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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor,
beispielsweise zur Betätigung
eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach
den gattungsgemäßen Merkmalen
des Hauptanspruchs.
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Es ist allgemein bekannt, dass unter
Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem
Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden
kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen
Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die
in Abhängigkeit
von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen
Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.
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Der Aufbau dieses Piezoaktors kann
hier in mehreren Schichten als sogenannte Multilayer-Aktoren erfolgen,
wobei die Innenelektroden, über
die die elektrische Span nung aufgebracht wird, jeweils zwischen
den Schichten angeordnet werden. Hierzu werden zum Beispiel wechselseitig
gestapelte sog. PZT-Folien mit aufgedruckten Elektrodenflächen als Innenelektroden
hergestellt. Dabei hat eine Folie ihren Anschluss jeweils nur auf
einer Anschlussseite und auf der gegenüberliegenden Seite muss ein Rand
ohne Elektrode mit einem Isolationsabstand verbleiben. Außen werden
dann die beiden Seiten durch Außenelektroden
verbunden. So entsteht in an sich bekannter Weise der Piezoaktor
wie ein Kondensator mit vielen Platten.
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Üblicherweise
werden die Innenelektroden in einem Durchgang, also eine Schicht,
siebbedruckt. Damit erhält
man eine ziemlich gleichmäßige Schichtdicke
bis etwa 1 μm
Dicke, wobei allerdings nur ca. 2–3 μm Schichtdicke im Produkt realisierbar ist
und dabei jedoch sicherzustellen ist, dass ausreichend Querschnitt
zum Stromfluss vorhanden ist. Der Werkstoff der Elektroden ist beispielsweise
Silber-Palladium und somit sehr teuer.
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Weiterhin ist zu beachten, dass die
Ladung schnell in diese Schichten für die grundsätzliche Funktion
des Piezoaktors als schneller Steller eingebracht werden muss, so
dass hier ein hoher Strom fließt.
Dünnere
Schichten bedeuten hierbei eine höhere Belastung des Leiters
und somit einen unerwünschten
elektrischen Widerstand, der zu einer Stellzeitreduzierung und demzufolge
auch zu Energieverlust, der bei einem Kraftfahrzeug aus der Batterie
ausgeglichen werden muss, führt.
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Falls die Kühlung der Leiterbahn der Innenelektroden
bei der bekannten Anordnung nicht mehr ausreicht oder Überhitzungen
der Leiterbahnen eintreten, kann der innere Anschluss an der Verbindung zur
Außenelektrode
abschmelzen mit Funkenbildung und Folgeschädigung der Piezokeramik. weiterhin kann
auch ein Hubverlust des Piezoaktors oder eine sonst wie reduzierte
Funktion bis zu einem Ausfall eintreten. Die Schichten der Innenelektroden
sind somit nicht beliebig dünn
realisierbar, da für
eine sichere Funktion eine flächendeckende
Mindestdicke erforderlich ist.
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Es ist ein Piezoaktor der eingangs
beschriebenen Art aus der
DE
199 28 177 A1 bekannt, bei dem mit einer Formgebung des
Mehrschichtaufbaus gezielt eine erhöhte mechanische Spannung im
Bereich der neutralen Phasen zur Verhinderung der Rissbildung aufgebracht
ist. Hierzu weisen besonders gestaltete Elektroden im Mehrschichtaufbau
im Bereich der neutralen Phase jeweils eine Verdickung auf.
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Vorteile der
Erfindung
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Der eingangs beschriebene Piezoaktor,
der beispielsweise zur Betätigung
eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, ist in vorteilhafter Weise
mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten
Elektroden aufgebaut, wobei die Innenelektroden des Mehrschichtaufbaus
jeweils im Anschlussbereich der Außenelektroden eine Verdickung
aufweisen. Erfindungsgemäß sind die
Innenelektroden aus mehreren Druckschichten zusammengesetzt, wobei
in der Folge der übereinandergedruckten
Schichten sich verkleinernde Teilflächen aufgedruckt sind, die
mit ihrem größten Querschnitt
jeweils an den Anschlussbereich der Außenelektroden anschließen.
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Bei unterschiedlichen Ausführungsformen können die
sich verkleinernden Teilflächen
in vorteilhafter Weise rechteckförmig,
dreieck- oder sägezahnförmig sein.
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Bei einem vorteilhaften Verfahren
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Piezoaktors kann in einem
ersten Verfahrensschritt eine Druckschicht für die gesamte Innenelektrodenfläche aufgebracht werden,
beispielsweise mit einem Siebdruckverfahren, und in weiteren Verfahrensschritten
werden Druckschichten mit fortlaufend kleineren Teilflächen aufgebracht.
Beim Laminieren des Piezoaktors wird dann der gesamte Mehrschichtaufbau
derart verpresst, dass der Höhenversatz
der Druckschichten der Innenelektroden wechselseitig ausgeglichen wird.
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Mit der Erfindung ist erreicht, dass
möglichst große Stromflussquerschnitte
für gleichmäßige und schnelle
Ladungsverteilung in den Innenelektroden bereitgestellt werden,
bei möglichst
wenig Edelmetalleinsatz für
die Innenelektroden und mit bis zu ca. 30% Einsparung der Siebdruckmasse.
Ein wechselseitiges Stapeln zum Ausgleich der Schieflage ist dabei
grundsätzlich
durchführbar
und zum Beispiel siebdrucktechnisch in mehreren Schritten einfach herstellbar.
Das Layout des Druckes ist dabei so gestaltbar, dass ein lückenloses
Ineinandergreifen ohne Hohlräume
im Stapel erfolgt und keine Veränderungen
der Außenabmessungen
sowie nur geringe elektrische Verluste auftreten.
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Die Ladung verteilt sich durch die
Keilform der Innenelektroden nahezu gleichmäßig auf die gesamte Fläche, so
dass am Eingang ein hoher Strom, kurz vor dem Ende der Leiterbahn
der Innenelektrodenbahn ein geringer Strom fließt. Besonders günstig ist
es, wenn ein Flächenleiter
mit möglichst
gleicher Stromdichte im jeweiligen Querschnitt entsteht, so dass
der Leitungswiderstand der Stromstärke reziprok angenähert wird.
Im Vergleich zu einer konstanten Schichtdicke von 2 μm können ca.
25% Material und zu einer konstanten Schichtdicke von 3 μm können ca.
33% des teuren Edelmetalls der Innenelektroden eingespart werden.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors
werden anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch einen Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen
aus Piezokeramik und Elektroden nach dem Stand der Technik,
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2 eine
Draufsicht auf den Lagenaufbau der Innenelektroden nach der 1 mit den wechselseitigen
elektrischen Anschlüssen,
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3a und 3b eine Draufsicht und eine Schnittansicht
auf die erfindungsgemäße Anordnung von
mehren sich verkleinernden Druckschichten in Rechteckform,
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4 und 5 eine Draufsicht auf die
erfindungsgemäße Anordnung
von mehren keil- oder sägezahnförmig sich
verkleinernden Druckschichten und
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6 bis 8 Detailansichten des Ausführungsbeispiels
nach den 4 und 5 zur Erläuterung der gegeneinander versetzten
Teilflächen
der Innenelektroden.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Piezoaktor 1 im Prinzip nach dem Stand der Technik
gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezofolien 2 eines
Quarzmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so
dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen
Spannung an Innenelektroden 3 und 4 über Kontaktflächen 5 und 6 eine
mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt.
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In 2 ist
eine Draufsicht auf eine Elektrode 3 und auf eine durch
eine gestrichelte Linie gekennzeichnete Innenelektrode 4 gezeigt,
wobei zu erkennen ist, dass die Innenelektrode 3 links
an die Außenelektrode 5 und
die Innenelektrode 4 rechts an die Außenelektrode 6 angeschlossen
ist. Erfindungsgemäß ist eine
links angeschlossene Innenelektrode nach 3a durch rechteckförmige Teilelektroden 10, 11 und 12 ausgebildet,
deren geometrische Formen in 3b in
der Schnittansicht zu erkennen sind. Hier ist auch die darunter
liegende rechts angebundene Innenelektrode erkennbar, die ebenfalls durch
Teilelektroden 13, 14 und 15 gebildet
ist.
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Nach der Erfindung erfolgt das Aufbringen der
Teilelektroden 12 oder 15 jeweils vorzugsweise
in einer dünnen
Siebdruckschicht, z.B. von 1 μm
Dicke für
die gesamte zu bedruckende Fläche.
Im zweiten Schritt wird jeweils eine kleinere Teilfläche 11 oder 14,
beginnend am Kontaktierungsrand zu den Außenelektroden 5 oder 6 aufgetragen
und in weiteren Schritten werden weitere verkleinerte Flächen, hier Teilelektroden 10 oder 13,
im Siebdruckverfahren aufgedruckt. Die Formen sind dabei so gewählt, dass bei
wechselseitigem Stapeln vieler Schichten, hier jeweils um 180° verdreht,
aufsummiert keine Hohlräume
entstehen können.
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Die Fügeformen der Teilelektroden
können wie
bei den 3a und 3b aus Rechteckflächen bestehen
oder, wie anhand von 4 bis 8 noch erläutert, auch
aus dreieckförmigen
oder auch sägezahnförmigen Flächen bestehen.
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Beim Laminieren wird der zuvor beschriebene
Stapel verpresst und der Höhenversatz
wechselseitig ausgeglichen. Bei resultierenden Piezokeramik-Schichten
von 70μ100 μm ergeben
Schichtdickenschwankungen von ca. 2 μm hier nur sehr geringe Winkelfehler.
Diese gleichen sich aber durch die wechselseitige Anbindung an die
Außenelektroden 5 und 6 aber
paarweise immer aus. Vorteilhaft können insgesamt zwei oder drei
Siebdruckschichten hergestellt werden, da einerseits die minimale
Druckdicke etwa 1 μm
beträgt
und andererseits dann die Gesamtdicke der Innenelektrode dicker
wird als erforderlich.
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Beim Ausführungsbeispiel nach der 4 sind Teilelektroden 16 und 17 gezeigt,
die aus gleichschenkligen Dreiecken bestehen, wobei die Gegenseite
dann immer das passende, versetzte Dreieck bildet. Beim Ausführungsbeispiel
nach der 5 sind Teilelektroden 18 und 19 gezeigt,
die aus Dreiecken mit einem rechten Winkel bestehen, wobei auch hier
die Dreiecke auf Umschlag genau ineinander passen, so dass wiederum
der Höhenausgleich
hergestellt werden kann.
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Vorteilhaft hierbei ist, dass immer
das gleiche Muster im Siebdruckverfahren verwendet werden kann und
immer das gleiche Vorgehen erfolgt, so dass der bisher übliche Herstell-
und Siebdruckprozess beibehalten werden kann. In der Abfolge der 6 bis 8 ist dieses Vorgehen beim Ineinanderpassen
der Teilelektroden 18 und 19 aus der 5 im Detail gezeigt. Auch
hier ist wieder der Höhen-
und Volumenausgleich mit der jeweils nächsten, gewechselt eingesetzten
Piezofolie gewährleistet.