DE102006036903A1 - Piezoaktor - Google Patents

Abstract

Ein Piezoaktor (1) umfasst eine Mehrzahl piezoelektrischer Schichten (2a, 2b), die entlang einer Längsmittelachse (6) des Piezoaktors (1) übereinandergestapelt sind. Zwischen den piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) sind Innenelektroden (4a, 4b) vorhanden, die sich jeweils über eine piezoelektrische Schicht vorzugsweise vollflächig und jeweils bis auf eine Schmalseite (5a, 5b) der piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) erstrecken. Außenelektroden (7a, 7b) sind mit den Innenelektroden wechselweise kontaktiert. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, sind die piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) relativ zur Längsmittelachse (6) des Piezoaktors (1) wechselweise versetzt angeordnet, so dass die Außenelektroden (7a, 7b) die Innenelektroden (4a, 4b) jeweils nur an jeder zweiten, seitlich aus dem Piezostapel herausragenden Schmalseite (5a bzw. 5b) der piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) kontaktieren.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, der in unterschiedlichsten Stellgliedaktuatoren eingesetzt werden kann. Der Einsatz solcher Piezoaktoren ist vielseitig und nicht auf spezielle technische Gebiete beschränkt.
• Gattungsgemäße Piezoaktoren bestehen aus einer Mehrzahl übereinandergestapelter Schichten aus piezoelektrischem Material mit dazwischen angeordneten Elektroden, so genannten „Innenelektroden". Zwei Außenelektroden kontaktieren die Innenelektroden wechselseitig derart, dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Außenelektroden über die Innenelektroden eine elektrische Spannung an jede einzelne piezoelektrische Schicht angelegt wird. Aufgrund der besonderen Kristallstruktur von piezoelektrischem Material stellt sich dabei ein Piezoeffekt ein, d. h. abhängig von der angelegten Spannung lässt sich beispielweise im Millisekunden-Bereich eine definierte Dickenänderung der piezoelektrischen Schichten erreichen. Auf diese Weise kann mittels des Piezoaktors eine Stellbewegung hevorgerufen werden.
• DE 199 46 835 A1 beschreibt einen solchen Piezoaktor, bei dem jede einzelne piezoelektrische Schicht (Piezolage) aus einer Mehrzahl übereinandergestapelter Piezofolien besteht. Auf die oberste Piezofolie wird jeweils eine Innenelektrode aufgebracht, beispielsweise im Siebdruckverfahren. Da die Innenelektroden seitlich von Außenelektroden kontaktiert werden, ist jede zweite Innenelektrode, nämlich die jeweils nicht-kontaktierte Innenelektrode, zur Vermeidung eines Kurzschlusses innerhalb des Lagenaufbaus etwas zurückversetzt. Das heißt, die Innenelektrode ist nicht vollflächig auf der jeweils obersten Piezofolie aufgedruckt, sondern erstreckt sich nur auf derjenigen Seite bis zur Kante des Piezofolienstapels, die von der Außenelektrode kontaktiert werden soll.
• Die DE 199 28 191 A1 beanstandet an diesem Stand der Technik, dass der Druckaufwand bei der Erzeugung der Innenelektroden wegen der gezielten Aussparung von Druckflächen erhöht ist. Stattdessen wird vorgeschlagen, die Piezolagen in einem einfachen Druckverfahren vollständig zu bedrucken und von jeder Piezolage wechselseitig einen Bereich zu entfernen. Beim Übereinanderstapeln der Piezolagen liegen dementsprechend die ausgesparten Bereiche wechselseitig übereinander, wodurch sichergestellt ist, dass die Außenelektroden, wenn sie über diese Bereiche geführt sind, nur jede zweite Innenelektrode kontaktieren. Die Breite der Aussparung, in der das Piezolagenmaterial entfernt wird, soll dabei nicht größer als die zweifache Schichtdicke der Piezolage betragen.
• Es ist ersichtlich, dass der Vorteil, die gesamte Piezolage in einem einfachen Druckverfahren vollständig mit Innenelektroden zu bedrucken, durch den Nachteil erkauft wird, nach dem Druckvorgang einen Bereich aus einer jeden Piezolage zu entfernen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen mehrschichtigen Piezoaktor mit hoher Zuverlässigkeit vorzuschlagen, der einfach und kostengünstig herzustellen ist.
• Diese Aufgabe wird durch einen Piezoaktor gelöst, der eine Mehrzahl piezoelektrischer Schichten umfasst, die entlang einer Längsmittelachse des Piezoaktors übereinander gestapelt sind, und der dazwischen angeordnete Innenelektroden besitzt, die sich jeweils über eine piezoelektrische Schicht vorzugsweise vollflächig erstrecken, wobei Außenelektroden mit den Innenelektroden so kontaktiert sind, dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Außenelektroden über die Innenelektroden eine mechanische Reaktion der piezoelektrischen Schichten hervorrufbar ist. Dabei sind die piezoelektrischen Schichten erfindungsgemäß relativ zur Längsmittelachse des Piezoaktors wechselweise versetzt angeordnet.
• Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Schichten relativ zur Längsmittelachse des Piezoaktors abwechselnd in entgegengesetzter Richtung versetzt angeordnet. Sie können aber auch beispielsweise relativ zur Längsmittelachse in einem Winkel verdreht zueinander angeordnet sein. In jedem Falle ergibt sich daraus ein Piezostapel, bei dem diejenigen Piezolagen, die relativ zur Längsmittelachse des Piezostapels in derselben Weise versetzt angeordnet sind, mit ihren Schmalseiten auf derselben Seite des Piezostapels seitlich herausragen, wobei diese Schmalseiten vorzugsweise fluchtend zueinander angeordnet sind, damit sie in einfacher Weise mittels einer Außenelektrode kontaktiert werden können.
• Der Vorteil der erfindungsgemäß wechselweise versetzt angeordneten piezoelektrischen Schichten besteht darin, dass alle piezoelektrischen Schichten zuverlässig ohne Kurzschlussgefahr über die aus dem Stapel seitlich herausragenden Schmalseiten mittels der Außenelektroden kontaktiert werden können, ohne dass es notwendig ist, zuvor irgendwelche speziellen Bereiche der einzelnen Piezolagen zu entfernen. Insbesondere können die Innenelektroden vorteilhafterweise vollflächig auf den piezoelektrischen Schichten angeordnet werden, d.h. derart dass sie sich bis zu allen Seitenkanten erstrecken. Dies ist allerdings nicht zwingend notwendig.
• Die Innenelektroden können als elektrisch leitende Beschichtung auf den Piezolagen ausgebildet sein, insbesondere aufgedruckt sein, und erstrecken sich vorzugsweise bis auf eine Oberfläche der seitlich aus dem Piezostapel herausragenden Schmalseiten der Piezolagen. Letztgenannte Maßnahme erleichtert das Kontaktieren der Innenelektroden mit den Außenelektroden. Das Kontaktieren der Innenelektroden mit den Außenelektroden kann vorteilhaft mittels z.B. einer Bondverbindung, Lötverbindung und/oder Kontaktklebeverbindung erfolgen. Dabei kann Kontaktierung (insbesondere Außenkontaktierung) redundant ausgeführt sein, d.h. es werden beispielsweise mehrere parallele Bonddrähte verwendet.
• Die Piezolagen sind untereinander vorzugsweise hartverlötet. Vorteilhaft wird dazu als Lötmittel glasfrittehaltige Silberpaste eingesetzt. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Piezostapelaktors die Piezolagen mit glasfrittehaltiger Silberpaste (z.B. AgPT) bedruckt, anschließend wie beschrieben gestapelt und unter Druck und Hitze zusammengefügt, d.h. hartgelötet. Im Anschluss erfolgt die Aussenkonatktierung und das Passivieren des Stapels mit Isolationswerkstoff.
• Die Piezolagen selbst werden vorzugsweise durch PZT-Platten gebildet. PZT-Platten sind Platten aus piezoelektrischen Keramikmaterialien auf der Basis von Bleizirkonattitanat (PZT). PZT-basierte Keramiken werden beispielsweise in der DE 10 2004 031 307 A1 beschrieben.
• Der gesamte Piezoaktor ist vorteilhafterweise außenseitig mittels eines Isolationswerkstoffs passiviert. Dieser Isolationswerkstoff füllt auch die Räume zwischen den seitlich aus dem Piezostapel herausragenden Piezolagen aus. Dabei kann es vorteilhaft sein, zunächst nur diese Zwischenräume aufzufüllen, so dass bei der Kontaktierung der Außenelektroden mit den Innenelektroden keine Freiräume zwischen den Piezolagen zu überbrücken sind, sondern die Außenelektroden vielmehr auf einer glatten äußeren Oberfläche des Piezoaktors aufliegen, wenn sie mit den Innenelektroden kontaktiert werden.
• Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der einzigen Zeichnung erläutert, die schematisch den mehrschichtigen Aufbau eines erfindungsgemäßen Piezoaktors im Querschnitt, jedoch ohne den außenseitigen passivierenden Isolationswerkstoff zeigt.
• Der Piezoaktor 1 besteht aus einer Mehrzahl piezoelektrischer Schichten 2a, 2b, die zwischen zwei Kopfstücken 3 abwechselnd übereinandergestapelt sind. Jede Piezolage 2a, 2b ist auf einer Hauptseite vollflächig mit einer Innenelektrode 4a bzw. 4b beschichtet. Diese Beschichtung erstreckt sich jeweils über eine Seiten kante hinaus bis auf die Oberfläche einer Schmalseite 5a bzw. 5b einer jeden Piezolage 2a, 2b.
• Die Piezolagen 2a, 2b sind bezüglich der Längsmittelachse 6 des Piezoaktors 1 wechselseitig in entgegengesetzte Richtungen seitlich versetzt angeordnet, nämlich derart, dass die Piezolagen 2a, 2b jeweils mit ihren Schmalseiten 5a bzw. 5b, auf die sich die zugehörigen Innenelektroden 4a bzw. 4b erstrecken, seitlich aus dem Piezostapel herausragen, so dass ein Kurzschluss zwischen benachbarten Innenelektroden 4a, 4b ausgeschlossen ist. Ein Kurzschluss tritt auch nicht durch die anschließende Kontaktierung der Innenelektroden 4a, 4b mit den beiden Außenelektroden 7a bzw. 7b auf. Die Kontaktierung kann beispielsweise durch Bonddrähte (nicht dargestellt), die für eine redundante Auslegung auch mehrfach und/oder parallel vorgesehen sein können, realisiert werden.
• Um sicherzustellen, dass ein derartiger Kurzschluss unter keinen Umständen auftreten kann, ist es zweckmäßig, den Zwischenraum zwischen den aus dem Piezostapel herausragenden Schmalseiten 5a, 5b der Piezolagen 2a, 2b mit elektrisch isolierendem Material 8 zu füllen, bevor die Außenelektroden 7a, 7b aufgebracht werden. Für das Aufbringen der Außenelektroden 7a, 7b ist es weiterhin von Vorteil, dass die mittels einer Außenelektrode zu kontaktierenden Schmalseiten 5a bzw. 5b fluchtend übereinander liegen. Anschließend kann der gesamte Piezostapel rund herum mittels eines geeigneten Isolationswerkstoffs passiviert werden.
• Der Piezoaktor 1 arbeitet mit hoher Zuverlässigkeit und weist wegen besonders günstiger Feld- und Dehnungsverteilung eine geringe Rissbildungsneigung auf. Die Herstellung dieses mehrschichtigen Piezoaktors ist besonders einfach, da z.B. PZT-Platten lediglich mit glasfrittehaltiger Silberpaste (z.B. AlPt) bedruckt werden, gestapelt und anschließend unter Druck und Hitze gefügt, d.h. hargelötet werde, bevor die Aussenkontaktierung sowie eine anschließende Passivierung des Sta pelpiezoaktors mit Isoolationswerkstoff erfolg. Dabei schränkt der Herstellungsprozess die Piezomaterialauswahl keineswegs ein.

Claims (11)

1. Piezoaktor (1), umfassend – eine Mehrzahl piezoelektrischer Schichten (2a, 2b), die entlang einer Längsmittelachse (6) des Piezoaktors (1) übereinandergestapelt sind, wobei – zwischen den piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) angeordnete, sich jeweils über eine piezoelektrische Schicht erstreckende Innenelektroden (4a, 4b) und – Außenelektroden (7a, 7b), die mit den Innenelektroden (2a, 2b) so kontaktiert sind, dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Außenelektroden (7a, 7b) über die Innenelektroden (4a, 4b) eine mechanische Reaktion der piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) hervorrufbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) relativ zur Längsmittelachse (6) des Piezoaktors (1) wechselweise versetzt angeordnet sind.
2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) relativ zur Längsmittelachse des Piezoaktors (1) abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen versetzt sind.
3. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Piezostapel seitlich herausragende Schmalseiten (5a, 5b) von in derselben Weise zur Längsmittelachse (6) versetzten piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) fluchtend angeordnet sind.
4. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Innenelektroden (4a, 4b) über die piezoelektrischen Schichten vollflächig erstrecken.
5. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Innenelektroden (4a, 4b) auf Oberflächen der seitlich aus dem Pie zostapel herausragenden Schmalseiten (5a, 5b) erstrecken und dort mit den Außenelektroden (7a, 7b) kontaktiert sind.
6. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenelektroden (4a, 4b) als elektrisch leitende Beschichtung auf den piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) ausgebildet sind.
7. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden (7a, 7b) mit den Innenelektroden (4a, 4b) mittels einer Bondverbindung, Lötverbindung und/oder Kontaktklebeverbindung kontaktiert sind.
8. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) PZT-Platten umfassen.
9. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Innenelektoden (4a, 4b) beschichteten piezoelektrischen Schichten (2a, 2b) miteinander hartverlötet sind.
10. Piezoaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Lötmittel glasfrittehaltige Silberpaste vorhanden ist.
11. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine außenseitige Passivierung mittels Isolationswerkstoff.