DE19928180A1 - Piezoaktor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, bei dem ein Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwischen angeordneten Innenelektroden (3, 4) vorhanden sind. Es wird eine wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (3, 4) mit Außenelektroden (5, 6) an einer Seite des Piezoaktors (1) vorgenommen, wobei jeweils an der Piezolage (2), die keine zu kontaktierende Innenelektrode (3, 4) trägt, ein vorgegebener Bereich (8; 9; 10; 11) der Innenelektrode (3, 4) im Bereich der Kontaktierung ausgespart ist. Zwischen den Kontaktierungen der Außenelektroden (5, 6) kann an den Piezolagen (2) eine Nut (12) vorgesehen werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des soge­ nannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung er­ folgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebe­ reiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.

Der Aufbau dieses Piezoaktors kann hier in mehreren Schichten erfolgen (Multilayer-Aktoren), wobei die In­ nenelektroden, über die die elektrische Spannung aufge­ bracht wird, jeweils zwischen den Schichten, z. B. mit ei­ nem Druckverfahren, aufgebracht werden. In üblicher Weise werden die bedruckten Flächen unterschiedlicher Polarität gegeneinander versetzt, damit hier eine seitliche Kontak­ tierung mit Außenelektroden möglich ist. Da die jeweils an einer Seite kontaktierten Innenelektroden somit kamm­ artig in den Lagenaufbau integriert sind, müssen die In­ nenelektroden außen derart kontaktiert werden, dass bei Anlage einer Gleichspannung zwischen Piezolagen Kapazitä­ ten gebildet werden. Die kontaktierten Elektroden können dabei in der Regel nicht immer vollständig bis an die ge­ genüberliegende Seite geführt werden, da sonst Spannungs­ überschläge zur Zerstörung des Piezoaktors führen können.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, ist mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Elektroden aufgebaut. In vor­ teilhafter Weise ist gemäß der Erfindung eine wechselsei­ tige Kontaktierung der Innenelektroden mit Außenelektro­ den nur an einer Seite des Piezoaktors vorgesehen. Hier­ bei ist jeweils an der Piezolage, die keine zu kontaktie­ rende Innenelektrode trägt, ein vorgegebener Bereich der Innenelektrode im Bereich der Kontaktierung ausgespart. Der beispielsweise durch Nichtbedrucken ausgesparte Be­ reich erstreckt sich über einen vorgegebenen Abstand zu der an der jeweils anderen Piezolage angebrachten Kontak­ tierung.

Mit der erfindungsgemäßen einseitigen äußeren Kontaktie­ rung des Piezoaktors kann die Herstellung des Piezoaktors wesentlich vereinfacht werden, da die Kontaktierung für den Plus- und den Minuspol der anzulegenden Gleichspan­ nung in einem Arbeitsschritt an einer für die äußeren An­ schlüsse bevorzugten Seite des Piezoaktors vorgenommen werden kann.

Der ausgesparte Bereich kann sich z. B. bis zu der nächst­ liegenden Ecke des Piezoaktors oder bis zu der Kontaktie­ rung an der eigenen Piezolage bzw. sich über die ganze Seite des Piezoaktors, an der die Außenelektroden ange­ bracht sind, erstrecken, mit Ausnahme der Kontaktierung an der eigenen Piezolage. Je breiter der Bereich ohne Elektrodenschicht ist, um so breiter ist eine Kontaktie­ rung der Außenelektroden möglich; je schmaler der Bereich ist, um so größer ist der Piezoeffekt, der nur zwischen den Innenelektroden auftreten kann. Es ergibt sich damit für jeden Anwendungsfall eine optimierte Gestaltung der Innenelektroden mit den ausgesparten Bereichen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind im Bereich zwischen den Kontaktierungen der Außenelektroden die Piezolagen einen vorgegebenen Betrag nach innen aus­ gespart, zur Bildung einer Nut. Diese Nut verhindert beim Bearbeiten der Oberfläche des Piezoaktors bei der Anbrin­ gung der Außenelektroden eine Verschmieren des Elektro­ denmaterials zwischen den Außenelektroden und führt daher zu einer deutlichen Verbesserung der Durchschlagfestig­ keit des Piezoaktors.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun­ gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre­ ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs­ form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh­ rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Ansicht eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Pizokeramik mit an einer Seite angebrachten Außenelektroden;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf zwei ab­ wechselnd im Stapelaufbau übereinander liegende Pie­ zolagen nach der Fig. 1 mit ausgesparten Bereichen der Innenelektrodenschicht nach einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf zwei ab­ wechselnd im Stapelaufbau übereinander liegende Pie­ zolagen nach der Fig. 1 mit ausgesparten Bereichen der Innenelektrodenschicht nach einem zweiten Aus­ führungsbeispiel;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf zwei ab­ wechselnd im Stapelaufbau übereinander liegende Pie­ zolagen nach der Fig. 1 mit ausgesparten Bereichen der Innenelektrodenschicht nach einem dritten Aus­ führungsbeispiel;

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf zwei ab­ wechselnd im Stapelaufbau übereinander liegenden Piezolagen nach der Fig. 1 mit ausgesparten Berei­ chen der Innenelektrodenschicht nach einem vierten Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf zwei ab­ wechselnd im Stapelaufbau übereinander liegenden Piezolagen mit ausgesparten Bereichen der Innenelek­ trodenschicht und mit einer Nut in den Piezolagen zwischen den Außenelektroden;

Fig. 7 eine Ansicht eines Piezoaktors mit teilweise sichtbaren Innenelektroden und Außenelektroden nach der Fig. 5 und

Fig. 8 eine Ansicht eines Piezoaktors nach der Fig. 6.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezolagen 2 eines Keramikmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Gleichspannung an In­ nenelektroden 3 und 4 über außen kontaktierte Elektroden 5 und 6 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 er­ folgt.

In der Fig. 1 sind nur einige Innenelektroden 3 und 4 schematisch angedeutet und die Außenelektroden 5 und 6 sind als flächige Elektroden ausgeführt, wobei jeweils eine Außenelektrode 5 oder 6 an Kontaktstellen mit je­ weils den, die gleiche Polarität aufweisenden Innenelek­ troden 2 oder 3, kontaktiert sind. Die Innenelektroden 3 und 4 sind jeweils abwechselnd in den Bereichen, an denen sie nicht mit einer Außenelektrode 5 oder 6 kontaktiert sind, durch einen ausgesparten Bereich nach innen ver­ setzt.

Anhand Fig. 2 ist im rechten Teil eine Piezolage 2a im Detail zu erkennen, bei der ein ausgesparter Bereich 8a der Innenelektrode 3 an der unteren Ecke angeordnet ist. Bei einer Piezolage 2b im linken Teil der Fig. 2 ist ein ausgesparter Bereich 8b an der oberen Ecke der Innenelek­ trode 4 angebracht. Die Außenelektroden 5 und 6 sind je­ weils mit den Innenelektroden 3 und 4 auf der jeweiligen Piezolage 2 kontaktiert, die dort keinen ausgesparten Be­ reich aufweist.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für die Innenelektroden 2 gezeigt, wobei im rechten Teil eine Piezolage 2a mit einer halbkreisförmigen Aussparung 9a an der Innenelektrode 3 und eine Kontaktierung der Außene­ lektrode 6 dargestellt ist. Bei einer Piezolage 2b im linken Teil der Fig. 3 ist eine halbkreisförmige Ausspa­ rung 9b an der Innenelektrode 4 und eine Kontaktierung der Außenelektrode 5 gezeigt.

Ein drittes Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zeigt eine Piezolage 2b, bei der der ausgesparte Bereich 10b sich bis zu der Außenelektrode 5 erstreckt, über die die Kon­ taktierung an der eigenen Piezolage 2b vorgenommen wird. Aus Fig. 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel für die Piezolagen 2 zu entnehmen, wobei der ausgesparte Bereich 11a bei der oberen Innenelektrode 3 sich über die ganze Seite des Piezoaktors 1 erstreckt, lediglich die Kontak­ tierung mit der Außenelektrode 6 ist hier nicht ausge­ spart. Bei der unten dargestellten Piezolage 2b erstreckt sich der ausgesparte Bereich 11b ebenfalls über die ganze Seite des Piezoaktors 1, wobei auch hier lediglich die Kontaktierung mit der Außenelektrode 5 nicht ausgespart ist. Ein Draufsicht auf die entsprechende Seite des Pie­ zoaktors 1 nach der Fig. 5 zeigt Fig. 7 mit den sicht­ baren Innenelektroden 3 und 4 im linken Teil und den dar­ an kontaktierten Außenelektroden 5 und 6 im rechten Teil.

Ein fünftes Ausführungsbeispiel für die Piezolagen 2 ist Fig. 6 und Fig. 8 zu entnehmen, wobei die ausgesparten Bereiche 11a und 11b der Anordnung nach den Fig. 5 und 7 entsprechen. Im Unterschied zu der Anordnung nach den Fig. 5 und 7 sind hier im Bereich zwischen den Kontak­ tierungen der Außenelektroden S und 6 die Piezolagen 2, bzw. 2a und 2b einen vorgegebenen Betrag nach innen aus­ gespart, zur Bildung einer Nut 12, mit der die Isolation zwischen den Außenelektroden 5 und 6 verbessert ist, was zu einer deutlichen Erhöhung der Durchschlagfestigkeit des Piezoaktors 1 führt.

Claims (7)

1. Piezoaktor, mit

• - einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwi­ schen angeordneten Innenelektroden (3, 4) und mit
• - einer wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektro­ den (3, 4) mit Außenelektroden (5, 6) an einer Seite des Piezoaktors (1), wobei
• - jeweils an der Piezolage (2), die keine zu kontaktie­ rende Innenelektrode (3, 4) trägt, ein vorgegebener Be­ reich (8; 9; 10; 11) der Innenelektrode (3, 4) im Bereich der Kontaktierung ausgespart ist.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

• - der ausgesparte Bereich (8; 9; 10; 11) sich über einen vorgegebenen Abstand zu der an der jeweils anderen Piezolage (2) angebrachten Kontaktierung erstreckt.

3. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

• - der ausgesparte Bereich (8) sich bis zu der nächstlie­ genden Ecke des Piezoaktors (1) erstreckt.

4. Piezoaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass

• - der ausgesparte Bereich (10) sich bis zu der Kontak­ tierung an der eigenen Piezolage erstreckt.

5. Piezoaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass

• - der ausgesparte Bereich (11) sich über die ganze Seite des Piezoaktors (1), an der die Außenelektroden (5, 6) angebracht sind, erstreckt, mit Ausnahme der Kontak­ tierung an der jeweils eigenen Piezolage (2).

6. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

• - im Bereich zwischen den Kontaktierungen der Außenelek­ troden (5, 6) die Piezolagen (2) einen vorgegebenen Be­ trag nach innen ausgespart sind, zur Bildung einer Nut (12).

7. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

• - der Piezoaktor (1) zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen heranziehbar ist.