfolien, mit einer geeigne¬ ten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnut¬ zung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äuße¬ ren elektrischen Gleichspannung an Innenelektroden über außen kontaktierte Elektroden eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt.
Der Piezoaktor 1 ist insgesamt aus solchen piezoelekt¬ risch aktiven Bereichen aufgebaut und zwar aus einem zentralen freien Bereich 2 und einem Kopfbereich 3 sowie einem Fußbereich 4, wobei der Kopf- und/oder Fußbereich 3,4 insbesondere zur mechanischen Halterung des Piezoak¬ tors 1 dienen.
Im Detail zeigt Figur 2 den Aufbau einer Piezolage im zentralen Bereich 2 nach der Figur 1 mit einer Keramik¬ schicht 5 und einer von der Keramikschicht 5 am rechten Rand überdeckten Innenelektrode 6, die über eine außen am Piezoaktor 1 angebrachte Kontaktierung 7 mit einem Pol einer Spannung versorgt wird. Die Innenelektrode 6 wird am linken Rand des Lagenaufbaus nicht nur von der Kera¬ mikschicht 5 sondern auch von der darüber liegenden Inn- elektrode 8 überdeckt, die über eine äußere Kontaktierung 9 mit dem anderen Pol der Spannung versorgt wird. Im lin- ken Teil des Lagenaufbaus ist gestrichelt die nicht sichtbare Kante der Innenelektrode 6 eingezeichnet.
Somit ist aus der Figur 2 erkennbar, dass jeweils die nicht kontaktierte Kante der Innenelektrode 6 im linken Teil und die nicht kontaktierte Kante der Innenelektrode 8 im rechten Teil abgedeckt bzw. somit teilweise vergra¬ ben ist. An den Seiten 10 und 11 des Piezoaktors 1 ist zur äußeren Abdeckung eine Isolationsschicht,. z.B. aus Silikon-Harz oder -Elastomere angebracht. Somit besteht der Aufbau des aktiven Bereichs 2 aus dem bisher üblichen Aufbau mit Innenelektroden, die nur an einer Seite zu¬ rückgezogen sind und somit eine größtmögliche Dehnung er¬ möglichen. Der Aufbau des Piezoaktors 1 kann, wie darge¬ stellt, rechteckig oder auch mit einer an den Ecken abge¬ schrägten Kontur erfolgen.
Aus Figur 3 ist der Aufbau einer Piezolage mit einer Ke¬ ramikschicht 12 im Kopf- oder Fußbereich 3 oder 4 nach der Figur 1 zu entnehmen. Hier ist eine Innenelektrode 13 über eine relativ kleine Kontaktzone 14 mit der außen am Piezoaktor 1 angebrachten Kontaktierung 7 verbunden. Zur besseren Übersicht ist der linke Teil der Innenelektrode 13, der hier über keine weitere äußere Kontaktierung ver¬ fügt, abgeschnitten. Gestrichelt und ebenfalls abge¬ schnitten ist die darunter liegende Innenelektrode 15 im linken Teil der Piezolage erkennbar, die ebenfalls über eine relativ kleine Kontaktzone 16 mit der außen am Pie¬ zoaktor 1 angebrachten Kontaktierung 9 verbunden ist. Die Lage der Kontaktzonen 14,16 kann mittig an der Seite des Piezoaktors 1 liegen oder auch beiderseitig oder nur ein¬ seitig von der Mitte versetzt angeordnet werden.
Aus der Figur 3 ist somit erkennbar, dass die beiden bei¬ spielhaft gezeigten Innenelektroden 13 und 15 nahezu voll im Aufbau der Piezolage vergraben sind, da bis auf die relativ kleinen Kontaktzonen 14 und 16 keine Innenelekt- rodenflächen nach außen an die Keramikoberfläche des Pie- zoaktors 1 geführt ist und somit ringsum keine Innen¬ elektroden herausragen. Erfindungsgemäß ist somit er¬ reicht, dass im Fuß- und/oder Kopfbereich 3,4 die Seiten¬ flächen des Piezoaktors 1 nicht abgedeckt werden müssen und somit keine Beschädigung der Isolierungsschicht er¬ folgen kann.

Claims

Patentansprüche
1) Piezoaktor, mit
- einem MehrSchichtaufbau von Piezolagen aus min¬ destens einem piezoelektrisch aktiven Bereich (2) mit zwischen den Piezolagen angeordneten Innen¬ elektroden (6,8,13,15), die wechselseitig mit einer elektrischen Spannung unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar sind, wobei jeweils eine Polarität an einer Seite und/oder Ecke des Piezoaktors (1) über seine Länge außen kontaktiert ist die wechsel¬ seitig dazwischenliegenden nicht kontaktierten Au¬ ßenkanten der jeweils anderen Polarität an jeweils einer Seite und/oder Ecke im Lagenaufbau vergraben sind und mit
- einem Kopf- und/oder Fußbereich (3,4) am Piezo¬ aktor (1) , der jeweils einen hiervon abweichenden Aufbau aufweist, dadurch gekennzeichnet:, dass
- der Piezoaktor (1) einschließlich seines Kopf- und/oder Fußbereichs (3,4) aktiv aufgebaut ist, wo¬ bei die Innenelektroden (13,15) im Kopf- und/oder Fußbereich (3,4) bis auf eine minimale Kontaktzone (14,16) zur jeweiligen Außenkontaktierung (7,9) vollvergraben sind. _ Q —
2) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet:, dass
- die Kontaktzone (14,16) jeweils einen geringen Anteil der gesamten Breite der Außenkontaktierung (7,9) aus¬ macht.
3) Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet:, dass
- die Kontaktzonen (14,16) einen Bereich von 20% bis 50% der Breite des Piezoaktors (1) umfassen.
4) Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Kontaktzonen (14,16) mittig oder seitlich versetzt zur Mitte des Piezoaktors (1) angeordnet sind.
5) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der aktive Kopf- und/oder Fußbereich (3,4) abweichend von dem zentralen aktiven Bereich (2) keine Isolati¬ onsschicht an den nicht mit der Außenkontaktierung (7,9) versehenen Außenflächen aufweist.
6) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Isolationsschicht ein Silikon-Harz, ein Silikon- Elastomere, ein Lack oder eine sonstige Isolations¬ schicht ist.
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