WO2007048756A1 - Piezoaktor und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

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WO2007048756A1
WO2007048756A1 PCT/EP2006/067612 EP2006067612W WO2007048756A1 WO 2007048756 A1 WO2007048756 A1 WO 2007048756A1 EP 2006067612 W EP2006067612 W EP 2006067612W WO 2007048756 A1 WO2007048756 A1 WO 2007048756A1
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recess
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electrode
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PCT/EP2006/067612
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Martin Schröder
Manfred Weigl
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric actuator, preferably in monolithic multilayer construction, and a method for producing the same.
  • Piezo actuators usually consist of a plurality of piezo elements arranged in a stack. Each of these elements in turn consists of a piezoelectric ceramic layer that is both ⁇ sides with metallic electrodes. If a voltage is applied to these electrodes, then the piezo ⁇ ceramic layer reacts with a grid consumption, which leads along a major axis to a usable length expansion. Since this in turn is less than 2 parts per thousand of the layer thickness along the main axis, a correspondingly higher layer thickness of active piezoceramic must be provided to achieve a desired absolute length expansion. However, with increasing layer thickness of the piezoelectric ceramic layer of a single piezoelectric element and the surfaces to attrac ⁇ increases the piezoelectric element required voltage.
  • the thicknesses of piezo-individual elements are usually between 20 and 200 ⁇ m.
  • a piezoelectric actuator in a multi-layer design must therefore have a corresponding number of individual elements or layers for a desired linear expansion.
  • piezoelectric actuators in multilayer construction therefore generally consist of a large number of individual layers.
  • piezoelectric ceramic layers are alternately arranged with electrode material to form a stack and laminated ge ⁇ jointly to form a monolithic composite and sintered.
  • Such a method is known, for example, from European Patent EP 0 894 340 B1.
  • piezoceramic green films are printed with an electrode material be ⁇ . The printing is done according to a pattern which includes printed areas and unprinted free areas.
  • the electrode layers are stacked alternately such that over each unprinted area in a first electrode layer an area printed with electrode material is arranged in the next adjacent second electrode layer. Due to the alternating arrangement, every second electrode layer is congruent with respect to its electrode pattern. In the intervening likewise to each other congruent electrode layers, the unprinted free remaining area are diagonally offset.
  • the Applicant further measures are known in order to reduce mechanical stresses in the piezoelectric actuator, which, however, not but prevent cracking in general, single ⁇ Lich a formation of cracks in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator, thereby maintaining the function of the piezoelectric actuator far ⁇ continuously remains , Nevertheless, these measures continue to pose the risk of uncontrolled crack propagation due to residual transverse cracks, which may reduce or even destroy the performance of the piezoelectric actuator.
  • the present invention is thus based on the object of specifying a piezoactuator and a production method for the same, wherein poling cracks are reduced or minimized despite inactive regions in the electrode layers.
  • ⁇ is the fact that the piezoelectric actuator of several fauxhegbarer to a stack of piezo-electric material layers is produced, said electrode layers are applied, each egg ner recess to the plurality of piezoelectric material layers such that in the stacking egg ⁇ ne alternating sequence of piezoelectric material layers and electrode layers results, wherein electrode layers are provided with a recess in a first recess region and electrode layers with a recess in a second, different from the first recess region recess region in the stack alternately. Furthermore, a relief material is respectively provided in the first and second recesses, which after sintering of the stack has electrically insulating properties that do not stick together to the individual material layers.
  • the present invention over the known approaches has the advantage that the proposed free-lying areas or recesses of the electrode layers are not completely filled with Kera ⁇ mikmaterial in a sintering of the stack, but due to the non-adherent properties of the relief material Mecha ⁇ nische separation point or create a relief recess between two successive ceramic layers in the region of the recesses.
  • the separating points are formed as voids between adjacent ceramic layers.
  • the present invention has the advantage that in the areas of the recesses due to the electrically insulating properties of the relieving material electrically isolated areas arise, the racmetallmaschine the piezoelectric actuator for an electrical on ⁇ control every other electrode layer to simple and inexpensive Guarantee the way.
  • no new technology must be introduced, ie it can be the usual and previously known manufacturing equipment and manufacturing processes with minor modifications, ie only the application of the relief material in the recesses used.
  • harmful cracks in the ceramic layers can be prevented or minimized.
  • a noble metal-containing metallization paste having a low diffusion capability of the electrically conductive particles is printed on each of the piezoelectric material layers as electrode layers during sintering of the stack.
  • a silver-palladium-containing paste verwen ⁇ det wherein the palladium content a retention of the silver in the paste and the silver content ensure good electrical Leitfä ⁇ ability of the paste.
  • a noble metal-containing paste is printed with a very high diffusivity of the electrically conductive particles during sintering of the stack as a relief material on ⁇ into the recesses.
  • a silver-containing paste is comparable turns, wherein the silver during sintering in the ⁇ be adjacent electrode regions diffuses.
  • each second electrode layer in the stack is provided with a recess in a first corner region and each electrode layer provided therebetween has a recess in a second corner region opposite the first corner region. det.
  • the piezoelectric actuator is formed with at least two longitudinally extending bores, wherein the first recess region in the region of a bore and the second recess region in the region of the other bore in the stack are provided in alternating sequence.
  • the single ⁇ NEN electrode layers can be coupled via the bores with an elec- contacting step such that, in turn, per well, only every second electrode layer is contacted elekt ⁇ driven.
  • the two holes are typically, but not necessarily a similarly relatively large ⁇ SEN diameter in the mm range, since because of too large Stei- stiffness not simply a massive wire can be soldered, but rather a lot of fine wires wire comprising (eg a bottle brush ) can be used.
  • Figure 1 is an exploded view of several attached to a Sta ⁇ pel sixteenhegbarer ceramic layers with electrode layers listed a preferred embodiment of the present invention according to;
  • Figure 2 shows the exploded view of Figure 1 with the initial discharge savings deposited material in accordance with a preferred embodiment of the constricting vorlie ⁇ invention
  • 3 shows a perspective view of a piezoelectric actuator in assembled monolithic multilayer construction according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric actuator according to the invention and its construction method are generally independent of the materials used.
  • a piezoelectric material layers may beispielswei ⁇ se any PZT (lead zirconate titanate) ceramics.
  • PZT lead zirconate titanate
  • genann ⁇ te green sheets are drawn or molded from this material having a thickness of microns, for example 20 to 200 after drying.
  • Electrode layers for example printed with a suitable silver-palladium paste.
  • the paste contains preference ⁇ , the particles of a silver / palladium alloy in a binder with a total printable consistency.
  • This screen printing paste has, for example, in addition to organic excipients fine-grained silver powder and palladium powder.
  • the silver content in the paste ensures the good electrical conductivity of the electrode layer after sintering, whereas the palladium content ensures that, despite the high diffusibility of the silver at the temperatures occurring during sintering, it remains in the printed electrode layer.
  • FIG 1 illustrates an exploded view of four piezo-electric ceramic layers 2 ⁇ that lektroden slaughter with an E in each case 3, for example from the above-described ⁇ NEN silver-palladium paste is printed on one side.
  • E in each case 3
  • FIG. 1 illustrates only four ceramic layers. Although only four ceramic layers are illustrated by way of example in Figures 1 and 2, it is open ⁇ clear for a skilled person that any number of piezoelectric ceramic layers can be bonded in a stack with each other in an analogous manner.
  • the ceramic layers 2 are printed according to a pattern in such a way that a printed electrode region 3 and an unprinted, free recess region 4 or 4 ⁇ are provided on each ceramic layer.
  • a printed electrode region 3 and an unprinted, free recess region 4 or 4 ⁇ are provided on each ceramic layer.
  • one side palladium paste silver-3 printed as much of the associated ceramic layers 2 for the electrode layers ⁇ that after sintering a 2-3 micron thick contiguous Elect ⁇ clear layer 3 is obtained.
  • the printed with electrode material piezoceramic layers 2 are optionally dried and then stacked in ge ⁇ suitable manner one above the other, wherein a ⁇ al ternierende arrangement of piezoelectric ceramic layers 2 and electronics clear layers 3 is obtained.
  • each recess 4 and 4 ⁇ in a first electrode layer Arranged at the electrode layers 3 is also alternately stacked so that on each recess 4 and 4 ⁇ in a first electrode layer, the clear areas of the unprinted elec- 4 or 4 ⁇ corresponding to a printed with electrode material surface in the next adjacent Elect ⁇ clear layer is, as can be seen in Figure 1.
  • the recesses 4 and 4 ⁇ are provided alternately in diagonally opposite corner regions.
  • the recesses 4 and 4 ⁇ at any other point in alternating render sequence on the ceramic layers can be provided.
  • every second layer is congruent with respect to its electrode pattern with pre ⁇ provided recesses 4.
  • the recesses 4 ⁇ with respect to the recesses 4 are arranged offset.
  • each layer consists of an electrode portion 3 printed with a silver-palladium paste and a recess portion 5 printed with a silver paste 5.
  • sintering is carried out for example, under light pressure in an oxidizing atmosphere for a predetermined time and at a predetermined sintering temperature which may be, for example, to more than 1000 0 C.
  • Currency ⁇ rend sintering reaches the silver in the silver-palladium paste by diffusion due to the presence of the palladium a uniform concentration distribution in the palladium.
  • the silver remains in the Elektrodenbe- areas 3, which have a palladium content.
  • the silver diffuses into the Silberpas ⁇ te ⁇ 5 in the recesses 4 and 4 due to its high diffusivity almost completely out of the recess ⁇ areas 4 and 4 ⁇ and into the adjacent silver-palladium electrode regions 3 into it. Due to the diffusion of silver from the recessed portions 4 and 4 ⁇ into the adjacent electrode layers 3 are relief recesses 6 and 6 ⁇ in the areas of the recesses 4 and formed ⁇ 4, as is schematically indicated in Figure 3 by the dashed lines.
  • the recesses 4 and 4 ⁇ comprising recess portions have due to the diffusion of the electrically conductive silver particles on an electrically insulating or electrically non-conductive property, which is required for a connecting ⁇ de external contact only every second layer. This allows the time-tested Kontak- ttechnikstechnologie of the piezoelectric actuator to be retained unchanged upright ⁇ .
  • FIG. 3 illustrates a perspective view of a finished piezoactuator 1, which is contacted with an outer metallization 8 in strip form for electrical contacting at opposite corners. Due to the Cell layer to single layer alternating electrode structure reaches such an external contact 8 only each second electrode layer, while the attached to the termelie ⁇ ing edge outer contact 8 contacts the respective dazwi lying electrode layers. Thus, an electrically parallel interconnection of the piezoelectric material layers lying between the electrode layers is possible, which enables optimum operation of the piezoelectric actuator 1.
  • the present invention provides a piezoactuator and a method for producing the same, wherein due to the separation points or relief recesses achieved during the sintering in the areas of the recesses 4 and 4, ⁇ electrically non-conductive regions as well as mechanically relieved areas for preventing mechanical stresses become.
  • the method according to the invention ensures that no new technology has to be introduced and no new production facilities are required.
  • no new chemical compounds or elements are added to the chemical system of the piezoactuator, which could lead to unknown effects.
  • silver compared to palladium inexpensive so that additional material costs are unommet ⁇ Lich.
  • the additional screen printing process for printing the silver paste is compared to additional manufacturing ⁇ steps in previous measures to avoid cracks easy and inexpensive to accomplish.
  • the silver-palladium paste instead of the silver-palladium paste, another precious metal-containing metallizing paste with a low diffusivity of the electrically conductive particles are used in a sintering of the stack.
  • the other relief material with a very high Dif ⁇ fusion capability of the electroconductive particles during sintering of the stack can be used.
  • any relief material is suitable which ensures an electrically non-conductive region in the recess regions and adhesion between adjacent layers for
  • the recessed portions can be used instead of diagonally opposite corner regions within the layer surface can be provided, for example such that hole ⁇ holes in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator in each case through each recess pattern extend.
  • a contact from the outside of the piezoelectric actuator to the inside can be advantageously laid.
  • geeig ⁇ items contacting means in the at least two bores are made in such a way that only every second turn E- lektroden slaughter electrically contacts and the intermediate layers due to the intended Aussparungsbe- not rich are contacted.
  • adjacent layers do not adhere to each other in these recessed areas because of the relief recesses.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor und ein Verfahren zur Herstellung desselben mit folgenden Verfahrensschritten: Vorsehen mehrerer zu einem Stape zusammen- fügbarer piezo-elektrischer Materialschichten (2); Aufbringen von jeweils eine Aus- sparung (4, 4') aufweisenden Elektrodenschichten (3) auf di mehreren piezo-elektrischen Materialschichten derart, dass sich im Stapel einer alternierende Abfolge von piezo-elektrischen Materialschichten und Elektrodenschichten ergibt, wobei Elektrodenschichten mit einer Aussparung (4 in einem ersten Aussparungs- bereich und Elektrodenschichten mit einer Aussparung (4') in einem zweiten, sich von dem ersten Aussparungsbereich unterscheidenden Aussparungsbereich im Stapel alternierend vorgesehen werden; und Vorsehen eines Entlastungsmaterials (5) in den ersten und zweiten Aussparungen, welches nach einer Sinterung des Stapels elektrisch isolierende und die einzelnen Materialschichten nicht zusammen- haftende Eigenschaften aufweist.

Description

Beschreibung
Piezoaktor und Verfahren zur Herstellung desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoaktor, vorzugsweise in monolithischer Vielschicht-Bauweise, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Piezoaktoren bestehen üblicherweise aus mehreren in einem Stapel angeordneten Piezoelementen . Jedes dieser Elemente wiederum besteht aus einer Piezokeramikschicht, die beider¬ seits mit metallischen Elektroden versehen ist. Wird an diese Elektroden eine Spannung angelegt, so reagiert die Piezo¬ keramikschicht mit einer Gitterverzehrung, welche entlang einer Hauptachse zu einer nutzbaren Längenausdehnung führt. Da diese wiederum weniger als 2 Promille der Schichtdicke entlang der Hauptachse beträgt, muss zur Erzielung einer gewünschten absoluten Längenausdehnung eine entsprechend höhere Schichtdicke aktiver Piezokeramik bereitgestellt werden. Mit zunehmender Schichtdicke der Piezokeramikschicht eines einzelnen Piezoelementes steigt jedoch auch die zum Anspre¬ chen des Piezoelementes erforderliche Spannung. Um diese in handhabbaren Grenzen zu halten, liegen die Dicken von Piezo- einzelelementen üblicherweise zwischen 20 und 200 μm. Ein Piezoaktor in Mehrschicht-Bauweise muss für eine gewünschte Längenausdehnung daher eine entsprechende Anzahl an Einzelelementen bzw. -schichten aufweisen.
Bekannte Piezoaktoren in Vielschicht-Bauweise bestehen daher im Allgemeinen aus insgesamt zahlreichen Einzelschichten. Zu deren Herstellung werden Piezokeramikschichten alternierend mit Elektrodenmaterial zu einem Stapel angeordnet und ge¬ meinsam zu einem monolithischen Verbund laminiert und gesintert. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der euro- päischen Patentschrift EP 0 894 340 Bl bekannt. Dabei werden piezokeramische Grünfolien mit einem Elektrodenmaterial be¬ druckt. Das Bedrucken erfolgt gemäß einem Muster, welches bedruckte Bereiche und unbedruckte freigebliebene Bereiche umfasst. Die Elektrodenschichten werden alternierend derart gestapelt, dass über jedem unbedruckten Bereich in einer ersten Elektrodenschicht eine mit Elektrodenmaterial be- druckte Fläche in der nächsten benachbarten zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist. Durch die alternierende Anordnung ist jede zweite Elektrodenschicht deckungsgleich bezüglich ihres Elektrodenmusters. In den dazwischenliegenden ebenfalls zueinander deckungsgleichen Elektrodenschichten sind die unbedruckten freigebliebenen Bereich diagonal versetzt.
An diesem Ansatz gemäß dem Stand der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass bei einer Sinterung ein interner Druck- und Volumenausgleich erfolgt, wobei beispielsweise die unbedruckten freigebliebenen Berei¬ che im Elektrodenmuster vollständig von Keramikmaterial der benachbarten Keramikschichten ausgefüllt werden. Bei einer elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten erfahren alle Keramikschichten eine Ausdehnung, mit Ausnahme der die unbedruckten Bereiche umfassenden Eckbereiche, da in diesen beiden diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen keine wirksame elektrische Feldstärke aufgebaut werden kann. Diese Eckbereiche erfahren daher im Unterschied zu den restlichen Keramikbereichen keine Ausdehnung bei Ansteuerung, wodurch mechanische Spannungen zwischen den aktiven Bereichen und den inaktiven Bereichen entstehen. Diese mechanischen Spannungen verursachen eine Bildung von Rissen, die ausgehend von den inaktiven Eckbereichen in die aktiven Keramikbereiche hineinführen können. Derartige Risse können sich unkon- trolliert durch die Keramik hindurch auch in Längsrichtung ausbreiten und die Lebensdauer des Piezoaktors erheblich einschränken .
Es ist der Anmelderin bekannt, Entlastungsschichten nach ei- ner vorbestimmten alternierenden Abfolge an Keramik- und E- lektrodenschichten in den Stapel zu integrieren, um vorbe- stimmte Trennbereiche zum Verringern von mechanischen Spannungen zu schaffen.
An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass das Einbringen von zusätzlichen Entlas¬ tungsschichten mit einem zusätzlichen Herstellungsaufwand und zusätzlichen Herstellungskosten verbunden ist. Zudem vergrößern diese Entlastungsschichten den Stapelaufbau nachteilig.
Ferner sind der Anmelderin weitere Maßnahmen bekannt, um mechanische Spannungen in dem Piezoaktor zu verringern, welche allerdings nicht eine Rissbildung generell, sondern ledig¬ lich eine Bildung von Rissen in Längsrichtung des Piezoak- tors verhindern, wodurch die Funktion des Piezoaktors weit¬ gehend erhalten bleibt. Trotz alledem besteht bei diesen Maßnahmen weiterhin das Risiko der unkontrollierten Rissausbreitung aufgrund von verbleibenden Querrissen, wodurch der Piezoaktor in seiner Leistung gemindert oder eventuell sogar zerstört werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Piezoaktor und ein Herstellungsverfahren für denselben anzugeben, wobei trotz inaktiver Bereiche in den Elektroden- schichten Polungsrisse verringert bzw. minimiert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch den Piezoaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee be¬ steht darin, dass der Piezoaktor aus mehreren zu einem Stapel zusammenfügbarer piezo-elektrischer Materialschichten hergestellt wird, wobei Elektrodenschichten mit jeweils ei- ner Aussparung auf die mehreren piezo-elektrischen Materialschichten derart aufgebracht werden, dass sich im Stapel ei¬ ne alternierende Abfolge von piezo-elektrischen Material- schichten und Elektrodenschichten ergibt, wobei Elektrodenschichten mit einer Aussparung in einem ersten Aussparungsbereich und Elektrodenschichten mit einer Aussparung in einem zweiten, sich von dem ersten Aussparungsbereich unter- scheidenden Aussparungsbereich im Stapel alternierend vorgesehen werden. Ferner wird ein Entlastungsmaterial jeweils in den ersten und zweiten Aussparungen vorgesehen, welches nach einer Sinterung des Stapel elektrisch isolierende und die einzelnen Materialschichten nicht zusammenhaftende Eigen- schaften aufweist.
Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den bekannten Ansätzen den Vorteil auf, dass die vorgesehenen freigebliebenen Bereiche bzw. Aussparungen der Elektrodenschichten bei einer Sinterung des Stapels nicht vollständig mit Kera¬ mikmaterial ausgefüllt werden, sondern aufgrund der nicht haftenden Eigenschaften des Entlastungsmaterials eine mecha¬ nische Trennstelle bzw. Entlastungsaussparung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Keramikschichten im Bereich der Ausspa- rungen schaffen. Für den Fall einer Diffusion des eine hohe Diffusionsfähigkeit aufweisenden Entlastungsmaterials wäh¬ rend der Sinterung sind die Trennstellen als Hohlräume zwischen benachbarten Keramikschichten ausgebildet. Somit besteht zwischen den Keramikschichten in diesem Bereich keine Haftung miteinander, so dass in diesen inaktiven Bereichen keine wesentlichen mechanischen Spannungen entstehen können. Die - wenn überhaupt vorhandenen - mechanischen Spannungen reichen nicht weiter für eine Bildung von schädlichen Rissen aus .
Des Weiteren weist die vorliegende Erfindung den Vorteil auf, dass in den Bereichen der Aussparungen aufgrund der e- lektrisch isolierenden Eigenschaften des Entlastungsmaterials elektrisch isolierte Bereiche entstehen, welche eine Au- ßenmetallisierung des Piezoaktors für eine elektrische An¬ steuerung jeder zweiten Elektrodenschicht auf einfache und kostengünstige Weise gewährleisten. Zudem muss zur Herstellung des erfindungsgemäßen Piezoaktors keine neue Technologie eingeführt werden, d.h. es können die gängigen und bisher bekannten Fertigungseinrichtungen und Fertigungsprozesse mit geringfügigen Modifikationen, d.h. lediglich dem Aufbringen des Entlastungsmaterials im Bereich der Aussparungen, verwendet werden. Somit können insgesamt auf einfache und kostengünstige Weise schädliche Risse in den Keramikschichten verhindert bzw. minimiert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird auf die piezoelektrischen Materialschichten als Elektrodenschichten jeweils eine Edelmetall-haltige Metallisierungspaste mit einer niedrigen Diffusionsfähigkeit der elektrisch leitenden Partikel bei einer Sinterung des Stapels aufgedruckt. Bei- spielsweise wird eine Silber-Palladium-haltige Paste verwen¬ det, wobei der Palladiumanteil einen Verbleib des Silbers in der Paste und der Silberanteil eine gute elektrische Leitfä¬ higkeit der Paste gewährleisten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird in die Aussparungen eine Edelmetall-haltige Paste mit einer sehr hohen Diffusionsfähigkeit der elektrisch leitenden Partikel bei einer Sinterung des Stapels als Entlastungsmaterial auf¬ gedruckt. Beispielsweise wird eine Silber-haltige Paste ver- wendet, wobei das Silber während der Sinterung in die be¬ nachbarten Elektrodenbereiche hinein diffundiert.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden jede zweite Elektrodenschicht im Stapel mit einer Aussparung in einem ersten Eckbereich und jede dazwischen vorgesehene Elektrodenschicht mit einer Aussparung in einem dem ersten Eckbereich gegenüberliegenden zweiten Eckbereich ausgebil- det . Auf diese Weise kann eine kostengünstige und einfache Außenkontaktierung derart gewährleistet werden, dass eine Metallisierung über die ganze Längserstreckung des Piezoak- tors in den Eckbereichen vorgesehen wird, wobei lediglich jede zweite Elektrodenschicht kontaktiert und somit elekt¬ risch angesteuert wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Pie- zoaktor mit mindestens zwei in Längsrichtung verlaufenden Bohrungen ausgebildet, wobei der erste Aussparungsbereich im Bereich der einen Bohrung und der zweite Aussparungsbereich im Bereich der anderen Bohrung im Stapel in alternierender Abfolge vorgesehen werden. Beispielsweise können die einzel¬ nen Elektrodenschichten über die Bohrungen mit einer elekt- rischen Kontaktierung derart gekoppelt werden, dass wiederum pro Bohrung lediglich jede zweite Elektrodenschicht elekt¬ risch kontaktiert wird. Die beiden Bohrungen haben typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise einen relativ gro¬ ßen Durchmesser im mm-Bereich, da wegen der zu großen Stei- figkeit nicht einfach ein massiver Draht eingelötet werden kann, sondern eher ein viel feine Drähte aufweisender Draht (z.B. ähnlich einer Flaschenbürste) verwendet werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schemati- sehen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Figur 1 eine Explosionsansicht von mehreren zu einem Sta¬ pel zusammenfügbarer Keramikschichten mit aufge- brachten Elektrodenschichten gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 die Explosionsansicht aus Figur 1 mit in den Aus- sparungen aufgebrachtem Entlastungsmaterial gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorlie¬ genden Erfindung; und Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines Piezoaktors in zusammengebauter monolithischer Vielschicht- Bauweise gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteili¬ ges angegeben ist.
Der erfindungsgemäße Piezoaktor und dessen Aufbauverfahren sind generell unabhängig von den verwendeten Materialien. Als piezo-elektrische Materialschichten können beispielswei¬ se beliebige PZT- (Bleizirkonattitanat) Keramiken eingesetzt werden. Beispielsweise werden aus diesem Material so genann¬ te Grünfolien gezogen oder gegossen, die nach einem Trocknen eine Dicke von beispielsweise 20 bis 200 μm aufweisen.
Nach dem Trocknen der Grünfolien werden diese mit Elektro- denschichten versehen, beispielsweise mit einer geeigneten Silber-Palladium-Paste bedruckt. Die Paste enthält vorzugs¬ weise die Partikel einer Silber/Palladium-Legierung in einem Binder mit insgesamt druckbarer Konsistenz. Diese Siebdruckpaste weist beispielsweise neben organischen Hilfsstoffen feinkörniges Silberpulver und Palladiumpulver auf. Der Silberanteil in der Paste gewährleistet die gute elektrische Leitfähigkeit der Elektrodenschicht nach einer Sinterung, wohingegen der Palladiumanteil gewährleistet, dass trotz der hohen Diffusionsfähigkeit des Silbers bei den auftretenden Temperaturen während einer Sinterung dieses in der aufgedruckten Elektrodenschicht verbleibt. Das in der Paste ent¬ haltene Silber erreicht bei einer Diffusion während der Sinterung bei Anwesenheit von Palladium eine gleichmäßige Kon¬ zentrationsverteilung in dem Palladium. Die Diffusionsfähig- keit von Palladium ist derart gering, dass diese im Weiteren nicht zu berücksichtigen ist. Figur 1 illustriert eine Explosionsansicht von vier piezo¬ elektrischen Keramikschichten 2, die jeweils mit einer E- lektrodenschicht 3, beispielsweise aus der oben beschriebe¬ nen Silber-Palladium-Paste, einseitig bedruckt sind. Obwohl in den Figuren 1 und 2 lediglich vier Keramikschichten beispielhaft illustriert sind, ist es für einen Fachmann offen¬ sichtlich, dass eine beliebige Anzahl an piezo-elektrischen Keramikschichten in einem Stapel miteinander auf analoge Weise verbunden werden können.
Wie in Figur 1 ferner ersichtlich ist, erfolgt das Bedrucken der Keramikschichten 2 gemäß einem Muster derart, dass auf jeder Keramikschicht ein bedruckter Elektrodenbereich 3 und ein unbedruckter, freigebliebener Aussparungsbereich 4 bzw. 4λ vorgesehen ist. Beispielsweise wird für die Elektroden¬ schichten 3 einseitig so viel der Silber-Palladium-Paste auf die zugeordneten Keramikschichten 2 aufgedruckt, dass sich nach der Sinterung eine 2-3 μm dicke zusammenhängende Elekt¬ rodenschicht 3 ergibt.
Die mit Elektrodenmaterial bedruckten Piezokeramikschichten 2 werden gegebenenfalls getrocknet und anschließend in ge¬ eigneter Weise übereinander gestapelt, wobei sich eine al¬ ternierende Anordnung von Piezokeramikschichten 2 und Elekt- rodenschichten 3 ergibt.
Bei den Elektrodenschichten 3 wird ebenfalls alternierend derart gestapelt, dass über jeder Aussparung 4 bzw. 4λ in einer ersten Elektrodenschicht, die den unbedruckten Elekt- rodenbereichen 4 bzw. 4λ entsprechen, eine mit Elektrodenmaterial bedruckte Fläche in der nächsten benachbarten Elekt¬ rodenschicht angeordnet ist, wie in Figur 1 ersichtlich ist. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Aussparungen 4 bzw. 4λ alternierend jeweils in diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen vorgesehen. Es ist allerdings für einen Fachmann offensichtlich, dass die Aussparungen 4 bzw. 4λ auch an beliebig anderer Stelle in alternie- render Abfolge auf den Keramikschichten vorgesehen werden können .
Durch die alternierende Anordnung ist jede zweite Schicht deckungsgleich bezüglich ihres Elektrodenmusters mit vorge¬ sehenen Aussparungen 4. In den dazwischen liegenden ebenfalls zueinander deckungsgleichen Schichten sind die Aussparungen 4λ gegenüber den Aussparungen 4 versetzt angeordnet.
Auf diese Weise wird ein Stapel aus so vielen übereinander gelegten Einzelschichten gebildet, dass eine gewünschte Ge¬ samthöhe des Piezoaktors erreicht wird.
Anschließend wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vor- liegenden Erfindung zusätzlich zu jedem Silber-Palladium- Druck ein zusätzlicher Druckvorgang durchgeführt, bei welchem eine Silberpaste 5 in die Aussparungen 4 bzw. 4λ gedruckt wird, wie in Figur 2 schematisch illustriert ist. So¬ mit werden lediglich die Aussparungen 4 bzw. 4λ der Ausspa- rungsbereiche mit der Silberpaste 5 bedruckt, wohingegen die weiteren Fertigungsprozesse unverändert bleiben. Folglich besteht jede Schicht aus einem mit einer Silber-Palladium- Paste bedruckten Elektrodenbereich 3 und einem mit einer Silberpaste 5 bedruckten Aussparungsbereich.
Nach einem geeigneten Ausrichten und Stapeln der einzelnen Schichten erfolgt eine Sinterung beispielsweise unter leichtem Druck in einer oxidierenden Atmosphäre für einen vorbestimmten Zeitraum und bei einer vorbestimmten Sintertempera- tur, die beispielsweise bis über 1000 0C betragen kann. Wäh¬ rend der Sinterung erreicht das Silber in der Silber- Palladium-Paste durch Diffusion aufgrund der Anwesenheit des Palladiums eine gleichmäßige Konzentrationsverteilung im Palladium. Somit verbleibt das Silber in den Elektrodenbe- reichen 3, die einen Palladiumanteil aufweisen. Im Unterschied dazu diffundiert das Silber in der Silberpas¬ te 5 in den Aussparungen 4 bzw. 4λ aufgrund seiner hohen Diffusionsfähigkeit nahezu vollständig aus den Aussparungs¬ bereichen 4 bzw. 4λ heraus und in die benachbarten Silber- Palladium-Elektrodenbereiche 3 hinein. Durch die Diffusion des Silbers aus den Aussparungsbereichen 4 bzw. 4λ in die benachbarten Elektrodenschichten 3 werden Entlastungsaussparungen 6 bzw. 6λ in den Bereichen der Aussparungen 4 bzw. 4λ gebildet, wie in Figur 3 schematisch durch die gestrichelten Linien angedeutet ist.
Die die Aussparungen 4 bzw. 4λ umfassenden Aussparungsbereiche weisen aufgrund der Diffusion der elektrisch leitenden Silberpartikel eine elektrisch isolierende bzw. elektrisch nicht-leitende Eigenschaft auf, welche für eine anschließen¬ de Außenkontaktierung lediglich jeder zweiten Schicht erforderlich ist. Dadurch kann die bewährte und gängige Kontak- tierungstechnologie des Piezoaktors unverändert aufrecht er¬ halten bleiben.
Des Weiteren haften zwei benachbarte Elektrodenschichten in den Aussparungsbereichen 4 bzw. 4λ aufgrund der erzeugten Entlastungsaussparungen 6 und 6 λ in diesen Bereichen nicht aneinander, da gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in jedem der beiden diagonal gegenüberliegenden Eckbereiche nach jeder zweiten Schicht eine Trennstelle durch die aus¬ diffundierte Silberpaste erfolgt ist. Es können sich folg¬ lich bei einer Polarisierung des Piezoaktors 1 keine wesent¬ lichen mechanischen Spannungen zwischen den inaktiven Aus- sparungsbereichen 4 bzw. 4λ und den aktiven, die Elektrodenschichten 3 aufweisenden Bereichen der Piezokeramik aufbauen .
Figur 3 illustriert eine perspektivische Ansicht eines fer- tigen Piezoaktors 1, der zur elektrischen Kontaktierung an einander gegenüberliegenden Ecken streifenförmig mit einer Außenmetallisierung 8 kontaktiert ist. Aufgrund der von Ein- zelschicht zu Einzelschicht alternierenden Elektrodenstruktur erreicht ein derartiger Außenkontakt 8 nur jeweils jede zweite Elektrodenschicht, während der an der gegenüberlie¬ genden Kante befestigte Außenkontakt 8 die jeweils dazwi- sehen liegenden Elektrodenschichten kontaktiert. Somit ist eine elektrisch parallele Verschaltung der zwischen den E- lektrodenschichten liegenden piezo-elektrischen Materialschichten möglich, die einen optimalen Betrieb des Piezoak- tors 1 ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung schafft demnach einen Piezoaktor und ein Verfahren zur Herstellung desselben, wobei aufgrund der während der Sinterung erzielten Trennstellen bzw. Entlastungsaussparungen in den Bereichen der Aussparungen 4 bzw. 4λ elektrisch nicht-leitende Bereiche sowie mechanisch entlastete Bereiche zum Verhindern von mechanischen Spannungen erreicht werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird gewährleistet, dass keine neue Technologie eingeführt werden muss und keine neuen Fertigungseinrichtungen notwen- dig werden. Des Weiteren werden aufgrund der Verwendung der Silberpaste und der Silber-Palladium-Paste dem chemischen System des Piezoaktors keine neuen chemischen Verbindungen oder Elemente zugeführt, welche zu unbekannten Effekten führen könnten. Des Weiteren ist Silber verglichen zu Palladium kostengünstig, so dass zusätzliche Materialkosten unwesent¬ lich sind. Der zusätzliche Siebdruckvorgang zum Aufdrucken der Silberpaste ist verglichen zu zusätzlichen Fertigungs¬ schritten bei bisherigen Maßnahmen zur Vermeidung von Rissen einfach und kostengünstig zu bewerkstelligen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizier¬ bar .
Beispielsweise kann anstatt der Silber-Palladium-Paste eine andere Edelmetall-haltige Metallisierungspaste mit einer niedrigen Diffusionsfähigkeit der elektrisch leitenden Partikel bei einer Sinterung des Stapels verwendet werden. Des Weiteren kann auch anstelle der Silberpaste als Entlastungs¬ material eine andere Edelmetall-haltige Paste oder ein ande- res geeignetes Entlastungsmaterial mit einer sehr hohen Dif¬ fusionsfähigkeit der elektrisch leitenden Partikel bei einer Sinterung des Stapels verwendet werden. Generell ist jedes Entlastungsmaterial geeignet, welches in den Aussparungsbe¬ reichen einen elektrisch nicht-leitenden Bereich gewährleis- tet und eine Haftung zwischen benachbarten Schichten zum
Bilden einer Entlastungsaussparung bzw. eines Entlastungsbereiches verhindert.
Ferner können die Aussparungsbereiche anstelle an diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen auch innerhalb der Schichtfläche beispielsweise derart vorgesehen werden, dass Loch¬ bohrungen in Längsrichtung des Piezoaktors jeweils durch die einzelnen Aussparungsmuster verlaufen. Somit kann eine Kon- taktierung von der Außenseite des Piezoaktors zur Innenseite hin vorteilhaft verlegt werden. Beispielsweise werden geeig¬ nete Kontaktierungsmittel in die mindestens zwei Bohrungen derart eingebracht, dass wiederum lediglich jede zweite E- lektrodenschicht elektrisch kontaktiert und die dazwischen liegenden Schichten aufgrund der vorgesehenen Aussparungsbe- reiche nicht kontaktiert sind. Zusätzlich haften benachbarte Schichten in diesen Aussparungsbereichen aufgrund der Entlastungsaussparungen nicht aneinander.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors (1), mit fol¬ genden Verfahrensschritten:
Vorsehen mehrerer zu einem Stapel zusammenfügbarer piezoelektrischer Materialschichten (2);
Aufbringen von jeweils eine Aussparung (4; 4λ) aufweisen- den Elektrodenschichten (3) auf die mehreren piezoelektrischen Materialschichten (2) derart, dass sich im Stapel eine alternierende Abfolge von piezo-elektrischen Materialschichten (2) und Elektrodenschichten (3) ergibt, wobei Elektrodenschichten (3) mit einer Aussparung (4) in einem ersten Aussparungsbereich und Elektrodenschichten (3) mit einer Aussparung (4λ) in einem zweiten, sich von dem ersten Aussparungsbereich unterscheidenden Aussparungsbereich im Stapel alternierend vorgesehen werden; und
- Vorsehen eines Entlastungsmaterials (5) in den ersten und zweiten Aussparungen (4; 4λ), welches nach einer Sinterung des Stapels elektrisch isolierende und die einzelnen Mate¬ rialschichten (2) nicht zusammenhaftende Eigenschaften aufweist .
2 . Ve rfahren nach An spruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auf die mehreren piezo-elektrischen Materialschichten (2) jeweils eine Edelmetall-haltige Metallisierungspaste (3) mit einer niedrigen Diffusionsfähigkeit der elektrisch lei¬ tenden Partikel bei einer Sinterung des Stapels, beispiels¬ weise eine Silber-Palladium-haltige Paste, als Elektroden¬ schichten aufgedruckt wird.
3. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine Edelmetall-haltige Paste (5) mit einer sehr hohen Diffusionsfähigkeit der elektrisch leitenden Partikel bei einer Sinterung des Stapels, beispielsweise eine Silber¬ haltige Paste, in die Aussparungen (4; 4λ) als Entlastungs- material gedruckt wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als piezo-elektrisch Materialschichten (2) keramische Grünfolien verwendet werden.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass jede zweite Elektrodenschicht (3) im Stapel mit einer Aussparung (4) in einem ersten Eckbereich und jede dazwischen vorgesehene Elektrodenschicht (3) mit einer Aussparung (4λ) in einem dem ersten Eckbereich gegenüberliegenden zweiten Eckbereich ausgebildet werden.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Piezoaktor (1) mit mindestens zwei in Längsrichtung verlaufenden Bohrungen ausgebildet wird, wobei die Ausspa¬ rungen (4) des ersten Aussparungsbereiches im Bereich der einen Bohrung und die Aussparungen (4λ) des zweiten Aussparungsbereiches (4λ) im Bereich der anderen Bohrung im Stapel in alternierender Abfolge vorgesehen werden, wobei die Bohrungen jeweils mit einer elektrischen Kontaktierung koppelbar sind.
7. Piezoaktor (1) ,
mit mehreren zu einem Stapel zusammengefügter piezoelektrischer Materialschichten (2); und
mit Elektrodenschichten (3) , welche auf die mehreren piezoelektrischen Materialschichten (2) jeweils derart aufge- bracht sind, dass sich im Stapel eine alternierende Abfolge von piezo-elektrischen Materialschichten (2) und Elektrodenschichten (3) ergibt;
wobei Elektrodenschichten (3) mit einer Entlastungsausspa¬ rung (6) in einem ersten Aussparungsbereich und Elektrodenschichten (3) mit einer Entlastungsaussparung (6λ) in einem zweiten, sich von dem ersten Aussparungsbereich unterscheidenden Aussparungsbereich (4λ) im Stapel alternierend vorge- sehen sind.
8 . Piezoaktor ( 1 ) nach Anspruch 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Elektrodenschichten (3) aus einer Edelmetall- haltigen Metallisierungspaste mit einer niedrigen Diffusi¬ onsfähigkeit der elektrisch leitenden Partikel bei einer Sinterung des Stapels, beispielsweise aus einer Silber- Palladium-haltigen Paste, bestehen.
9. Piezoaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , dass die mehreren piezo-elektrischen Materialschichten (2) als keramische Grünfolien ausgebildet sind.
10. Piezoaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass jede zweite Elektrodenschicht (3) im Stapel eine Ent¬ lastungsaussparung (6) in einem ersten Eckbereich und jede dazwischen vorgesehene Elektrodenschicht (3) eine Entlas- tungsaussparung (6λ) in einem dem ersten Eckbereich gegenüberliegenden zweiten Eckbereich aufweist.
11. Piezoaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass der Piezoaktor (1) mindestens zwei in Längsrichtung verlaufende Bohrungen aufweist, wobei Entlastungsaussparungen (6) im Bereich der einen Bohrung und Entlastungsausspa- rungen (6λ) im Bereich der anderen Bohrung im Stapel in alternierender Abfolge vorgesehen sind, wobei die Bohrungen mit einer elektrischen Kontaktierung koppelbar sind.
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