WO2012041854A1 - Piezoelektrisches vielschichtbauelement und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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ceramic
piezoelectric
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric multilayer component, which is provided with a passivation, the life of the device even at
  • Piezoelectric multilayer components in particular multi-layer piezoactuators, are as a series of piezoelectric ceramic layers and metallic internal electrodes, in
  • the internal electrodes extend to a surface of the component, so that on the outside of the piezo stack due to the usually occurring high electric field strengths (typically 2 kV / mm) to electrical flashovers between internal electrodes, which are at different electrical potential come can.
  • the piezo stack is provided with a passivation, which can in particular form an envelope of the piezo stack.
  • the dielectric strength of the material of the passivation must be greater than the occurring electric field strengths, and this property must be maintained for all operating conditions of the device over the entire service life.
  • the passivation should protect the component against external influences (for example against penetrating substances).
  • the operation of the piezo actuator also places high demands on the mechanical properties of the passivation.
  • a passivation with the required properties can be made of ceramic material, which has a high Has dielectric strength and provides good protection of the piezo stack against external influences. In order to maintain the required properties, it is important that the passivation during operation of the component is not damaged and no cracks.
  • the piezo stack is polarized in the manufacture of the device to impress him a remanent polarization. This results in an elongation of the piezo stack. During operation of a piezo actuator, the piezo stack is stretched again.
  • the passivation during polarization of the piezo stack is also polarized by the electrical stray fields occurring at the edges of the internal electrodes. This causes the passivation during operation of the piezo actuator is stretched together with the piezo stack - but not as strong as the piezo stack - and the tensile stress built up in the passivation is lower than without stretching the passivation.
  • a prerequisite for this is that the passivation is only about as thick as a single ceramic layer of the piezo stack and therefore can be sufficiently polarized. However, the protection afforded by the passivation may be insufficient because of the small thickness.
  • the object of the present invention is to specify a possibility, such as a piezoelectric multilayer component can be effectively protected against cracking and external influences.
  • the piezoelectric multilayer component has a piezoelectric stack with an alternating sequence of piezoelectric ceramic layers and internal electrodes and a passivation on an outer side.
  • the material of the passivation is a piezoelectric ceramic and of the material of
  • the ceramic of the passivation has a lower electrical coercive field strength than the ceramic layers of the piezo stack.
  • the electric coercive field strength is the electric field strength which is necessary to eliminate a polarization of a ferroelectric.
  • a material having a low coercive electric field strength is easier to polarize than a material having a higher coercive electric field strength.
  • the stray electric fields emanating from the edges of the internal electrodes decrease sharply with increasing distance from the internal electrodes. If for the passivation one
  • the passivation can also be at a greater distance from the Internal electrodes are polarized by the relatively weak electrical stray fields. As a result, a continuous polarization is achieved even with a relatively thick passivation, and the passivation is similarly stretched during operation of the component as the piezo stack.
  • Passivation of such a material may therefore be much thicker than a single ceramic layer of the piezo stack.
  • a thicker passivation provides a entspre ⁇ accordingly better protection. It also leaves a thicker one
  • the ceramic of the passivation is such that it is stretched by polarizing stronger and retains due to the remanent polarization a greater elongation than the material of the ceramic ⁇ layers of the piezoelectric stack under the same conditions of polarization, in particular the same polarizing electric field strength. Since the passivation is fixedly connected to the piezoelectric stack ⁇ and does not expand more than the piezo-stack, acting in the longitudinal direction of the component compressive stress is built up in the passivation at the common polarization. A tensile stress, which arises in the passivation, when the piezo stack is stretched in the operation of the device in the longitudinal direction, is therefore reduced by this compressive stress.
  • the passivation therefore has a compressive stress in a longitudinal direction defined by the sequence of ceramic layers and internal electrodes of the piezo stack, which is retained due to the firm connection of the passivation with the piezo stack and a tensile stress which occurs when the piezo stack is stretched in the longitudinal direction the passivation is exercised, at least partially compensated.
  • the passivation has a thickness which is greater than one and a half times the thickness of a single one of the ceramic layers of the piezo stack.
  • Multilayer component a piezo stack, which has an age ⁇ ning sequence of piezoelectric ceramic layers and internal electrodes, provided with a passivation having a different from the material of the ceramic layers of the piezoelectric stack piezoelectric ceramic.
  • the passivation is polarized together with the ceramic layers of the piezo stack.
  • a ceramic is used for the passivation, which has a lower electrical Koer zitivfeidGood than the material of Keramikschich ⁇ th of the piezo stack. If the passivation is polarized together with the ceramic layers of the piezo stack, the polarization is impressed throughout the passivation.
  • the ceramic of the passivation is chosen so that it is stretched more strongly than the piezo stack when impressing a polarization.
  • the passivation is firmly connected to the piezo stack, and the passivation is in the longitudinal direction of the piezo stack defined by the alternating sequence of piezoelectric ceramic layers and internal electrodes
  • the passivation ⁇ vation is manufactured in a thickness which is greater than one and a half times the thickness of an individual of the ceramic layers of the piezoelectric stack.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a
  • FIG. 2 shows a section from a cross section through a multilayer component according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a piezoelectric multilayer component with a piezo stack 1, which is constructed from piezoelectric ceramic layers 2. Between two successive in the piezo stack 1 following ceramic layers 2 each represents an internal electrode 5, 6 is arranged so that the piezo stack 1 an alternating sequence of ceramic layers 2 and internal electrode 5 ⁇ containing. 6 The internal electrodes 5, 6 are alternately connected in their sequence with one of two external electric ⁇ the 3, 4.
  • the outer electrodes 3, 4 may be pulled around the respective edges of the piezo stack 1, for example.
  • other external electrodes can be provided.
  • the arrangement shown in FIG. 1 is particularly expedient for a piezoactuator which is stretched during operation in the longitudinal direction 11, which is determined by the alternating sequence of the ceramic layers 2 and internal electrodes 5, 6.
  • the ceramic layers 2 of the piezo stack 1 are polarized.
  • the ceramic layers 2 are given a remanent polarization. imprinted whose direction is reversed from a ceramic layer 2 to the next ceramic layer 2 respectively.
  • a passivation 7 with a thickness 8 covers at least a portion of the outer sides of the piezo stack 1, in the example of Figure 1 all not covered by the outer electrodes 3, 4 outer sides of the piezo stack 1.
  • Thickness 8 be greater than the thickness of a single ceramic layer 2 of the piezoelectric stack 1, in particular greater than one and a half times the thickness of a single ceramic layer. 2
  • FIG. 2 shows a detail of a cross section through the component of FIG. 1 in a plane coplanar with the areal expansions of the external electrodes 3, 4.
  • FIG. 2 shows five of the internal electrodes 5, 6 which are arranged between ceramic layers 2 of the piezo stack 1.
  • the outer electrodes 3, 4 are located at a distance from the plane of the cross section in front of and behind the drawing plane.
  • Figure 2 also shows a section of the cross ⁇ section of which are arranged on an outer side of the piezo stack 1 passivation 7 with the thickness of 8. in the polarization of the piezo stack 1 and operation of the electric field 9 Bauele ⁇ mentes generated with the vertically aligned indicated by parallel arrows.
  • the curved arrows within the cross section of the passivation 7 indicate the lateral stray field. If the same ceramic material as for the ceramic layers 2 of the piezo stack 1 is used for the passivation 7, an effective remanent polarization of the passivation 7 can be achieved, for example, only up to the dashed line. If a piezoelectric ceramic having a significantly lower electric coercive field strength is used instead of the passivation, a continuous polarization is used reached in the most distant from the piezo stack 1 areas of passivation 7. Due to the remanent polarization, the passivation 7 thus also experiences a certain elongation in the longitudinal direction 11 of the piezo stack 1 throughout its thickness 8. Any mechanical stresses which may occur in the interior of the passivation 7 can be avoided in this way or are at least significantly less than when using a ceramic with higher electrical coercive field strength.
  • the material of the passivation 7 is selected such that the remanent polarization present after the common polarization of the ceramic layers 2 of the piezo stack 1 and the passivation 7 produces a sufficiently large compressive stress in the passivation 7.
  • Such compressive stress is generated when the materials are chosen such that the strain resulting from a remanent polarization present after polarization in the passivation material 7 is greater than the strain resulting from remanent polarization. which is present after polarization by means of the same electric field strength in the material of the ceramic layers 2.
  • the passivation 7 Since the passivation 7 is fixedly connected to the piezo stack 1, the actual strains of the piezo stack 1 and the passivation 7 coincide, although they would have to be different due to the different material properties.
  • the too small elongation of the passivation 7 forced by the piezo stack 1 is the cause of a compressive stress occurring in the passivation 7, which acts in the longitudinal direction 11 of the component.
  • the piezo stack ⁇ 1 in the operation of the component is stretched more due to the under ⁇ differently strong polarization of the ceramic layers 2 and the passivation 7, which is so polarized only through the lateral stray fields than the Passivation 7, a tensile stress caused thereby by the initial compressive stress of the passivation 7 is at least partially compensated. In this way, the mechanical stress occurring in the passivation 7 can be kept below a critical limit for the mechanical strength of the component.
  • a further advantage of the piezoelectric multilayer component is that the ceramic material of the passivation 7 can be optimized taking into account properties which are of minor importance for the conversion of an electrical voltage into a mechanical stroke and can therefore be changed without the function of the component is impaired.
  • a thus formed with piezoelectric ceramic passivation is thus effective to increase the robustness of the Bauelemen ⁇ tes to mechanical stresses.
  • Such a passivation can be used in various types of piezoelectric multilayer components, in particular multi-layer piezo actuators, regardless of design, material, design of the internal electrodes, design of the external electrodes or other types of external contacts and special properties of the piezo stack to the robustness and resistance of the Improve component.

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Abstract

Das piezoelektrische Vielschichtbauelement weist einen Piezostapel (1) mit einer alternierenden Abfolge von piezoelektrischen Keramikschichten (2) und Innenelektroden (5, 6) sowie eine Passivierung (7) auf einer Außenseite auf. Die Passivierung wird aus einer piezoelektrischen Keramik, die von dem Material der Keramikschichten verschieden ist, hergestellt. Bei dem Herstellungsverfahren wird die Passivierung zusammen mit den Keramikschichten polarisiert

Description

Beschreibung
Piezoelektrisches Vielschichtbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement, das mit einer Passivierung versehen ist, die die Lebensdauer des Bauelementes auch bei
mechanischer Beanspruchung wirkungsvoll verlängert.
Piezoelektrische Vielschichtbauelemente, insbesondere Multi- lagen-Piezoaktuatoren, sind als Abfolge piezoelektrischer Keramikschichten und metallischer Innenelektroden, im
Folgenden als Piezostapel bezeichnet, aufgebaut. Bei einer herkömmlichen Ausgestaltung reichen die Innenelektroden bis zu einer Oberfläche des Bauelementes, so dass es an der Außenseite des Piezostapels infolge der üblicherweise auftretenden hohen elektrischen Feldstärken (typisch 2 kV/mm) zu elektrischen Überschlägen zwischen Innenelektroden, die auf unterschiedlichem elektrischem Potenzial liegen, kommen kann. Um das zu vermeiden, wird der Piezostapel mit einer Passivierung versehen, die insbesondere eine Umhüllung des Piezostapels bilden kann. Die Durchschlagsfestigkeit des Materials der Passivierung muss größer sein als die auftre- tenden elektrischen Feldstärken, und diese Eigenschaft muss für alle Betriebszustände des Bauelementes über die gesamte Einsatzdauer hinweg erhalten bleiben. Außerdem sollte die Passivierung das Bauelement gegen Einflüsse von außen (zum Beispiel gegen eindringende Substanzen) schützen. Der Betrieb des Piezoaktuators stellt zudem hohe Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der Passivierung.
Eine Passivierung mit den geforderten Eigenschaften kann aus keramischem Material hergestellt werden, das eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist und einen guten Schutz des Piezostapels gegen äußere Einflüsse bietet. Damit die geforderten Eigenschaften erhalten bleiben, ist es wichtig, dass die Passivierung im Betrieb des Bauelementes nicht beschädigt wird und keine Risse bekommt.
Der Piezostapel wird bei der Herstellung des Bauelementes polarisiert, um ihm eine remanente Polarisation einzuprägen. Daraus resultiert eine Dehnung des Piezostapels. Im Betrieb eines Piezoaktuators wird der Piezostapel nochmals gedehnt.
Wegen der festen Verbindung zwischen der Passivierung und dem Piezostapel werden die Dehnungen des Piezostapels auf die Passivierung übertragen, so dass darin eine Zugspannung aufgebaut wird. Wenn die Zugspannung einen Grenzwert
überschreitet, bilden sich Risse in der Passivierung.
Wenn als Passivierung dasselbe keramische Material vorgesehen wird wie für die Keramikschichten des Piezostapels, wird die Passivierung während der Polarisierung des Piezostapels durch die an den Kanten der Innenelektroden auftretenden elektrischen Streufelder ebenfalls polarisiert. Das bewirkt, dass die Passivierung im Betrieb des Piezoaktuators zusammen mit dem Piezostapel gedehnt wird - allerdings nicht so stark wie der Piezostapel - und die in der Passivierung aufgebaute Zugspannung geringer ist als ohne Dehnung der Passivierung. Eine Voraussetzung hierfür ist, dass die Passivierung nur etwa höchstens so dick ist wie eine einzelne Keramikschicht des Piezostapels und daher ausreichend polarisiert werden kann. Der durch die Passivierung bewirkte Schutz kann wegen der geringen Dicke jedoch unzureichend sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, wie ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement wirkungsvoll gegen Rissbildung und äußere Einflüsse geschützt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem piezoelektrischen Vielschichtbau- element mit den Merkmalen des Anspruches 1 beziehungsweise mit dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelementes mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen .
Das piezoelektrische Vielschichtbauelement weist einen Piezo- stapel mit einer alternierenden Abfolge von piezoelektrischen Keramikschichten und Innenelektroden sowie eine Passivierung auf einer Außenseite auf. Das Material der Passivierung ist eine piezoelektrische Keramik und von dem Material der
Keramikschichten des Piezostapels verschieden.
Bei Ausführungsbeispielen des Bauelementes weist die Keramik der Passivierung eine geringere elektrische Koerzitivfeld- stärke auf als die Keramikschichten des Piezostapels. Die elektrische Koerzitivfeidstärke ist diejenige elektrische Feldstärke, die nötig ist, um eine Polarisation eines Ferro- elektrikums zu beseitigen. Je größer die elektrische Koerzi¬ tivfeidstärke ist, desto besser behält das Ferroelektrikum seine Polarisation und die damit bewirkte piezoelektrische Eigenschaft. Ein Material mit einer niedrigen elektrischen Koerzitivfeidstärke lässt sich leichter polarisieren als ein Material mit einer höheren elektrischen Koerzitivfeidstärke . Die von den Rändern der Innenelektroden ausgehenden elektrischen Streufelder nehmen mit zunehmendem Abstand von den Innenelektroden stark ab. Wenn für die Passivierung ein
Material geringer elektrischer Koerzitivfeidstärke verwendet wird, kann die Passivierung auch in größerem Abstand von den Innenelektroden durch die relativ schwachen elektrischen Streufelder polarisiert werden. Dadurch wird auch bei einer relativ dicken Passivierung eine durchgehende Polarisation erreicht, und die Passivierung wird im Betrieb des Bauele- mentes ähnlich stark gedehnt wie der Piezostapel. Eine
Passivierung aus einem derartigen Material darf deshalb wesentlich dicker sein als eine einzelne Keramikschicht des Piezostapels. Eine dickere Passivierung bietet einen entspre¬ chend besseren Schutz. Außerdem lässt sich eine dickere
Passivierung einfacher herstellen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Keramik der Passivierung so beschaffen, dass sie durch Polarisieren stärker gedehnt wird und aufgrund der remanenten Polarisation eine stärkere Dehnung beibehält als das Material der Keramik¬ schichten des Piezostapels unter gleichen Bedingungen der Polarisierung, insbesondere derselben polarisierenden elektrischen Feldstärke. Da die Passivierung fest mit dem Piezo¬ stapel verbunden ist und sich nicht stärker dehnt als der Piezostapel, wird bei der gemeinsamen Polarisierung eine in der Längsrichtung des Bauelementes wirkende Druckspannung in der Passivierung aufgebaut. Eine Zugspannung, die in der Passivierung entsteht, wenn der Piezostapel im Betrieb des Bauelementes in der Längsrichtung gedehnt wird, ist daher um diese Druckspannung vermindert. Eine mechanische Beschädigung der Passivierung kann dadurch vermieden werden. Bei diesen Ausführungsbeispielen weist die Passivierung daher in einer durch die Abfolge von Keramikschichten und Innenelektroden des Piezostapels definierten Längsrichtung eine Druckspannung auf, die aufgrund der festen Verbindung der Passivierung mit dem Piezostapel erhalten bleibt und eine Zugspannung, die bei einer Dehnung des Piezostapels in der Längsrichtung auf die Passivierung ausgeübt wird, zumindest teilweise kompensiert. Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist die Passivierung eine Dicke auf, die größer ist als das Eineinhalbfache der Dicke einer einzelnen der Keramikschichten des Piezostapels . Bei dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Vielschichtbauelementes wird ein Piezostapel, der eine alter¬ nierende Abfolge von piezoelektrischen Keramikschichten und Innenelektroden aufweist, mit einer Passivierung versehen, die eine von dem Material der Keramikschichten des Piezo- Stapels verschiedene piezoelektrische Keramik aufweist. Die Passivierung wird zusammen mit den Keramikschichten des Piezostapels polarisiert.
Bei Ausgestaltungen des Verfahrens wird für die Passivierung eine Keramik verwendet, die eine geringere elektrische Koer- zitivfeidstärke aufweist als das Material der Keramikschich¬ ten des Piezostapels. Wenn die Passivierung zusammen mit den Keramikschichten des Piezostapels polarisiert wird, wird der Passivierung durchgehend eine Polarisation eingeprägt.
Bei weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird die Keramik der Passivierung so gewählt, dass sie bei Einprägen einer Polarisation stärker als der Piezostapel gedehnt wird. Die Passivierung wird mit dem Piezostapel fest verbunden, und die Passivierung wird in der durch die alternierende Abfolge von piezoelektrischen Keramikschichten und Innenelektroden definierten Längsrichtung des Piezostapels mit einer
Druckspannung versehen, wenn die Passivierung zusammen mit den Keramikschichten des Piezostapels polarisiert wird.
Bei weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird die Passi¬ vierung in einer Dicke hergestellt, die größer ist als das Eineinhalbfache der Dicke einer einzelnen der Keramikschichten des Piezostapels. Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes und des
Herstellungsverfahrens anhand der beigefügten Figuren. Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines
piezoelektrischen Vielschichtbauelementes .
Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch ein Vielschichtbauelement gemäß der Figur 1.
Die Figur 1 zeigt ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement mit einem Piezostapel 1, der aus piezoelektrischen Keramikschichten 2 aufgebaut ist. Zwischen zwei in dem Piezostapel 1 aufeinander folgenden Keramikschichten 2 ist jeweils eine Innenelektrode 5, 6 angeordnet, so dass der Piezostapel 1 eine alternierende Abfolge aus Keramikschichten 2 und Innen¬ elektroden 5, 6 enthält. Die Innenelektroden 5, 6 sind in ihrer Abfolge abwechselnd mit je einer von zwei Außenelektro¬ den 3, 4 verbunden. In dem dargestellten Beispiel der Figur 1 befindet sich eine erste Außenelektrode 3 auf einer Außen¬ seite des Piezostapels 1 und eine zweite Außenelektrode 4 auf der gegenüberliegenden Außenseite des Piezostapels 1. Statt dessen sind andere Ausgestaltungen möglich; insbesondere können die Außenelektroden 3, 4 zum Beispiel um die jeweili- gen Kanten des Piezostapels 1 herumgezogen sein. Außerdem können weitere Außenelektroden vorgesehen werden.
Die in der Figur 1 dargestellte Anordnung ist insbesondere zweckmäßig für einen Piezoaktuator, der im Betrieb in der Längsrichtung 11, die durch die alternierende Abfolge der Keramikschichten 2 und Innenelektroden 5, 6 bestimmt ist, gedehnt wird. Bei der Herstellung eines solchen Bauelementes werden die Keramikschichten 2 des Piezostapels 1 polarisiert. Dadurch wird den Keramikschichten 2 eine remanente Polarisa- tion eingeprägt, deren Richtung sich von einer Keramikschicht 2 zu der nächsten Keramikschicht 2 jeweils umkehrt. Eine Passivierung 7 mit einer Dicke 8 bedeckt zumindest einen Anteil der Außenseiten des Piezostapels 1, in dem Beispiel der Figur 1 sämtliche nicht von den Außenelektroden 3, 4 bedeckten Außenseiten des Piezostapels 1. Bei Verwendung einer geeigneten piezoelektrischen Keramik als Material der Passivierung 7 darf deren Dicke 8 größer sein als die Dicke einer einzelnen Keramikschicht 2 des Piezostapels 1, ins- besondere größer als das Eineinhalbfache der Dicke einer einzelnen Keramikschicht 2.
Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch das Bauelement der Figur 1 in einer zu den flächigen Ausdehnungen der Außenelektroden 3, 4 koplanaren Ebene. In der Figur 2 sind fünf der Innenelektroden 5, 6 dargestellt, die zwischen Keramikschichten 2 des Piezostapels 1 angeordnet sind. Die Außenelektroden 3, 4 befinden sich in einem Abstand zu der Ebene des Querschnitts vor und hinter der Zeichen- ebene. Die Figur 2 zeigt auch einen Ausschnitt des Quer¬ schnitts durch die auf einer Außenseite des Piezostapels 1 angeordneten Passivierung 7 mit der Dicke 8. Das bei der Polarisierung des Piezostapels 1 und im Betrieb des Bauele¬ mentes erzeugte elektrische Feld 9 ist mit den vertikal ausgerichteten parallelen Pfeilen angedeutet. Die gebogenen Pfeile innerhalb des Querschnitts der Passivierung 7 deuten das seitliche Streufeld an. Wenn für die Passivierung 7 dasselbe keramische Material wie für die Keramikschichten 2 des Piezostapels 1 verwendet wird, kann eine wirkungsvolle remanente Polarisation der Passivierung 7 zum Beispiel nur bis zu der gestrichelten Linie erreicht werden. Wenn für die Passivierung statt dessen eine piezoelektrische Keramik verwendet wird, die eine deutlich niedrigere elektrische Koerzi- tivfeidstärke aufweist, wird eine durchgehende Polarisation auch in den von dem Piezostapel 1 am weitesten beabstandeten Bereichen der Passivierung 7 erreicht. Aufgrund der remanen- ten Polarisation erfährt somit auch die Passivierung 7 durchgehend in ihrer ganzen Dicke 8 eine gewisse Dehnung in der Längsrichtung 11 des Piezostapels 1. Im Inneren der Passivierung 7 möglicherweise auftretende mechanische Spannungen können auf diese Weise vermieden werden oder sind zumindest deutlich geringer als bei Verwendung einer Keramik mit höherer elektrischer Koerzitivfeidstärke .
Ein weiterer Vorteil wird erreicht, wenn das Material der Passivierung 7 so gewählt wird, dass die nach der gemeinsamen Polarisierung der Keramikschichten 2 des Piezostapels 1 und der Passivierung 7 vorhandene remanente Polarisation eine ausreichend große Druckspannung in der Passivierung 7 erzeugt. Eine derartige Druckspannung wird erzeugt, wenn die Materialien so gewählt sind, dass die Dehnung, die aus einer remanenten Polarisation resultiert, die nach einer Polarisierung in dem Material der Passivierung 7 vorhanden ist, größer ist als die Dehnung, die aus einer remanenten Polarisation resultiert, die nach einer Polarisierung mittels derselben elektrischen Feldstärke in dem Material der Keramikschichten 2 vorhanden ist. Da die Passivierung 7 fest mit dem Piezostapel 1 verbunden ist, stimmen die tatsächlichen Dehnungen des Piezostapels 1 und der Passivierung 7 überein, obwohl sie aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften verschieden sein müssten. Die durch den Piezostapels 1 erzwungene zu geringe Dehnung der Passivierung 7 ist die Ursache für eine in der Passivierung 7 auftretende Druckspannung, die in der Längsrichtung 11 des Bauelementes wirkt. Wenn der Piezo¬ stapel 1 im Betrieb des Bauelementes aufgrund der unter¬ schiedlich starken Polarisation der Keramikschichten 2 und der Passivierung 7, die ja nur durch die seitlichen Streufelder polarisiert wird, stärker gedehnt wird als die Passivierung 7, wird eine dadurch hervorgerufene Zugspannung durch die anfängliche Druckspannung der Passivierung 7 zumindest teilweise kompensiert. Auf diese Weise kann die in der Passivierung 7 auftretende mechanische Spannung unterhalb einer für die mechanische Belastbarkeit des Bauelementes kritischen Grenze gehalten werden.
Ein weiterer Vorteil des piezoelektrischen Vielschichtbauele- mentes ist, dass das keramische Material der Passivierung 7 unter Berücksichtigung von Eigenschaften optimiert werden kann, die für die Umwandlung einer elektrischen Spannung in einen mechanischen Hub von untergeordneter Bedeutung sind und daher geändert werden können, ohne dass die Funktion des Bauelementes beeinträchtigt wird. Eine auf diese Weise mit piezoelektrischer Keramik ausgebildete Passivierung dient somit wirkungsvoll zur Erhöhung der Robustheit des Bauelemen¬ tes gegenüber mechanischen Beanspruchungen. Eine derartige Passivierung kann bei verschiedenen Typen piezoelektrischer Vielschichtbauelemente, insbesondere bei Multilagen-Piezo- aktuatoren, unabhängig von Design, Material, Ausgestaltung der Innenelektroden, Ausgestaltung der Außenelektroden oder anderer Arten von Außenkontakten und besonderer Eigenschaften des Piezostapels eingesetzt werden, um die Robustheit und Widerstandsfähigkeit des Bauelementes zu verbessern.
Bezugs zeichenliste
1 Piezostapel
2 Keramikschicht
3 erste Außenelektrode
4 zweite Außenelektrode
5 mit der ersten Außenelektrode verbundene Innenelektrode
6 mit der zweiten Außenelektrode verbundene Innenelektrode
7 Passivierung
8 Dicke
9 elektrisches Feld zwischen Innenelektroden
10 elektrisches Streufeld am Rand der Innenelektroden
11 Längsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement mit
- einem Piezostapel (1), der eine alternierende Abfolge von piezoelektrischen Keramikschichten (2) und
Innenelektroden (5, 6) aufweist, und
- einer Passivierung (7) auf einer Außenseite des
Piezostapels (1),
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Material der Passivierung (7) eine piezoelektrische
Keramik und von dem Material der Keramikschichten (2) des Piezostapels (1) verschieden ist.
2. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Keramik der Passivierung (7) eine geringere elektrische Koerzitivfeidstärke aufweist als die
Keramikschichten (2) des Piezostapels (1) .
3. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem
die Passivierung (7) durchgehend polarisiert ist.
4. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
die Keramik der Passivierung (7) so beschaffen ist, dass sie durch Einprägen einer Polarisierung stärker gedehnt wird als das Material der Keramikschichten (2) des
Piezostapels (1) .
5. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem
die Passivierung (7) in einer durch die Abfolge von
Keramikschichten (2) und Innenelektroden (5, 6)
definierten Längsrichtung (11) des Piezostapels (1) eine Druckspannung aufweist, die aufgrund einer festen Verbindung der Passivierung (7) mit dem Piezostapel (1) erhalten bleibt und eine bei einer Ausdehnung des Piezostapels
(1) in der Längsrichtung (11) auf die Passivierung (7) ausgeübte Zugspannung zumindest teilweise kompensiert.
Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
die Passivierung (7) eine Dicke aufweist, die größer ist als das Eineinhalbfache der Dicke einer einzelnen der Keramikschichten (2) des Piezostapels (1) .
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Vielschichtbauelementes , bei dem
ein Piezostapel (1), der eine alternierende Abfolge von piezoelektrischen Keramikschichten (2) und Innenelektroden (5, 6) aufweist, mit einer Passivierung (7) versehen wird, die eine von dem Material der Keramikschichten (2) des Piezostapels (1) verschiedene piezoelektrische
Keramik aufweist, und
die Passivierung (7) zusammen mit den Keramikschichten
(2) des Piezostapels (1) polarisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem
die Keramik der Passivierung (7) eine geringere elektrische Koerzitivfeidstärke aufweist als das Material der Keramikschichten (2) des Piezostapels (1) und
der Passivierung (7) durchgehend eine Polarisation eingeprägt wird, wenn die Passivierung (7) zusammen mit den Keramikschichten (2) des Piezostapels (1) polarisiert wird .
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem
die Keramik der Passivierung (7) so gewählt wird, dass sie bei Einprägen einer Polarisation stärker als der Piezostapel (1) gedehnt wird,
die Passivierung (7) mit dem Piezostapel (1) fest
verbunden wird und
die Passivierung (7) in einer durch die alternierende Abfolge von piezoelektrischen Keramikschichten (2) und Innenelektroden (5, 6) definierten Längsrichtung (11) des Piezostapels (1) mit einer Druckspannung versehen wird, wenn die Passivierung (7) zusammen mit den Keramikschichten (2) des Piezostapels (1) polarisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Passivierung (7) in einer Dicke hergestellt wird, die größer ist als das Eineinhalbfache der Dicke einer einzelnen der Keramikschichten (2) des Piezostapels (1) .
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