WO2013041344A1 - Piezoelektrisches aktorbauelement - Google Patents

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WO2013041344A1
WO2013041344A1 PCT/EP2012/066913 EP2012066913W WO2013041344A1 WO 2013041344 A1 WO2013041344 A1 WO 2013041344A1 EP 2012066913 W EP2012066913 W EP 2012066913W WO 2013041344 A1 WO2013041344 A1 WO 2013041344A1
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slooa
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stack
sloob
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Silvia DERNOVSEK
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Epcos Ag
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    • 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
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
    • 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
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/06—Forming electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/063—Forming interconnections, e.g. connection electrodes of multilayered piezoelectric or electrostrictive parts

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric actuator component with a connection contact for applying a voltage to the actuator component. Furthermore, the invention relates to a method for producing a piezoelectric Aktorbauelements with a terminal contact for applying a voltage to the Aktorbauelement.
  • a piezoelectric Aktorbauelement has a stack of ceramic material comprising in a stacking direction stacked piezoelectric layers, between which see electrode layers are arranged. To operate the Aktorbauelements can in the stack every second
  • Electrode layer to a first voltage potential and each intermediate electrode layer are applied to a different ⁇ denes second voltage potential. As a result of the applied voltage, the actuator device is displaced in the stacking direction of the piezoelectric layers ⁇ .
  • a con- takt istselement for example a pin or pin contact, may be provided, which is connected via wires relationship ⁇ as a wire mesh with an outer electrode.
  • the outer electrode may be disposed along a side surface of the actuator and connected to every other electrode layer of the stack.
  • thermoelectric loading during cyclic deflection of piezoelectric actuators, for example those actuators used in injection technology, occurs in an application, a high thermal relationship ⁇ mechanical stress on a connection between the external contact and the ceramic material of the stack and / or on a connection between the Jardinkontak- tion and the wires connected thereto.
  • the permanent loading may result in fatigue and / or local detachment of the terminal contacting from the stack and / or cracks in the terminal connection.
  • the required life cycles of, for example, 10 8 to more than twice 10 9 cycles can not be achieved.
  • a piezoelectric actuator component with a connection contact adapted to a load case to the outer metallization and with a contact element for supplying voltage to the actuator. Furthermore, a method for producing such a piezoelectric actuator component is to be specified.
  • An embodiment of a piezoelectric Aktorbauelements comprises a stack of piezoelectric layers and electrode layers respectively arranged between them, wherein the stack has a first side surface and one of the first Soflä ⁇ che opposite second side surface.
  • the building ⁇ element comprises at least one metallic layer which is arranged on the side surface of the stack and with the
  • Electrode layers is contacted, a plurality of wires and at least one contacting element for applying ei ⁇ ner voltage to the Aktorbauelement.
  • Each of the wires is connected to the at least one metallic layer and to the at least one contacting element.
  • the wires are formed such that the at least one Kunststofftechniksele ⁇ ment in a space between a first plane in which the first side surface is located, and a second plane, the paral lel ⁇ to the first plane and closer to the first side surface as is located on the second side surface, wherein the second side surface is disposed closer to the first plane than to the second plane.
  • the piezoelectric component allows a voltage-controlled wire contacting, wherein the wires beispielswei ⁇ se by a winding bonding or adhesive technology to the at least one metallic layer, which is arranged as concentratemetallisie ⁇ tion on the first side surface of the stack can be attached. Simultaneously with the DrahtWalletie ⁇ tion to the outer metallization of the stack, a contact of the wires contacting the at least one Needles istsele ⁇ ment done. Connecting the wires to the PLEASE CONTACT ⁇ insurance element can also be done by winding -Bond- or bonding technique. The wires can run along their entire
  • the first side surface of the device has longitudinal and lateral edges, wherein the side edges are shorter than the
  • the wires can be in one
  • the wire bonding to the metallic layer or to the contacting element can be performed from high strength to flexible, whereby different load cases can be realized with high life cycles.
  • the material and process parameters for performing the wire bonding for example, an angle in which the wires between the metallic layer ofappelmetallisie ⁇ tion and the contacting are arranged with respect to a plane of the piezoelectric layers, the mechanical stress of the wire and the length, the material the Fes ⁇ ACTION and the thickness of the wire and the number of Wires, can be selected in a wide range and thus allow a high degree of ruggedness in the application. Therefore, the piezoelectric Aktorbauelement allows adapted to the load case connection contact to the outer metallization and a contacting option to amaschine ists- element for powering the actuator.
  • the Aktorbauelement can be realized in a variety of geometric shapes.
  • the piezoelectric AK- can torbauelement an area of 2 x 2 mm to more than 40 x 40 mm, especially 7 x 7 mm, and a length of 5 mm to more than 250 mm, in particular a length of 30 mm, aufwei ⁇ sen.
  • a method for producing a piezoelectric actuator component comprises providing a stack of pie ⁇ zoelektrischen layers each having disposed therebetween electrode layers, wherein the stack has a first side surface and a first side surface opposite the second side surface. On the first side surface of the Sta ⁇ pels at least one metallic layer is arranged and the electrode layers are contacted with the at least one metallic layer.
  • the at least one metalli ⁇ cal layer is connected to a plurality of wires and the plurality of wires is connected to at least one contacting t istselement for applying a voltage to the Aktorbaue ⁇ device.
  • the wires are formed such that the at least one contacting element in a space between a first plane in which the first side surface is located and a second plane which is parallel to the first plane and nä ⁇ forth on the first side surface than to the second side surface is disposed, wherein the second side surface is arranged nä ⁇ forth at the first level than at the second level.
  • Figure 1 shows an embodiment of a piezoelectric
  • FIG. 2A shows a side view of an embodiment of a piezoelectric actuator component
  • Figure 2B is a plan view of the embodiment of the piezo-electric ⁇ Aktorbauelements
  • FIG. 3A shows a side view of a further embodiment of a piezoelectric actuator component
  • FIG. 3B shows a top view of the further embodiment of the piezoelectric actuator component
  • FIG. 4A shows a side view of a further embodiment of a piezoelectric actuator component
  • FIG. 4B shows a plan view of the further embodiment of the piezoelectric actuator component
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a piezoelectric actuator component.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a stack 100 of a piezoelectric Aktorbauelements of piezoelectric layers 10, between which electrode layers 20 and 21 are arranged.
  • the ceramic magnet is terialstapel formed cuboid.
  • the piezoelectric layers are arranged in mutually parallel planes E5 and stacked one above the other in a stacking direction Z.
  • a second voltage potential can be applied to every other of the electrode layers, for example to the electrode layers 20, a first voltage potential and the intervening electrode layers, for example the electrode layers 21.
  • the electrode layers 20 extend, for example, from one side face SlOOa of the stack into the stack 100 and terminate at least a distance ID away from the opposite side face SlOOb in the stack.
  • the lying between the electrode layers 20 electrode layers 21 may extend into the Sta ⁇ pel 100 extending from the side surface SlOOb, wherein the electrode layers 21 forming at least at a distance away from the side face ID SlOOa.
  • the isolation zones 60 and 61 thus extend in the stack between the respective side surfaces SlOOa and SlOOb and the ends of the electrode layers 20 and 21 over the entire width B of the actuator.
  • FIG. 2A shows a side view of an embodiment 1 of a piezoelectric actuator component with the layer stack 100 shown in FIG. 1. Shown is the contacting of the side surface SLOOa. The contacting of the side surface SlOOb takes place in a similar manner.
  • a metallic layer 30 is arranged along the longitudinal direction of the actuator closer to the longitudinal edges LK1 than to the longitudinal edge LK2.
  • the electrode layers 20 are contacted with the metalli ⁇ rule layer 30th
  • a contacting element 50 is provided, which is arranged closer to the longitudinal edge LK2 than to the longitudinal edge LK1.
  • the piezoelectric Aktorbauele ⁇ ment further comprises a plurality of wires 40. Each of the wires 40 is connected to the metallic layer 30 and to the contacting element 50.
  • Thetechnischianss ⁇ element 50 may, for example, as a pin relate hung, be formed as a contact pin.
  • FIG. 2B shows the embodiment 1 of the piezoelectric actuator component shown in FIG. 2A in a plan view of an upper side O100 of the actuator shown in FIG.
  • Electrode layers 20 extend from the dashed line end of the insulation layer 61 to the side surface SlOOa, at which they are connected to the metal
  • Layer 30 are contacted.
  • the metallic layer 30 is disposed on the side surface SlOOa and with the wires 40 connected.
  • an end portion 40a of each wire 40 is contacted with the metallic layer 30.
  • An end portion 40b of the wire opposite to the end portion 40a is connected to the contacting member 50.
  • each wire has a free length at which it is connected neither to the metallic layer 30 nor to the contacting element 50.
  • Each of the wires runs the same distance dl to the side surface SlOOa over the entire length of the intermediate portion 40c.
  • the distance d 1 can correspond to the layer thickness of the metallic layer 30.
  • the me ⁇ -metallic layer 31 is disposed as outer metallization.
  • the electrode layers 21 extend starting from the dashed line end of the insulating layer 60 to the side surface SlOOb, at which they are connected to the metal
  • FIG. 3A shows a side view of an embodiment 2 of a piezoelectric actuator component.
  • the metallic layer 30 serves as outer metallization for contacting the electrodes 20, which terminate at the side surface SlOOa.
  • the metallic layer 30 is arranged centrally on the side surface SlOOa and extends along the longitudinal edges LK1, LK2 of the actuator component.
  • two contacting elements 50a and 50b are vorgese ⁇ hen lement, which can be embodied for instance as a terminal pin or contact pin.
  • the two contacting elements 50a and 50b are connected via a plurality of wires 40 with the metal layer intermetallic ⁇ 30th
  • the twomaschinetechniksele- elements 50 are laterally arranged ⁇ 30 is of the metallic layer.
  • FIG. 3B shows a plan view of the surface O100 of the actuator component 2 of FIG. 3A.
  • the metallic layer 30 On the side surface SlOOa the metallic layer 30 is arranged centrally.
  • the metal ⁇ lic layer 30 is connected to the electrode layers 20, which terminate at the side surface SlOOa.
  • the Kunststofftechniks ⁇ elements 50a and 50b are connected via the wires 40 with the metalli ⁇ rule layer 30th
  • a central portion 40 a of each wire is connected to the metallic layer 30.
  • the wires 40 are connected to the contacting members 50a and 50b.
  • free wire portions 40c are arranged. At this area, the wires 40 are uncontacted.
  • the wires 40 are shaped such that the contacting elements 50a and 50b are arranged in front of the side surface SlOOa.
  • the contacting of the Aktorbauelements takes place on the side ⁇ surface SlOOb analogous to contacting on the side surface SlOOa.
  • a metallic layer 31 is arranged centrally.
  • the metallic layer 31 is contacted with the electrode layers 21 extending to the side surface S100b in the interior of the stack.
  • the metallic ⁇ layer 31 is connected by means of a plurality of wires 41 with the contacting elements 51 a and 51 b.
  • a middle section 41a of the wires 41 is connected to the metallic layer 31.
  • the respective end portions 41b of the wires are connected at one side to the contacting element 51a and on the other side of the wires with the PLEASE CONTACT ⁇ approximately element 51b.
  • the wires each have free portions 41 c, on which the wires are unconnected to the contacting elements 51 a, 51 b and the metallic layer 31.
  • the wires 41 are such ge ⁇ formed such that the contacting elements are arranged 51a and 51b against the side surface SlOOb.
  • the plurality of wires 40 and 41 are arranged at a distance dl from the side surface SlOOa relationship ⁇ SlOOb of Aktorbauelements away.
  • the dis- tance dl of the wires 40, 41 corresponds to at least the thickness of the metallic layer 30, 31 and preferably the thickness of the metallic layer 30, 31.
  • the wires 40, 41 Kgs be ⁇ NEN arranged parallel to the side surfaces SlOOa and SlOOb. In particular, the wires may be parallel to the side surfaces along their entire length.
  • the PLEASE CONTACT ⁇ guide elements 50 and 51 may be at ⁇ arranged away from the side surface SlOOa or SlOOb in the distance dl.
  • the contacting elements 50 and 51 can rest against the side surfaces S100a, S100b and have a thickness of which corresponds to the thickness of the metallic layer 30, 31.
  • the metallic layers 30 and 31 may be applied with a thickness of less than 50 ym, for example with a di ⁇ blocks of 20 ym, on the side surfaces SlOOa and SlOOb listed.
  • the Aktorbauelement has a particularly flat design.
  • FIG. 4A shows a side view of a side SlOOa of an embodiment 3 of a piezoelectric actuator component.
  • metallic layers 30a and 30b are arranged as Cambridgemetallmaschineen.
  • Arranged on the side surface SlOOa outer ⁇ metallizations 30a and 30b contact the electrode layers 20.
  • the metallic layer 30a is closer to the longitudinal edge LK1 as arranged at the longitudinal edge LK2, and vice versa, the metallic layer 30b closer to the longitudinal ⁇ edge LK2 as arranged on the longitudinal edge LK1 of Aktorbauelements ⁇ .
  • the metallic layers 30 a and 30 b are interconnected by a plurality of wires 40. Connected to the wires 40 is a contacting element 50 which is disposed between the metallic layers 30a and 30b.
  • FIG. 4B shows the embodiment 3 of the piezoelectric actuator component shown in FIG. 4A in a plan view of an upper side O100.
  • the me ⁇ -metallic layers 30a and 30b are connected to end portions 40a of the wires 40 on the side surface SlOOa.
  • a central portion 40 b of each wire is connected to the contacting element 50.
  • free portions 40b of the wires are arranged.
  • 40c to the free ⁇ en sections, the wires 40 with the metallic layers 30a, 30b and the contacting element 50 are unconnected to.
  • the Aktorbauelement 3 is similar as contacted on the side surface SlOOa.
  • Two metallic layers 31a and 31b are disposed along the longitudinal edges LK1 and LK2 on the side surface S1OOb.
  • the two metalli ⁇ rule layers 31a and 31b are connected to the electrode layers 21st Wires 41 connect the outer metallizations 31a and 31b with a contacting element 51.
  • end portions 41a of the wires 41 are connected to the metallic layers 31a and 31b.
  • the wires 41 are each fixed to egg ⁇ nem middle wire portion 41 c on the contacting element 51. Free portions 41 c of the wires 41 disposed between the end portions 41 a and the middle portion 41 c are unconnected to the metallic layers 31 a, 31 b and the contacting member 51.
  • the wires 40, 41 are bent in such a way that the contacting elements 50, 51 are arranged in front of the side face S100a, S100b.
  • the wires 40, 41 bent in such a way can be that the contacting elements 50, 51 ⁇ relationship, at a distance d2 from the side surface SlOOa SlOOb are remotely located.
  • the distance d2 ent ⁇ speaks at least the thickness of the metallic Schich- th.
  • the wires 40, 41 may alternatively be arranged parallel to the side surfaces SlOOa and SlOOb, so that the contacting elements are arranged close to the side surfaces of the actuator.
  • the wires 40, 41 can run parallel to the plane E5 of the pie ⁇ zoelektrischen layers.
  • the plurality of wires 40, 41 may be arranged perpendicular to the stacking direction Z of the piezoelectric layers.
  • Figure 5 shows an embodiment 4 of the piezoelectric actuator device in which, unlike Embodiment 3, the wires 40 and 41 between the metallic layers 30a, 30b and 31a, 31b instead of parallel to the plane E5 of the piezoelectric layers at an angle less than 85 ° to the plane E5 of the piezoelectric layers are arranged.
  • the plurality of wires 40, 41 may be arranged parallel to the side surfaces S1OOa, S100b of the stack 100.
  • the wires Kgs ⁇ NEN shorter than the edge length of the side edges SKI, SK2 of the side surfaces SlOOa be SlOOb.
  • the section of the wires, which is arranged between the metallic layer and the contacting element, can be shorter than the edge length of the side edges SKI, SK2 of the side surfaces
  • the wires can be connected to each other directly unconnected or indirectly via the contacting elements or the metallic layer.
  • the wires are connected at one portion with a metallic layer and on another portion with the PLEASE CONTACT ⁇ approximately element.
  • the wires are connected to the metallic layer or the contacting element and arranged at a distance above the side surface ⁇ SlOOa, SlOOb of Aktorbauelements. From the stand ⁇ corresponds at least to the thickness of approximatelytechnischie- elements respectively of the layer thickness with which the metallic layer is applied to the side surface SlOOa dietaryswei ⁇ se SlOOb.
  • the wires can be arranged in the free Ab ⁇ section at least two locations in the same distance in front of the side surfaces SlOOa and SlOOb.
  • the contacting element 50 may in all execution ⁇ shapes such arranged on the wires be, that the contacting of the side surface of the actuator facing, as shown for example in Figure 2B, or facing away from the side surface of the actuator, such as in Fi ⁇ gur 3B is shown.
  • the wires 40 and 41 may be formed such that the at least one contacting element is in front of the side surface SlOOa or SlOOb to ⁇ sorted 50 and 51st
  • the wires 40 and 41 may be formed such that the wires are disposed along their own ge ⁇ entire length before the side surface SlOOa or SlOOb.
  • the wires 40 are in particular shaped such that the at least one contacting element 50 in a space R, which lies between a plane El, in which the side surface SlOOa, and a plane E2, parallel to Ebe ⁇ ne El and closer to the Side surface SlOOa than is located on the side ⁇ surface SlOOb, is arranged, wherein the side surface SlOOb is disposed closer to the plane El than at the level E2.
  • the wires 41 are formed such that the PLEASE CONTACT ⁇ approximately element 51 in a space R ', which is located between a plane El', in which the side surface SlOOb is located, and a plane E2 'which is parallel to the plane El' and closer to of the Side surface SlOOb than is on the side surface SlOOa, ange ⁇ is arranged, wherein the side surface SlOOa closer to the plane El 'than on the plane E2' is arranged.
  • a block-shaped Aktorbauelement can next to the soflä ⁇ chen SlOOa, SlOOb have a vertically arranged soflä ⁇ che SlOOc and one of the side surface SlOOc opposite side surface SlOOd.
  • the space R or the space R ' can be arranged between a plane E3 in which the side surface SlOOc lies, and a plane E4 in which the side surface S100d lies.
  • the contacting elements 50, 51 are arranged immediately in front of the soflä ⁇ chen SlOOa or SlOOb and do not overhang laterally.
  • the electrode layers 20 bezie ⁇ haul 21 from a respective side surface to a distance away from the side surface opposite thereto.
  • the isolation zones 60, 61 are formed with a width ID.
  • the isolation zone 60 in which only the electrode layers 20 are stacked in the stack but no electrode layers 21 are present, extends between the side surface SlOOa and a portion of the stack which is distant from the side surface SlOOa by the distance ID.
  • the isolation zone 61 only the electrode layers 21 in the stack 100 are arranged one above the other, while the electrode layers 20 are not present in the isolation zone 61.
  • the Isolationszo ⁇ ne 61 extends between the side surface SlOOb and egg ⁇ ⁇ nem portion of the stack, which is arranged away from the side surface SlOOb at a distance ID.
  • the Aktorbauiata shown in the embodiments 1, 2, 3 and 4 for example, have a length of 30 mm, a width of 7 mm and a depth of 7 mm.
  • it is also possible to realize other geometric shapes for example geometry shapes with a base area of 2 ⁇ 2 mm up to 40 ⁇ 40 mm and more than 40 ⁇ 40 mm.
  • the length of the Ak ⁇ tors may vary between 5 mm and 250 mm and more than 250 mm.
  • the at least one metallic layer may contain silver or copper, have a thickness between 10 ym and 50 ym and have a width between 1 mm and 4 mm.
  • the preload can be adapted to the load occurring during a later application.
  • the joining of the wires 40, 41 with the Minim ⁇ least a metallic layer and the at least one contacting element may be performed by soldering, gluing or bonding.
  • the connection of the wires 40, 41 with the at least one contacting element can at the same time to the connection of the wires with the at least one metallic

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

Abstract

Ein piezoelektrisches Aktorbauelement umfasst mindestens eine metallische Schicht (30), die zur Kontaktierung von Elektrodenschichten (20) auf einer ersten Seitenfläche (S100a) eines Stapels aus piezoelektrischen Schichten (10) angeordnet ist. Eine Vielzahl von Drähten (40) ist mit der mindestens einen metallischen Schicht (30) und mit mindestens einem Kontaktierungselement (50) zum Anlegen einer Spannung an das Aktorbauelement verbunden. Die Drähte (40) sind derart geformt, dass das mindestens eine Kontaktierungselement (50) in einem Raum (R), der sich zwischen einer ersten Ebene (E1), in der die erste Seitenfläche (S100a) liegt, und einer zweiten Ebene (E2), die parallel zur ersten Ebene (E1) und näher an der ersten Seitenfläche (S100a) als an einer zweiten Seitenfläche (S100b) des Aktorbauelements liegt, angeordnet ist, wobei die zweite Seitenfläche (S100b) näher an der ersten Ebene (E1) als an der zweiten Ebene (E2) liegt.

Description

Beschreibung
Piezoelektrisches Aktorbauelement Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Aktorbauelement mit einer Anschlusskontaktierung zum Anlegen einer Spannung an das Aktorbauelement. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktorbauelements mit einer Anschlusskontaktierung zum Anlegen ei- ner Spannung an das Aktorbauelement.
Ein piezoelektrisches Aktorbauelement weist einen Stapel aus keramischem Material auf, der in einer Stapelrichtung übereinander gestapelte piezoelektrische Schichten umfasst, zwi- sehen denen Elektrodenschichten angeordnet sind. Zum Betreiben des Aktorbauelements kann in dem Stapel jede zweite
Elektrodenschicht an ein erstes Spannungspotential und jede dazwischen liegende Elektrodenschicht an ein davon verschie¬ denes zweites Spannungspotential angelegt werden. In Folge der angelegten Spannung wird das Aktorbauelement in Stapel¬ richtung der piezoelektrischen Schichten ausgelenkt.
Zum Zuführen der beiden Spannungspotentiale an die Elektro¬ denschichten kann für jede der Elektrodenschichten ein Kon- taktierungselement , beispielsweise ein Pin- beziehungsweise Stiftkontakt, vorgesehen werden, der über Drähte beziehungs¬ weise ein Drahtgeflecht mit einer Außenelektrode verbunden ist. Die Außenelektrode kann entlang einer Seitenfläche des Aktors angeordnet und mit jeder zweiten Elektrodenschicht des Stapels verbunden sein.
Aufgrund thermoelektrischer Belastung bei zyklischer Auslenkung von piezoelektrischen Aktoren, beispielsweise solcher Aktoren, die in der Einspritztechnologie verwendet werden, tritt bei einer Applikation eine hohe thermische beziehungs¬ weise mechanische Beanspruchung an einer Verbindung zwischen der Außenkontaktierung und dem keramischen Material des Stapels und/oder an einer Verbindung zwischen der Außenkontak- tierung und den damit verbundenen Drähten auf. Die permanente Belastung kann zu einer Ermüdung und/oder einem lokalen Ablösen der Anschlusskontaktierung von dem Stapel und/oder zu Rissen in der Anschlusskontaktierung führen. Dadurch können die geforderten Lebensdauerzyklen von beispielsweise 108 bis mehr als zweimal 109 Zyklen nicht erreicht werden.
Es ist wünschenswert, ein piezoelektrisches Aktorbauelement mit einer auf einen Belastungsfall angepassten Anschlusskontaktierung an die Außenmetallisierung sowie mit einem Kontak- tierungselement zur Spannungsversorgung des Aktors anzugeben. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen piezoelektrischen Aktorbauelements angegeben werden.
Eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktorbauelements umfasst einen Stapel aus piezoelektrischen Schichten und jeweils dazwischen angeordneten Elektrodenschichten, wobei der Stapel eine erste Seitenfläche und eine der ersten Seitenflä¬ che gegenüberliegende zweite Seitenfläche aufweist. Das Bau¬ element umfasst mindestens eine metallische Schicht, die auf der Seitenfläche des Stapels angeordnet ist und mit den
Elektrodenschichten kontaktiert ist, eine Vielzahl von Drähten und mindestens ein Kontaktierungselement zum Anlegen ei¬ ner Spannung an das Aktorbauelement. Jeder der Drähte ist mit der mindestens einen metallischen Schicht und mit dem mindes- tens einen Kontaktierungselement verbunden. Die Drähte sind derart geformt, dass das mindestens eine Kontaktierungsele¬ ment in einem Raum zwischen einer ersten Ebene, in der die erste Seitenfläche liegt, und einer zweiten Ebene, die paral¬ lel zur ersten Ebene und näher an der ersten Seitenfläche als an der zweiten Seitenfläche liegt, angeordnet ist, wobei die zweite Seitenfläche näher an der ersten Ebene als an der zweiten Ebene angeordnet ist. Das piezoelektrische Bauelement ermöglicht eine spannungskon- trollierte Drahtkontaktierung, wobei die Drähte beispielswei¬ se durch eine Wickel- Bond-, oder Klebetechnologie an die mindestens eine metallische Schicht, die als Außenmetallisie¬ rung auf der ersten Seitenfläche des Stapels angeordnet ist, angebracht werden können. Zeitgleich mit der Drahtkontaktie¬ rung an die Außenmetallisierung des Stapels kann eine Kontak- tierung der Drähte an das mindestens eine Kontaktierungsele¬ ment erfolgen. Das Verbinden der Drähte mit dem Kontaktie¬ rungselement kann ebenfalls durch Wickel -Bond-, oder Klebe- technik erfolgen. Die Drähte können entlang ihrer gesamten
Länge in einer Richtung verlaufen, die verschieden von einer orthogonal zu der ersten Seitenfläche verlaufenden Richtung ist. Die erste Seitenfläche des Bauelements weist Längs- und Seitenkanten auf, wobei die Seitenkanten kürzer als die
Längskanten sind. Die Drähte können insbesondere in einer
Ebene parallel zu der ersten Seitenfläche verlaufen und dabei kürzer als eine der Seitenkanten der Seitenfläche sein. Die Drahtkontaktierung an die metallische Schicht beziehungsweise an das Kontaktierungselement kann von hochfest bis flexibel ausgeführt werden, wodurch unterschiedliche Belastungsfälle mit hohen Lebensdauerzyklen realisiert werden können.
Die material- und prozesstechnischen Parameter zur Ausführung der Drahtkontaktierung, beispielsweise ein Winkel, in dem die Drähte zwischen der metallischen Schicht der Außenmetallisie¬ rung und dem Kontaktierungselement bezüglich einer Ebene der piezoelektrischen Schichten angeordnet sind, die mechanische Spannung des Drahtes sowie die Länge, das Material, die Fes¬ tigkeit und die Dicke des Drahtes als auch die Anzahl der Drähte, sind in weiten Bereichen wählbar und erlauben somit eine hohe Robustheit in der Anwendung. Daher ermöglicht das piezoelektrische Aktorbauelement eine auf den Belastungsfall angepasste Anschlusskontaktierung an die Außenmetallisierung sowie eine Kontaktierungsmöglichkeit an ein Kontaktierungs- element zur Spannungsversorgung des Aktors.
Das Aktorbauelement lässt sich in vielfältigen Geometrieformen realisieren. Beispielsweise kann das piezoelektrische Ak- torbauelement eine Grundfläche von 2 x 2 mm bis mehr als 40 x 40 mm, insbesondere von 7 x 7 mm, und eine Länge von 5 mm bis mehr als 250 mm, insbesondere eine Länge von 30 mm, aufwei¬ sen . Ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktorbauelements umfasst das Bereitstellen eines Stapels aus pie¬ zoelektrischen Schichten mit jeweils dazwischen angeordneten Elektrodenschichten, wobei der Stapel eine erste Seitenfläche und eine der ersten Seitenfläche gegenüberliegende zweite Seitenfläche aufweist. Auf der ersten Seitenfläche des Sta¬ pels wird mindestens eine metallische Schicht angeordnet und die Elektrodenschichten werden mit der mindestens einen metallischen Schicht kontaktiert. Die mindestens eine metalli¬ sche Schicht wird mit einer Vielzahl von Drähten verbunden und die Vielzahl der Drähte wird mit mindestens einem Kontak- tierungselement zum Anlegen einer Spannung an das Aktorbaue¬ lement verbunden. Die Drähte werden derart geformt, dass das mindestens eine Kontaktierungselement in einem Raum zwischen einer ersten Ebene, in der die erste Seitenfläche liegt, und einer zweiten Ebene, die parallel zu der ersten Ebene und nä¬ her an der ersten Seitenfläche als an der zweiten Seitenfläche liegt, angeordnet ist, wobei die zweite Seitenfläche nä¬ her an der ersten Ebene als an der zweiten Ebene angeordnet ist . Verschiedene Ausführungen des piezoelektrischen Aktorbauelements sowie des Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Aktorbauelements werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Ausführungsform eines piezoelektrischen
Schichtstapels eines Aktorbauelements,
Figur 2A eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktorbauelements,
Figur 2B eine Draufsicht auf die Ausführungsform des piezo¬ elektrischen Aktorbauelements,
Figur 3A eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktorbauelements,
Figur 3B eine Draufsicht auf die weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Aktorbauelements ,
Figur 4A eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktorbauelements,
Figur 4B eine Draufsicht auf die weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Aktorbauelements ,
Figur 5 eine weitere Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktorbauelements.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines Stapels 100 eines piezoelektrischen Aktorbauelements aus piezoelektrischen Schichten 10, zwischen denen Elektrodenschichten 20 und 21 angeordnet sind. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform des piezoelektrischen Aktorbauelements ist der keramische Ma- terialstapel quaderförmig ausgebildet. Die piezoelektrischen Schichten sind in zueinander parallel angeordneten Ebenen E5 angeordnet und in einer Stapelrichtung Z übereinander gestapelt. Zum Anlegen einer Spannung, die zum Betreiben des pie- zoelektrischen Aktorbauelements dient, kann beispielsweise an jede zweite der Elektrodenschichten, beispielsweise an die Elektrodenschichten 20, ein erstes Spannungspotential und an die dazwischen liegenden Elektrodenschichten, beispielsweise die Elektrodenschichten 21, ein zweites Spannungspotential angelegt werden.
Die Elektrodenschichten 20 erstrecken sich beispielsweise von einer Seitenfläche SlOOa des Stapels in den Stapel 100 und enden mindestens in einem Abstand ID entfernt von der gegenü- berliegenden Seitenfläche SlOOb in dem Stapel. Die zwischen den Elektrodenschichten 20 liegenden Elektrodenschichten 21 können sich ausgehend von der Seitenfläche SlOOb in den Sta¬ pel 100 erstrecken, wobei die Elektrodenschichten 21 mindestens in einem Abstand ID entfernt von der Seitenfläche SlOOa enden. Somit weist der Stapel aus den piezoelektrischen
Schichten und den dazwischen angeordneten Elektrodenschichten 20, 21 zwischen den Seitenflächen SlOOa, SlOOb und einem Abstand ID von den Seitenflächen entfernt entlang der gesamten Seitenflächen Isolationszonen 60 und 61 auf. Innerhalb der Isolationszonen sind in dem Stapel nur die ersten oder die zweiten Elektrodenschichten angeordnet, während die anderen der ersten und zweiten Elektrodenschichten innerhalb der Isolationszone nicht vorhanden sind. Innerhalb der Isolationszo¬ ne 60 sind die Elektrodenschichten 20 angeordnet, während dort die Elektrodenschichten 21 nicht vorhanden sind, und umgekehrt sind innerhalb der Isolationszone 61 im Stapel ledig¬ lich die Elektrodenschichten 21 angeordnet, während dort die Elektrodenschichten 20 nicht enthalten sind. Die Isolationszonen 60 und 61 erstrecken sich somit in dem Stapel zwischen den jeweiligen Seitenflächen SlOOa beziehungsweise SlOOb und den Enden der Elektrodenschichten 20 und 21 über die komplette Breite B des Aktors hinweg.
Figur 2A zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform 1 eines piezoelektrischen Aktorbauelements mit dem in Figur 1 gezeigten Schichtstapel 100. Dargestellt ist die Kontaktierung der Seitenfläche SlOOa. Die Kontaktierung der Seitenfläche SlOOb erfolgt auf ähnliche Weise.
Neben Seitenkanten SKI, SK2 weist das Aktorbauelement Längs¬ kanten LK1, LK2, die länger als die Seitenkanten sind, auf. Eine metallische Schicht 30 ist entlang der Längsrichtung des Aktors näher an der Längskanten LK1 als an der Längskante LK2 angeordnet. Die Elektrodenschichten 20 sind mit der metalli¬ schen Schicht 30 kontaktiert. Zum Zuführen einer Spannung an die Elektrodenschichten 20 ist ein Kontaktierungselement 50 vorgesehen, das näher an der Längskante LK2 als an der Längs- kante LK1 angeordnet ist. Das piezoelektrische Aktorbauele¬ ment weist des Weiteren eine Vielzahl von Drähten 40 auf. Jeder der Drähte 40 ist mit der metallischen Schicht 30 und mit dem Kontaktierungselement 50 verbunden. Das Kontaktierungs¬ element 50 kann beispielsweise als ein Anschlussstift bezie- hungsweise als ein Kontaktpin ausgebildet sein.
Figur 2B zeigt die in Figur 2A gezeigte Ausführungsform 1 des piezoelektrischen Aktorbauelements in einer Draufsicht auf eine in Figur 1 gezeigte Oberseite O100 des Aktors. Die
Elektrodenschichten 20 erstrecken sich ausgehend von dem strichliert eingezeichneten Ende der Isolationsschicht 61 bis zur Seitenfläche SlOOa, an der sie mit der metallischen
Schicht 30 kontaktiert sind. Die metallische Schicht 30 ist auf der Seitenfläche SlOOa angeordnet und mit den Drähten 40 verbunden. Dazu ist ein Endabschnitt 40a jedes Drahtes 40 mit der metallischen Schicht 30 kontaktiert. Ein dem Endabschnitt 40a gegenüberliegender Endabschnitt 40b des Drahtes ist mit dem Kontaktierungselement 50 verbunden. In einem Zwischenab- schnitt 40c weist jeder Draht eine freie Länge auf, an der er weder mit der metallischen Schicht 30 noch mit dem Kontaktierungselement 50 verbunden ist. Jeder der Drähte verläuft über die gesamte Länge des Zwischenabschnitts 40c in dem gleichen Abstand dl zu der Seitenfläche SlOOa. Der Abstand dl kann der Schichtdicke der metallischen Schicht 30 entsprechen.
An der Seitenfläche SlOOb erfolgt die Kontaktierung der
Elektrodenschichten 21 mit einer metallischen Schicht 31, die über Drähte 41 mit einem Kontaktierungselement 41 verbunden ist, analog zur Kontaktierung der Elektrodenschichten 20 an der Seitenfläche SlOOa. An der Seitenfläche SlOOb ist die me¬ tallische Schicht 31 als Außenmetallisierung angeordnet. Die Elektrodenschichten 21 erstrecken sich ausgehend von dem strichliert eingezeichneten Ende der Isolationsschicht 60 bis zur Seitenfläche SlOOb, an der sie mit der metallischen
Schicht 31 kontaktiert sind. Ein Endabschnitt 41a jedes Drah¬ tes 41 ist mit der metallischen Schicht 31 verbunden. Ein dem Endabschnitt 41a gegenüberliegender Endabschnitt 41b ist an das Kontaktierungselement 51 angeschlossen. Zwischen der me- tallischen Schicht 31 und dem Kontaktierungselement 51 weist jeder Draht 41 einen Zwischenabschnitt 41c mit einer freien Länge auf. Der Zwischenabschnitt 41c ist weder mit der metal¬ lischen Schicht 31 noch mit dem Kontaktierungselement 51 ver¬ bunden. Jeder der Drähte verläuft über die gesamte Länge des Zwischenabschnitts 40c in dem gleichen Abstand dl zu der Sei¬ tenfläche SlOOb. Der Abstand dl kann der Schichtdicke der me¬ tallischen Schicht 31 entsprechen. Figur 3A zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform 2 eines piezoelektrischen Aktorbauelements. Dargestellt ist die Seitenfläche SlOOa des Aktorbauelements, auf der die metalli¬ sche Schicht 30 angeordnet ist. Die metallische Schicht 30 dient als Außenmetallisierung zur Kontaktierung der Elektroden 20, die an der Seitenfläche SlOOa enden. Die metallische Schicht 30 ist mittig auf der Seitenfläche SlOOa angeordnet und erstreckt sich entlang der Längskanten LK1, LK2 des Aktorbauelements. Zum Anlegen einer Spannung an das Aktorbaue- lement sind zwei Kontaktierungselemente 50a und 50b vorgese¬ hen, die beispielsweise als ein Anschlusspin oder Kontaktpin ausgeführt sein können. Die beiden Kontaktierungselemente 50a und 50b sind über eine Vielzahl von Drähten 40 mit der metal¬ lischen Schicht 30 verbunden. Die beiden Kontaktierungsele- mente 50 sind seitlich von der metallischen Schicht 30 ange¬ ordnet .
Figur 3B zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche O100 des Aktorbauelements 2 der Figur 3A. An der Seitenfläche SlOOa ist mittig die metallische Schicht 30 angeordnet. Die metal¬ lische Schicht 30 ist mit den Elektrodenschichten 20, die an der Seitenfläche SlOOa enden, verbunden. Die Kontaktierungs¬ elemente 50a und 50b sind über die Drähte 40 mit der metalli¬ schen Schicht 30 verbunden. Dazu ist ein mittlerer Abschnitt 40a jedes Drahtes mit der metallischen Schicht 30 verbunden. An jeweiligen Endabschnitten 40b sind die Drähte 40 an die Kontaktierungselemente 50a und 50b angeschlossen. Zwischen dem mittleren Abschnitt 40a und den beiden Endabschnitten 40b sind freie Drahtabschnitte 40c angeordnet. An diesem Bereich sind die Drähte 40 unkontaktiert . Die Drähte 40 sind derart geformt, dass die Kontaktierungselemente 50a und 50b vor der Seitenfläche SlOOa angeordnet sind. Die Kontaktierung des Aktorbauelements erfolgt an der Seiten¬ fläche SlOOb analog zur Kontaktierung an der Seitenfläche SlOOa. An der Seitenfläche SlOOb ist mittig eine metallische Schicht 31 angeordnet. Die metallische Schicht 31 ist mit den Elektrodenschichten 21, die sich bis zur Seitenfläche SlOOb im Inneren des Stapels erstrecken, kontaktiert. Die metalli¬ sche Schicht 31 ist mittels einer Vielzahl von Drähten 41 mit den Kontaktierungselementen 51a und 51b verbunden. Dazu ist ein mittlerer Abschnitt 41a der Drähte 41 mit der metalli- sehen Schicht 31 verbunden. Die jeweiligen Endabschnitte 41b der Drähte sind an einer Seite mit dem Kontaktierungselement 51a und an der anderen Seite der Drähte mit dem Kontaktie¬ rungselement 51b verbunden. Zwischen den Kontaktierungsele¬ menten 51a, 51b und der metallischen Schicht 31 weisen die Drähte jeweils freie Abschnitte 41c auf, an denen die Drähte unverbunden zu den Kontaktierungselementen 51a, 51b und der metallischen Schicht 31 sind. Die Drähte 41 sind derart ge¬ formt, dass die Kontaktierungselemente 51a und 51b vor der Seitenfläche SlOOb angeordnet sind.
Bei der Ausführungsform 1 und 2 des piezoelektrischen Aktorbauelements sind die Vielzahl der Drähte 40 beziehungsweise 41 in einem Abstand dl von der Seitenfläche SlOOa beziehungs¬ weise SlOOb des Aktorbauelements entfernt angeordnet. Der Ab- stand dl der Drähte 40, 41 entspricht dabei mindestens der Dicke der metallischen Schicht 30, 31 und vorzugsweise der Dicke der metallischen Schicht 30, 31. Die Drähte 40, 41 kön¬ nen parallel zu den Seitenflächen SlOOa und SlOOb angeordnet sein. Insbesondere können die Drähte entlang ihrer gesamten Länge parallel zu den Seitenflächen verlaufen. Die Kontaktie¬ rungselemente 50 beziehungsweise 51 können in dem Abstand dl von der Seitenfläche SlOOa beziehungsweise SlOOb entfernt an¬ geordnet sein. Die Kontaktierungselemente 50 und 51 können an den Seitenflächen SlOOa, SlOOb anliegen und eine Dicke auf- weisen, die der Dicke der metallischen Schicht 30, 31 entspricht. Die metallischen Schichten 30 und 31 können mit einer Dicke von weniger als 50 ym, beispielsweise mit einer Di¬ cke von 20 ym, auf den Seitenflächen SlOOa und SlOOb aufge- bracht sein. Somit weist das Aktorbauelement eine besonders flache Bauform auf.
Figur 4A zeigt eine Seitenansicht auf eine Seite SlOOa einer Ausführungsform 3 eines piezoelektrischen Aktorbauelements. Entlang der Längskanten LK1 und LK2 des Aktorbauelements sind metallische Schichten 30a und 30b als Außenmetallisierungen angeordnet. Die an der Seitenfläche SlOOa angeordneten Außen¬ metallisierungen 30a und 30b kontaktieren die Elektrodenschichten 20. Die metallische Schicht 30a ist dabei näher an der Längskante LK1 als an der Längskante LK2 angeordnet, und umgekehrt ist die metallische Schicht 30b näher an der Längs¬ kante LK2 als an der Längskante LK1 des Aktorbauelements an¬ geordnet. Die metallischen Schichten 30a und 30b sind über eine Vielzahl von Drähten 40 miteinander verbunden. An die Drähte 40 ist ein Kontaktierungselement 50 angeschlossen, das zwischen den metallischen Schichten 30a und 30b angeordnet ist .
Figur 4B zeigt die in Figur 4A gezeigte Ausführungsform 3 des piezoelektrischen Aktorbauelements in einer Draufsicht auf eine Oberseite O100. An der Seitenfläche SlOOa sind die me¬ tallischen Schichten 30a und 30b mit Endabschnitten 40a der Drähte 40 verbunden. Ein mittlerer Abschnitt 40b jedes Drahtes ist an das Kontaktierungselement 50 angeschlossen. Zwi- sehen den Endabschnitten 40a und dem mittleren Abschnitt 40b sind freie Abschnitte 40b der Drähte angeordnet. An den frei¬ en Abschnitten 40c sind die Drähte 40 mit den metallischen Schichten 30a, 30b und dem Kontaktierungselement 50 unverbun- den . An der Seitenfläche SlOOb ist das Aktorbauelement 3 ähnlich wie an der Seitenfläche SlOOa kontaktiert. Zwei metallische Schichten 31a und 31b sind entlang der Längskanten LK1 und LK2 an der Seitenfläche SlOOb angeordnet. Die beiden metalli¬ schen Schichten 31a und 31b sind mit den Elektrodenschichten 21 verbunden. Drähte 41 verbinden die Außenmetallisierungen 31a und 31b mit einem Kontaktierungselement 51. Dazu sind Endabschnitte 41a der Drähte 41 mit den metallischen Schich- ten 31a und 31b verbunden. Die Drähte 41 sind jeweils an ei¬ nem mittleren Drahtabschnitt 41c an dem Kontaktierungselement 51 fixiert. Freie Abschnitten 41c der Drähte 41, die zwischen den Endabschnitten 41a und dem mittleren Abschnitt 41c angeordnet sind, sind mit den metallischen Schichten 31a, 31b und dem Kontaktierungselement 51 unverbunden.
Bei der in den Figuren 4A und 4B gezeigten Ausführungsform 3 sind die Drähte 40, 41 derart gebogen, dass die Kontaktie- rungselemente 50, 51 vor den Seitenfläche SlOOa, SlOOb ange- ordnet sind. Wie in Figur 4B gezeigt, können die Drähte 40, 41 derart gebogen sein, dass die Kontaktierungselemente 50, 51 in einem Abstand d2 von der Seitenfläche SlOOa beziehungs¬ weise SlOOb entfernt angeordnet sind. Der Abstand d2 ent¬ spricht dabei mindestens der Dicke der metallischen Schich- ten. Bei der in Figur 4B gezeigten Ausführungsform sind die
Drähte 40 beziehungsweise 41 derart gebogen, dass der Abstand d2 größer als die Dicke der Außenmetallisierung 30 beziehungsweise 31 ist, so dass die Kontaktierungselemente 50 be¬ ziehungsweise 51 weiter als bei den Ausführungsformen 1 und 2 von den Seitenflächen des Aktorbauelements entfernt sind. Die Drähte 40, 41 können alternativ dazu auch parallel zu den Seitenflächen SlOOa und SlOOb angeordnet sein, so dass die Kontaktierungselemente nahe an den Seitenflächen des Aktors angeordnet sind. Bei den Ausführungsformen 1, 2 und 3 des piezoelektrischen Aktorbauelements können die mindestens eine metallische
Schicht und das mindestens eine Kontaktierungselement senk- recht zur Ebene E5 der piezoelektrischen Schichten angeordnet sein. Die Drähte 40, 41 können parallel zur Ebene E5 der pie¬ zoelektrischen Schichten verlaufen. Die Vielzahl der Drähte 40, 41 kann senkrecht zu der Stapelrichtung Z der piezoelektrischen Schichten angeordnet sein.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform 4 des piezoelektrischen Aktorbauelements, bei der im Unterschied zur Ausführungsform 3 die Drähte 40 beziehungsweise 41 zwischen den metallischen Schichten 30a, 30b beziehungsweise 31a, 31b anstatt parallel zur Ebene E5 der piezoelektrischen Schichten in einem Winkel kleiner als 85° zur Ebene E5 der piezoelektrischen Schichten angeordnet sind.
Bei den in den Figuren 2A bis 5 gezeigten Ausführungsformen 1, 2, 3 und 4 des piezoelektrischen Aktorbauelements können die Vielzahl der Drähte 40, 41 parallel zu den Seitenflächen SlOOa, SlOOb des Stapels 100 angeordnet sein. Die Drähte kön¬ nen kürzer als die Kantenlänge der Seitenkanten SKI, SK2 der Seitenflächen SlOOa, SlOOb sein. Insbesondere kann der Ab- schnitt der Drähte, der zwischen der metallischen Schicht und dem Kontaktierungselement angeordnet ist, kürzer sein als die Kantenlänge der Seitenkanten SKI, SK2 der Seitenflächen
SlOOa, SlOOb. Die Drähte können untereinander unmittelbar un- verbunden beziehungsweise mittelbar über die Kontaktierungs- elemente beziehungsweise die metallische Schicht verbunden sein. Die Drähte sind an einem Abschnitt mit der metallischen Schicht und an einem weiteren Abschnitt mit dem Kontaktie¬ rungselement verbunden. An einem zwischen diesen beiden Abschnitten angeordneten freien Abschnitt, sind die Drähte un- verbunden mit der metallischen Schicht beziehungsweise dem Kontaktierungselement und in einem Abstand über der Seiten¬ fläche SlOOa, SlOOb des Aktorbauelements angeordnet. Der Ab¬ stand entspricht dabei mindestens der Dicke des Kontaktie- rungselements beziehungsweise der Schichtdicke, mit der die metallische Schicht auf die Seitenfläche SlOOa beziehungswei¬ se SlOOb aufgebracht ist. Die Drähte können in dem freien Ab¬ schnitt mindestens an zwei Stellen in dem gleichen Abstand vor den Seitenflächen SlOOa beziehungsweise SlOOb angeordnet sein.
Das Kontaktierungselement 50 kann bei sämtlichen Ausführungs¬ formen derart an den Drähten angeordnet sein, dass das Kontaktierungselement der Seitenfläche des Aktors zugewandt ist, wie beispielsweise in Figur 2B gezeigt ist, oder von der Sei- tenfläche des Aktors abgewandt ist, wie beispielsweise in Fi¬ gur 3B dargestellt ist.
Die Drähte 40 beziehungsweise 41 können derart geformt sein, dass das mindestens eine Kontaktierungselement 50 beziehungs- weise 51 vor der Seitenfläche SlOOa beziehungsweise SlOOb an¬ geordnet ist. Die Drähte 40 beziehungsweise 41 können derart geformt sein, dass auch die Drähte selbst entlang ihrer ge¬ samten Länge vor der Seitenfläche SlOOa beziehungsweise SlOOb angeordnet sind. Die Drähte 40 sind insbesondere derart ge- formt, dass das mindestens eine Kontaktierungselement 50 in einem Raum R, der zwischen einer Ebene El, in der die Seitenfläche SlOOa liegt, und einer Ebene E2, die parallel zur Ebe¬ ne El und näher an der Seitenfläche SlOOa als an der Seiten¬ fläche SlOOb liegt, angeordnet ist, wobei die Seitenfläche SlOOb näher an der Ebene El als an der Ebene E2 angeordnet ist. Die Drähte 41 sind derart geformt, dass das Kontaktie¬ rungselement 51 in einem Raum R' , der sich zwischen einer Ebene El', in der die Seitenfläche SlOOb liegt, und einer Ebene E2', die parallel zu der Ebene El' und näher an der Seitenfläche SlOOb als an der Seitenfläche SlOOa liegt, ange¬ ordnet ist, wobei die Seitenfläche SlOOa näher an der Ebene El' als an der Ebene E2' angeordnet ist. Ein quaderförmiges Aktorbauelement kann neben den Seitenflä¬ chen SlOOa, SlOOb eine dazu senkrecht angeordnete Seitenflä¬ che SlOOc und eine der Seitenfläche SlOOc gegenüberliegende Seitenfläche SlOOd aufweisen. Insbesondere kann der Raum R beziehungsweise der Raum R' zwischen einer Ebene E3, in der die Seitenfläche SlOOc liegt, und einer Ebene E4, in der die Seitenfläche SlOOd liegt, angeordnet sein. Somit sind die Kontaktierungselemente 50, 51 unmittelbar vor den Seitenflä¬ chen SlOOa beziehungsweise SlOOb angeordnet und stehen nicht seitlich über.
Bei den Ausführungsformen 1, 2, 3 und 4 des piezoelektrischen Aktorbauelements reichen die Elektrodenschichten 20 bezie¬ hungsweise 21 von einer jeweiligen Seitenfläche bis zu einem Abstand entfernt von der dazu gegenüberliegenden Seitenflä- che. Zwischen den Seitenflächen SlOOa, SlOOb und den Enden der Elektrodenschichten 20, 21 sind die Isolationszonen 60, 61 mit einer Breite ID ausgebildet. Die Isolationszone 60, in der lediglich die Elektrodenschichten 20 in dem Stapel übereinander angeordnet jedoch keine Elektrodenschichten 21 vor- handen sind, erstreckt sich zwischen der Seitenfläche SlOOa und einem Abschnitt des Stapels, der um den Abstand ID von der Seitenfläche SlOOa entfernt ist. In der Isolationszone 61 sind lediglich die Elektrodenschichten 21 im Stapel 100 übereinander angeordnet, während die Elektrodenschichten 20 in der Isolationszone 61 nicht vorhanden sind. Die Isolationszo¬ ne 61 erstreckt sich zwischen der Seitenfläche SlOOb und ei¬ nem Abschnitt des Stapels, der von der Seitenfläche SlOOb in einem Abstand ID entfernt angeordnet ist. Die in den Ausführungen 1, 2, 3 und 4 gezeigten Aktorbauelemente können beispielsweise eine Länge von 30 mm, eine Breite von 7 mm und eine Tiefe von 7 mm aufweisen. Es lassen sich allerdings auch andere Geometrieformen, beispielsweise Geo- metrieformen mit einer Grundfläche von 2 x 2 mm bis zu 40 x 40 mm und mehr als 40 x 40 mm realisieren. Die Länge des Ak¬ tors kann zwischen 5 mm und 250 mm und mehr als 250 mm variieren. Zur Ausführung der Drahtkontaktierung können Drähte mit einer Drahtstärke beziehungsweise einem Drahtdurchmesser zwischen 10 ym und 300 ym verwendet werden. Es können je nach Anwendungsfall auch Drähte mit Durchmessern von mehr als 300 ym eingesetzt werden. Die mindestens eine metallische Schicht kann Silber oder Kupfer enthalten, eine Dicke zwischen 10 ym und 50 ym aufweisen und eine Breite zwischen 1 mm bis 4 mm haben.
Bei der Herstellung des piezoelektrischen Aktorbauelement der Ausführungsformen 1, 2, 3 und 4 können die Drähte 40, 41 vor dem Verbinden mit der mindestens einen metallischen Schicht und dem mindestens einen Kontaktierungselement zwischen der mindestens einen metallischen Schicht und dem mindestens ei¬ nen Kontaktierungselements mit einer mechanischen Spannung vorgespannt angeordnet werden. Die Vorspannung kann an die während einer späteren Applikation auftretende Belastung an- gepasst sein. Das Verbinden der Drähte 40, 41 mit der mindes¬ tens einen metallischen Schicht und dem mindestens einen Kontaktierungselement kann durch Löten, Kleben oder Bonden erfolgen. Die Verbindung der Drähte 40, 41 mit dem mindestens einen Kontaktierungselement kann dabei zeitgleich zu dem Ver- binden der Drähte mit der mindestens einen metallischen
Schicht erfolgen. Bezugs zeichenliste
10 piezoelektrische Schichten
20, 21 Elektrodenschichten
30, 31 metallische Schicht, Außenmetallisierung
40, 41 Drähte
50, 51 Kontaktierungselement
60, 61 Isolationszone
100 Stapelanordnung

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrisches Aktorbauelement, umfassend:
- einen Stapel (100) aus piezoelektrische Schichten (10) und jeweils dazwischen angeordneten Elektrodenschichten
(20), wobei der Stapel eine erste Seitenfläche (SlOOa) und eine der ersten Seitenfläche (SlOOa) gegenüberlie¬ gende zweite Seitenfläche (SlOOb) aufweist,
- mindestens eine metallische Schicht (30), die auf der ersten Seitenfläche (SlOOa) des Stapels angeordnet ist und mit den Elektrodenschichten (20) kontaktiert ist,
- eine Vielzahl von Drähten (40),
- mindestens ein Kontaktierungselement (50) zum Anlegen einer Spannung an das Aktorbauelement,
- wobei jeder der Drähte (40) mit der mindestens einen me¬ tallischen Schicht (30) und mit dem mindestens einen Kontaktierungselement (50) verbunden ist,
- wobei die Drähte (40) derart geformt sind, dass das min¬ destens eine Kontaktierungselement (50) in einem Raum (R) zwischen einer ersten Ebene (El), in der die erste
Seitenfläche (SlOOa) liegt, und einer zweiten Ebene (E2), die parallel zur ersten Ebene (El) und näher an der ersten Seitenfläche (SlOOa) als an der zweiten Sei¬ tenfläche (SlOOb) liegt, angeordnet ist, wobei die zwei- te Seitenfläche (SlOOb) näher an der ersten Ebene (El) als an der zweiten Ebene (E2) angeordnet ist.
2. Piezoelektrisches Aktorbauelement nach Anspruch 1,
- wobei jeder der Drähte (40) einen ersten Abschnitt
(40a), an dem der jeweilige Draht mit der mindestens ei¬ nen metallischen Schicht (30) verbunden ist, einen zweiten Abschnitt (40b), an dem der jeweilige Draht mit dem mindestens einen Kontaktierungselement (50) verbunden ist, und einen zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt angeordneten dritten Abschnitt (40c), an dem der jeweilige Draht in einem Abstand (dl, d2) zu der ersten Sei¬ tenfläche (SlOOa) verläuft, aufweist,
- wobei jeder der Drähte (40) an dem dritten Abschnitt
(40c) mit dem mindestens einen Kontaktierungselement (50) und der mindestens einen metallischen Schicht (30) unverbunden ist,
- wobei mindestens einer der Abschnitte (40a, 40b, 40c) jedes der Drähte (40) in dem Raum (R) angeordnet ist.
3. Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der An¬ sprüche 1 oder 2,
- wobei die piezoelektrischen Schichten (10) in dem Stapel (100) in einer Stapelrichtung (Z) angeordnet sind,
- wobei die Vielzahl der Drähte (40) senkrecht zu der Sta¬ pelrichtung (Z) angeordnet ist.
4. Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der An- sprüche 1 bis 3,
wobei die Vielzahl der Drähte (40) jeweils parallel zu der ersten und der zweiten Seitenfläche (SlOOa, SlOOb) des Stapels (100) angeordnet ist.
5. Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der An¬ sprüche 1 bis 4,
wobei die mindestens eine metallische Schicht (30) und das mindestens eine Kontaktierungselement (50) senkrecht zu einer fünften Ebene (E5) , in der eine der piezoelektri- sehen Schichten (10) angeordnet ist, verläuft.
6. Piezoelektrisches Aktorbauelemnet nach einem der An¬ sprüche 1 bis 5, wobei jeder der Drähte (40) parallel zu der fünften Ebene (E5) oder in einem Winkel kleiner als 85° zu der fünften Ebene (E5) der piezoelektrischen Schichten angeordnet ist. 7. Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der An¬ sprüche 1 bis 6,
- wobei die Vielzahl der Drähte (40) jeweils in einem Ab¬ stand (dl) von der ersten und zweiten Seitenfläche
(SlOOa, SlOOb) entfernt angeordnet ist,
- wobei der Abstand (dl) mindestens der Dicke der mindes¬ tens einen metallischen Schicht (30) entspricht.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der An¬ sprüche 1 bis 7,
wobei das mindestens eine Kontaktierungselement (50) in einem weiteren Abstand (d2) von der ersten Seitenfläche (SlOOa) des Stapels entfernt angeordnet ist,
wobei der weiteren Abstand (d2) mindestens der Dicke der mindestens einer metallischen Schicht (30) entspricht.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der An¬ sprüche 1 bis 8, umfassend:
mindestens zwei des mindestens einen Kontaktierungsele- ments (50a, 50b) ,
wobei die mindestens eine metallische Schicht (30) zwi¬ schen den mindestens zwei Kontaktierungselementen (50a, 50b) angeordnet ist,
wobei die Drähte (40) zwischen den mindestens zwei Kon¬ taktierungselementen (50a, 50b) angeordnet sind.
10. Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der An¬ sprüche 1 bis 9, umfassend: - mindestens zwei Schichten (30a, 30b) der mindestens ei¬ nen metallischen Schicht (30),
- wobei das mindestens eine Kontaktierungselement (50) zwischen den mindestens zwei metallischen Schichten (30a, 30b) angeordnet ist,
- wobei die Drähte (40) zwischen den mindestens zwei me¬ tallischen Schichten (30a, 30b) verlaufen.
11. Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der An¬ sprüche 1 bis 10,
- wobei der Stapel (100) weitere Elektrodenschichten (21) aufweist,
- wobei sich die Elektrodenschichten (20) von der ersten Seitenfläche (SlOOa) ausgehend in Richtung auf die zwei¬ te Seitenfläche (SlOOb) in den Stapel (100) erstrecken und mindestens in einem Abstand (ID) entfernt von der zweiten Seitenfläche (SlOOb) in dem Stapel (100) enden,
- wobei sich die weiteren Elektrodenschichten (21) von der zweiten Seitenfläche (SlOOb) in Richtung auf die erste Seitenfläche (SlOOa) in den Stapel erstrecken und min¬ destens in dem Abstand (ID) entfernt von der ersten Sei¬ tenfläche (SlOOa) in dem Stapel (100) enden.
12. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktorbauelements, umfassend:
- Bereitstellen eines Stapels (100) aus piezoelektrischen Schichten (10) mit jeweils dazwischen angeordneten Elektrodenschichten (20), wobei der Stapel eine erste Seiten¬ fläche (SlOOa) und eine der ersten Seitenfläche (SlOOa) gegenüberliegende zweite Seitenfläche (SlOOb) aufweist,
- Anordnen mindestens einer metallischen Schicht (30) auf der ersten Seitenfläche (SlOOa) des Stapels und Kontaktie- ren der Elektrodenschichten (20) mit der mindestens einen metallischen Schicht (30),
- Verbinden der mindestens einen metallischen Schicht (30) mit einer Vielzahl von Drähten (40) und Verbinden der Vielzahl der Drähte (40) mit mindestens einem Kontaktie- rungselement (50) zum Anlegen einer Spannung an das Aktorbauelement,
- Formen der Drähte (40) derart, dass das mindestens eine Kontaktierungselement (50) in einem Raum (R) zwischen ei- ner ersten Ebene (El), in der die erste Seitenfläche
(SlOOa) liegt, und einer zweiten Ebene (E2), die parallel zu der ersten Ebene (El) und näher an der ersten Seitenfläche (SlOOa) als an der zweiten Seitenfläche (SlOOb) liegt, angeordnet ist, wobei die zweite Seitenfläche
(SlOOb) näher an der ersten Ebene (El) als an der zweiten
Ebene (E2) angeordnet ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
wobei die Drähte (40) vor dem Verbinden mit der mindestens einen metallischen Schicht (30) und dem mindestens einen
Kontaktierungselement (50) mit einer mechanischen Spannung zwischen der mindestens einen metallischen Schichte (30) und dem mindestens einen Kontaktierungselement (50) ange¬ ordnet werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
wobei das Verbinden der Drähte (40) mit der mindestens ei¬ nen metallischen Schicht (30) und dem mindestens einen Kontaktierungselement (50) durch Löten, Kleben oder Bonden erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Verbinden der Drähte (40) mit dem mindestens ei¬ nen Kontaktierungselement (50) zeitgleich zu dem Verbinden der Drähte (40) mit der mindestens einen metallischen Schicht (30) erfolgt.
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