DE102011014446A1

DE102011014446A1 - Piezoaktor und Verfahren zur Kontaktierung eines Piezoaktors

Info

Publication number: DE102011014446A1
Application number: DE102011014446A
Authority: DE
Inventors: Dr. Rinner Franz
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Piezoaktor (1) in Vielschichtbauweise, bei dem piezoelektrische Schichten (3) und Elektrodenschichten (4, 4') übereinander zu einem Stapel angeordnet sind, wobei eine Mehrzahl von Elektrodenschichten (4, 4') an einer Seitenfläche (2) des Stapels aus dem Stapel herausführen. An der Seitenfläche (2) ist ein Elektrodenschichtkontakt (5) angeordnet, und wobei eine Außenelektrode (8) mit dem Elektrodenschichtkontakt (5) elektrisch leitend verbunden ist zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Elektrodenschichten (4, 4') und der Außenelektrode (8). Die Außenelektrode (8) weist kontaktierte und unkontaktierte Abschnitte auf, wobei der jeweilige kontaktierte Abschnitt mechanisch und elektrisch mit dem Elektrodenschichtkontakt (5) verbunden ist. Jeder Elektrodenschicht (4, 4') ist wenigstens ein kontaktierter Abschnitt der Außenelektrode (8) zugeordnet. Weiterhin wird ein Verfahren zur Kontaktierung eines Piezoaktors (1) in Vielschichtbauweise angegeben.

Description

Es wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise sowie ein Verfahren zur Kontaktierung eines Piezoaktors angegeben.
Piezoaktoren umfassen im Allgemeinen mehrere Schichten eines piezoelektrischen Materials. Zwischen diesen piezoelektrischen Schichten sind Elektrodenschichten angeordnet. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrodenschichten dehnen sich die piezoelektrischen Schichten aus, wodurch ein Hub erzeugt wird. Piezoaktoren können zum Beispiel zum Betätigen eines Einspritzventils in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
Piezoaktoren sind beispielsweise aus der DE 10 2004 031 404 A1 und der DE 10 2006 025 177 A1 bekannt.
Eine Aufgabe ist es, einen Piezoaktor anzugeben, der eine erhöhte Zuverlässigkeit aufweist. Weiterhin ist es eine Aufgabe ein Verfahren zur Kontaktierung eines Piezoaktors anzugeben, wodurch die Zuverlässigkeit des Piezoaktors erhöht wird.
Es wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise angegeben. Bei dem Piezoaktor sind piezoelektrische Schichten und Elektrodenschichten übereinander zu einem Stapel angeordnet. Insbesondere sind die Elektrodenschichten zwischen den einzelnen piezoelektrischen Schichten angeordnet. Eine Mehrzahl von Elektrodenschichten führt an einer Seitenfläche des Stapels aus dem Stapel heraus. Insbesondere reichen unterschiedlicher Polarität zugeordnete Elektrodenschichten an jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen des Stapels bis an die Oberfläche des Stapels. Der Piezoaktor ist vorzugsweise als monolithisches Bauelement ausgeführt.
An der Seitenfläche ist ein Elektrodenschichtkontakt, beispielsweise eine Metallisierung, angeordnet. Die Metallisierung dient dazu eine Mehrzahl von Elektrodenschichten elektrisch leitend miteinander zu verbinden. Die Außenelektrode ist mit dem Elektrodenschichtkontakt elektrisch leitend verbunden zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Elektrodenschichten und der Außenelektrode. Die Außenelektrode weist kontaktierte Abschnitte auf. Die Außenelektrode weist unkontaktierte Abschnitte auf. Der jeweilige kontaktierte Abschnitt ist mechanisch und elektrisch mit dem Elektrodenschichtkontakt verbunden. Vorzugsweise weist der kontaktierte Abschnitt einen Kontaktpunkt auf. Vorzugsweise ist der jeweilige unkontaktierte Abschnitt nicht mechanisch und elektrisch mit dem Elektrodenschichtkontakt verbunden. Jeder Elektrodenschicht ist wenigstens ein kontaktierter Abschnitt der Außenelektrode zugeordnet.
Wird an den Piezoaktor, insbesondere an die Elektrodenschichten, eine elektrische Spannung angelegt, deformieren sich die piezoelektrischen Schichten. Dadurch verformt sich auch die Außenelektrode. Im Bereich der unkontaktierten Abschnitte steht die Außenelektrode nicht in mechanischem Kontakt mit dem Elektrodenschichtkontakt. Dadurch ist die Außenelektrode in dem Bereich zwischen den kontaktierten Abschnitten, also im Bereich der unkontaktierten Abschnitte, deformierbar, ohne dass diese Deformation auf die kontaktierten Abschnitte übergreift. Dies dient zur Zugentlastung der Außenelektrode. Ein Auftreten von Rissen in der Außenelektrode kann somit unterdrückt oder gar komplett vermieden werden. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Piezoaktors erhöht.
In einer vorteilhaften Ausführung sind jeder Elektrodenschicht zwei, drei oder mehr kontaktierte Abschnitte der Außenelektrode zugeordnet.
Dadurch kann eine Redundanz der Kontaktierung des Piezoaktors erreicht werden. Treten Risse in einem kontaktierten Abschnitt auf, so kann eine zuverlässige Kontaktierung des Piezoaktors über die weiteren kontaktierten Abschnitte der Außenelektrode sichergestellt werden. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Piezoaktors weiter erhöht.
In einer vorteilhaften Ausführung ist einer der Elektrodenschichten genau dann ein kontaktierter Abschnitt der Außenelektrode zugeordnet, wenn der kontaktierte Abschnitt einen kleineren Abstand zu der betreffenden Elektrodenschicht aufweist als zu einer weiteren Elektrodenschicht.
In einer Ausgestaltung ist der Abstand zwischen dem kontaktierten Abschnitt und der Elektrodenschicht, der dieser Abschnitt zugeordnet ist, bevorzugt kleiner, als der Abstand zwischen dem kontaktierten Abschnitt und einer dieser Elektrodenschicht benachbarten Elektrodenschicht. Insbesondere ist ein der Elektrodenschicht zugeordneter kontaktierter Abschnitt näher an der Elektrodenschicht angeordnet, der der Abschnitt zugeordnet ist als an der der Elektrodenschicht nächstliegenden Elektrodenschicht, die mit dem Elektrodenschichtkontakt elektrisch leitend verbunden ist.
Die Außenelektrode ist vorzugsweise flexibel ausgestaltet. In einer vorteilhaften Ausführung ist die Außenelektrode plastisch verformbar ausgebildet.
Dies erleichtert die Ausbildung von kontaktierten sowie unkontaktierten Abschnitten der Außenelektrode. Insbesondere kann durch ein teilweises Wegbiegen der Außenelektrode von der Seitenfläche des Stapels ein elektrischer bzw. mechanischer Kontakt mit dem Elektrodenschichtkontakt vermieden werden. Dadurch kann eine Zugentlastung der Außenelektrode sichergestellt werden, was zu einer verringerten Bruchanfälligkeit der Außenelektrode führt.
Vorzugsweise weist die Außenelektrode einen Draht, beispielsweise einen Kupferdraht auf.
Ein Draht weist eine hohe Flexibilität auf, so dass ein Ausbildung von kontaktierten und unkontaktierten Abschnitten, beispielsweise durch ein Verbiegen des Drahtes, sichergestellt ist. Zudem ist ein Draht sehr Platz sparend und kostengünstig.
In einer vorteilhaften Ausführung ist zwischen zwei kontaktierten Abschnitten der Außenelektrode ein unkontaktierter Abschnitt angeordnet.
Risse im Piezoaktor, die durch die Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten beim Anlegen von Spannung hervorgerufen werden können, können auf diese Weise durch die unkontaktierten Abschnitte überbrückt werden, ohne dass die kontaktierten Abschnitte von den Rissen betroffen sind. Dadurch kann eine zuverlässige Kontaktierung sichergestellt werden.
Durch die an einen kontaktierten Abschnitt angrenzenden unkontaktierten Abschnitte wird zudem eine optimale Zugentlastung der Außenelektrode ermöglicht. Weiterhin laufen sich Risse, die in einem kontaktierten Abschnitt der Außenelektrode selbst auftreten, in den angrenzenden unkontaktierten Abschnitten aus. Dadurch wird verhindert, dass ein Riss der Außenelektrode sich auf mehrere kontaktierte Abschnitte ausdehnt, was die Kontaktierung des Piezoaktors negativ beeinflussen könnte.
In einer vorteilhaften Ausführung erstreckt sich die Außenelektrode in zumindest einem unkontaktierten Abschnitt, der zwischen zwei kontaktierten Abschnitten verläuft, von der Seitenfläche des Stapels weg.
Vorzugsweise verlaufen die unkontaktierten Abschnitte senkrecht bzw. in einem Winkel von etwa 40 Grad zu einer Längsachse des Stapels. Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen den unkontaktierten Abschnitten und der Längsachse kleiner oder maximal gleich 90 Grad.
Die kontaktierten Abschnitte verlaufen vorzugsweise parallel zu der Längsachse des Stapels. Durch die unkontaktierten Abschnitte wird der Zwischenraum zwischen zwei parallel zur Stapelrichtung bzw. Seitenfläche des Stapels verlaufenden kontaktierten Abschnitte überbrückt. In dem Zwischenraum zwischen den kontaktierten Abschnitten, das heißt in dem unkontaktierten Abschnitt, ist die Außenelektrode bevorzugt derart von der Seitenfläche weg gebogen, dass jeglicher mechanischer Kontakt zwischen dem betreffenden unkontaktierten Abschnitt und der Seitenfläche vermieden wird. Diese unkontaktierten Abschnitte der Außenelektrode sind folglich keiner unmittelbaren Verformungsarbeit ausgesetzt, wenn sich die piezoelektrischen Schichten beim Anlegen von Spannung an den Piezoaktor ausdehnen. Dadurch wird eine Zugentlastung der Außenelektrode, insbesondere der kontaktierten Abschnitte, erreicht, welche direkt dem Hub des Piezoaktors ausgesetzt sind, d. h. in mechanischem Kontakt mit der Seitenfläche stehen.
In einer vorteilhaften Ausführung weist die Außenelektrode in Projektion auf die Seitenfläche gesehen einen gekrümmten oder geknickten Verlauf auf.
Vorzugsweise ist die Außenelektrode mehrfach in verschiedene Richtungen gebogen. Vorzugsweise weist die Außenelektrode mehrere Abschnitte auf, welche parallel zur Längsachse des Stapels, also parallel zu der Achse welche sich entlang der Stapelrichtung erstreckt, verlaufen. Vorzugsweise weist die Außenelektrode mehrere Abschnitte auf, die in einem Winkel zur Längsachse des Stapels verlaufen. Der Winkel liegt dabei vorzugsweise zwischen 45 Grad und 90 Grad. Der Winkel beträgt maximal 90 Grad. Der Winkel beträgt minimal 5 Grad. Vorzugsweise verlaufen die kontaktierten und unkontaktierten Abschnitte der Außenelektrode gewinkelt zueinander.
Vorzugsweise ist die Außenelektrode mäanderförmig ausgestaltet. Insbesondere weist die Außenelektrode eine Abfolge von Schlingen auf. Die Abfolge der Schlingen erstreckt sich entlang der Seitenfläche des Stapels. Die einzelnen Schlingen selbst verlaufen dabei vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Stapels. Die Schlingen weisen beispielsweise jeweils einen Umkehrpunkt oder Umkehrbereich auf, welcher in einem Randbereich der Seitenfläche des Stapels angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausführung ist der Elektrodenschichtkontakt in Form von wenigstens einem, zwei, drei oder mehr Elektrodenschichtkontaktsstreifen auf der Seitenfläche ausgebildet. Der jeweilige Elektrodenschichtkontaktsstreifen verläuft entlang der Seitenfläche des Stapels. Vorzugsweise weist die Seitenfläche zwei Elektrodenschichtkontaktsstreifen auf. Diese verlaufen parallel zueinander entlang der Längsachse des Stapels. Die beiden Elektrodenschichtkontaktstreifen sind dabei vorzugsweise jeweils im Randbereich des Stapels angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Außenelektrode derart mit dem jeweiligen Elektrodenschichtkontaktstreifen verbunden, dass zwei kontaktierte Abschnitte, welche der gleichen Elektrodenschicht zugeordnet sind, auf verschiedenen Elektrodenschichtkontaktstreifen angeordnet sind.
Vorzugsweise steht der erste der zwei kontaktierten Abschnitte in mechanischem und elektrischem Kontakt mit dem ersten Elektrodenschichtkontaktsstreifen, welcher beispielsweise an einem Rand der Seitenfläche entlang der Seitenfläche verläuft. Der zweite betreffende kontaktierte Abschnitt steht vorzugsweise mit dem zweiten Elektrodenschichtkontaktsstreifen in elektrischem und mechanischem Kontakt, wobei der zweite Elektrodenschichtkontaktstreifen beispielsweise an dem gegenüberliegenden Rand der Seitenfläche entlang der Seitenfläche verläuft. Die beiden kontaktierten Abschnitte sind wie oben beschrieben über einen unkontaktierten Abschnitt verbunden, welcher sich in dem Bereich zwischen den beiden Elektrodenschichtkontaktsstreifen erstreckt. Folglich verläuft die Außenelektrode im Bereich des unkontaktierten Abschnitts quer über die Seitenfläche des Stapels. Dadurch wird eine Redundanz der Kontaktierung des Piezoaktors erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführung ist zwischen dem jeweiligen kontaktierten Abschnitt der Außenelektrode und dem Elektrodenschichtkontakt eine Lötverbindung ausgebildet.
Dadurch ist eine zuverlässige Kontaktierung der Außenelektrode mit dem Elektrodenschichtkontakt sichergestellt.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Kontaktierung eines Piezoaktors in Vielschichtbauweise angegeben. In einem ersten Schritt wird der Piezoaktor bereitgestellt. Der Piezoaktor weist einen Stapel mit übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten auf. Ein Elektrodenschichtkontakt, beispielsweise eine Metallisierung, ist an einer Seitenfläche des Stapels angeordnet. Vorzugsweise ist der Elektrodenschichtkontakt in Form von einem, zwei, drei oder mehr Metallisierungsstreifen an der Seitenfläche angeordnet, welche parallel zur Längsachse des Stapels verlaufen. In einem nächsten Schritt wird eine plastisch verformbare Elektrode, beispielsweise ein Draht, bereitgestellt. Die plastisch verformbare Elektrode ist für das Ausbilden einer Außenelektrode vorgesehen. Die Außenelektrode dient der elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten. In einem nächsten Schritt wird die Elektrode plastisch verformt in eine für die Außenelektrode gewünschte Form. Beispielsweise wird die Elektrode derart verformt, dass die Außenelektrode mehrere Abschnitte aufweist, welche parallel zu der Längsachse des Stapels verlaufen. Beispielsweise wird die Elektrode derart plastisch verformt, dass sie mehrere Abschnitte aufweist, welche in einem Winkel zur Längsachse des Stapels verlaufen. In einem nächsten Schritt wird die verformte Elektrode elektrisch leitend mit dem Elektrodenschichtkontakt verbunden. Die verformte Elektrode wird vorzugsweise mittels einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten kontaktierten Abschnitten der Elektrode elektrisch leitend mit dem Elektrodenschichtkontakt verbunden. Dadurch wird eine Außenelektrode ausgebildet, die die Mehrzahl von kontaktierten Abschnitten aufweist.
Die kontaktierten Abschnitte sind elektrisch leitend und mechanisch mit dem Elektrodenschichtkontakt, insbesondere mit dem jeweiligen Elektrodenschichtkontaktstreifen, verbunden. Durch die kontaktierten Abschnitte wird eine effektive Kontaktierung der Elektrodenschichten, insbesondere eine Redundanz der Kontaktierung, sichergestellt und damit die Zuverlässigkeit des Piezoaktors erhöht.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die verformte Elektrode mit dem Elektrodenschichtkontakt derart mechanisch und elektrisch leitend verbunden, dass die Außenelektrode kontaktierte und unkontaktierte Abschnitte aufweist.
Vorzugsweise grenzt an einen kontaktierten Abschnitt jeweils ein unkontaktierter Abschnitt der Außenelektrode an. Die unkontaktierten Abschnitte dienen zur Zugentlastung bei Anlegen einer Spannung an den Piezoaktor. Das Auftreten von Rissen in der Außenelektrode kann damit vermieden und die Zuverlässigkeit des Piezoaktors weiter erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausführung weist die durch die verformte Elektrode gebildete Außenelektrode entlang der Seitenfläche des Stapels eine Mehrzahl von gekrümmten und gerade verlaufenden Bereichen auf.
Dadurch kann eine Redundanz der Kontaktierung erreicht werden, welche sich positiv auf die Zuverlässigkeit des Piezoaktors auswirkt. Vorzugsweise sind die gerade verlaufenden Bereiche den kontaktierten Abschnitten zugeordnet. Vorzugsweise sind die gekrümmten Bereiche den unkontaktierten Abschnitten zugeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die verformbare Elektrode derart verformt, dass sich die Außenelektrode in den Bereichen der unkontaktierten Abschnitte von der Seitenfläche des Stapels wegerstreckt.
Insbesondere ist die Außenelektrode von der Seitenfläche derart weggekrümmt, dass in den unkontaktierten Abschnitten ein mechanischer Kontakt mit der Seitenfläche vermieden wird. Dadurch wird eine effiziente Zugentlastung der Außenelektrode ermöglicht.
Die Außenelektrode erstreckt sich über alle Elektrodenschichten entlang der Seitenfläche des Stapels. Damit ist eine zuverlässige Kontaktierung des Piezoaktors sichergestellt.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die verformbare Elektrode derart verformt, dass jeder Elektrodenschicht zwei oder mehr kontaktierte Abschnitte der Außenelektrode zugeordnet sind.
Dies erleichtert die Realisierung einer Redundanz der Kontaktierung und steigert damit die Zuverlässigkeit des Piezoaktors.
In einer vorteilhaften Ausführung wird der Elektrodenschichtkontakt in Form von wenigstens einem, zwei, drei oder mehr Elektrodenschichtkontaktsstreifen auf die Seitenfläche des Piezoaktors aufgebracht. Der jeweilige Elektrodenschichtkontaktsstreifen verläuft entlang der Seitenfläche des Stapels verläuft. Die Außenelektrode wird vorzugsweise derart mit dem jeweiligen Elektrodenschichtkontaktstreifen verbunden, dass zwei kontaktierte Abschnitte, welche der jeweiligen Elektrodenschicht zugeordnet sind, auf verschiedenen Elektrodenschichtkontaktstreifen angeordnet sind.
Vorzugsweise verlaufen die kontaktierten Abschnitte jeweils entlang der Elektrodenschichtkontaktstreifen. Die beiden kontaktierten Abschnitte, und damit die beiden Elektrodenschichtkontaktstreifen, sind über einen unkontaktierten Abschnitt verbunden. Risse in einem der der jeweiligen Elektrodenschicht zugeordneten wenigstens zwei kontaktierten Bereichen können effektiv durch den wenigstens einen anderen zugeordneten kontaktierten Bereiche überbrückt werden und damit eine zuverlässige Kontaktierung des Piezoaktors erreicht werden.
Es wird weiterhin ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise angegeben. Bei dem Piezoaktor sind piezoelektrische Schichten und Elektrodenschichten alternierend übereinander zu einem Stapel angeordnet. Der Piezoaktor ist gemäß dem oben beschriebenen Verfahren konatktiert.
Durch das Verfahren kann eine Redundanz der Kontaktierung erzielt werden. Weiterhin kann eine Zugentlastung der Außenelektrode durch eine derartige Kontaktierung erreicht werden. Dies führt dazu, dass der Piezoaktor eine erhöhte Zuverlässigkeit aufweist.
Merkmale welche jeweils nur im Zusammenhang mit dem Piezoaktor oder dessen Verwendung beschrieben wurden, sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Verfahren verwendbar und umgekehrt.
Die beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Piezoaktors,
2A eine schematische Darstellung einer Draufsicht des Piezoaktors aus 1,
2B eine schematische Darstellung einer Seitenansicht des Piezoaktors aus 1,
2C zeigt einen Ausschnitt der Darstellung des Piezoaktors aus 2B,
3A eine schematische Darstellung einer Draufsicht des Piezoaktors aus 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel,
3B eine schematische Darstellung einer Seitenansicht des Piezoaktors aus 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit bzw. zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
1 zeigt einen vielschichtigen Piezoaktor 1. Der Piezoaktor 1 weist einen Stapel aus mehreren übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten 3 auf. Entlang der Stapelrichtung ist der Stapel in einen aktiven Bereich 6 und zwei inaktive Bereiche 7 unterteilt. Die inaktiven Bereiche 7 grenzen in Stapelrichtung an den aktiven Bereich 6 an und bilden die Endstücke des Stapels.
Der aktive Bereich 6 des Stapels weist zwischen den piezoelektrischen Schichten 3 angeordnete Elektrodenschichten 4, 4' auf. Um die Elektrodenschichten 4, 4' im aktiven Bereich 7 einfach kontaktieren zu können, ist der Piezoaktor 1 so ausgebildet, dass sich nur jeweils der gleichen elektrischen Polarität zugeordnete Elektrodenschichten 4, 4' bis zu einer Seitenfläche 2 des Stapels erstrecken. Die der anderen elektrischen Polarität zugeordneten Elektrodenschichten 4, 4' erstrecken sich an dieser Stelle nicht bis ganz zur Seitenfläche 2 des Stapels. Die Elektrodenschichten 4, 4' sind demnach jeweils in Form von ineinander geschobenen Kämmen ausgebildet. Über Elektrodenschichtkontakte in Form von Metallisierungen 5 an der Seitenfläche 2 des Stapels kann an die Elektrodenschichten 4, 4' eine elektrische Spannung angelegt werden. Die Metallisierung 5 erstreckt sich über den aktiven Bereich 6 entlang der Seitenfläche 2 des Stapels. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten 4, 4' tritt eine Verformung des piezoelektrischen Materials im aktiven Bereich 6 auf.
An den Metallisierungen 5 ist jeweils eine Außenelektrode 8 angebracht, wie in Zusammenhang mit den 2A bis 2C und 3A, 3B im Detail beschrieben wird. Die Außenelektrode 8 ermöglicht eine elektrische Kontaktierung des Piezoaktors 1 nach außen.
2A zeigt eine Draufsicht des Piezoaktors aus 1. 2B zeigt eine Seitenansicht des Piezoaktors aus 1.
Wie in 2B ersichtlich, ist die Metallisierung 5 in Form von zwei Metallisierungsstreifen auf die Seitenfläche 2 des Stapels aufgebracht. Aber auch andere Ausführungen der Metallisierung 5, beispielsweise eine flächige Metallisierung, die die Seitenfläche 2 des Stapels komplett abdeckt, sind vorstellbar.
Vorzugsweise sind die Metallisierungsstreifen mit den Elektrodenschichten 4, 4' verlötet. Die Metallisierungsstreifen verlaufen entlang der Seitenfläche 2 des Stapels. Die Metallisierungsstreifen verlaufen insbesondere über alle Elektrodenschichten 4, 4' (hier nicht explizit dargestellt, siehe 1) des Piezoaktors 1 hinweg. Die Metallisierungsstreifen verlaufen parallel zueinander. Die Metallisierungsstreifen sind vorzugsweise in den Randbereichen der Seitenfläche 2 des Stapels angebracht.
Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten 4, 4' ist die Außenelektrode 8 angebracht. Dabei stehen jeweils nur Teilabschnitte der Außenelektrode 8 in elektrischem und mechanischem Kotakt mit dem jeweiligen Metallisierungsstreifen, wie weiter unten detailliert beschrieben wird.
Die Außenelektrode 8 ist biegsam. Die Außenelektrode 8 ist plastisch verformbar. Insbesondere ist die Außenelektrode 8 derart verformbar, dass sie nach der Verformung nicht mehr in den Ursprungszustand zurückkehrt. Als Außenelektrode 8 dient in diesem Ausführungsbeispiel ein Draht, beispielsweise ein Kupferdraht. Ein Draht weist eine bestimmte Grundbiegsamkeit auf und lässt sich daher leicht plastisch in einen gewünschten Endzustand verformen.
Die Außenelektrode 8 verläuft entlang der kompletten Seitenfläche 2 des Stapels über alle Elektrodenschichten 4, 4' hinweg. Wie aus 2B ersichtlich, weist die Außenelektrode 8 einen geknickten Verlauf entlang der Seitenfläche 2 des Stapels auf. Die Außenelektrode 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Mäanders geknickt. In anderen Worten, die Außenelektrode 8 ist derart verformt, dass sie eine Abfolge von Schlingen aufweist. Die einzelnen Schlingen überlappen sich nicht in Richtung der Längsachse des Stapels. Jedoch liegt ein teilweiser Überlapp der einzelnen Schlingen quer zur Längsachse vor.
Die jeweilige Schlinge weist unterschiedliche Teilabschnitte 8A, 8B auf. Teilabschnitt 8A der jeweiligen Schlinge verläuft parallel zur Längsachse 11 des Stapels. Teilabschnitt 8A verläuft insbesondere parallel zu dem jeweiligen Metallisierungsstreifen. Insbesondere verläuft Teilabschnitt 8A direkt oberhalb des Metallisierungsstreifens gesehen in Projektion auf die Seitenfläche 2 des Stapels.
Teilabschnitt 8A stellt einen Verbindungsabschnitt zwischen den Teilabschnitten 8B der jeweiligen Schlinge her. Die Teilabschnitte 8B wiederum gehen in ihrem weiteren Verlauf in Teilabschnitte 8A von sich an die jeweilige Schlinge anschließenden weiteren Schlinge über.
Die zwei Teilabschnitte 8B der jeweiligen Schlinge schließen einen Winkel α mit dem Teilabschnitt 8A bzw. der Längsachse 11 des Stapels ein, wie aus 2C ersichtlich ist. Insbesondere verlaufen die beiden Teilabschnitte 8A unter dem gleichen Winkel α zur Längsachse 11 des Stapels. Der Winkel α beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 45 Grad. Jedoch kann der Winkel α jeden beliebigen Wert zwischen 5 Grad und 90 Grad einnehmen. Die zwei Teilabschnitte 8B einer Schlinge verlaufen nicht parallel zueinander. Vielmehr verlaufen die Teilabschnitte 8B unter dem jeweils gleichen Winkel α von dem Teilabschnitt 8A weg, jedoch in entgegen gesetzte Richtungen. Insbesondere laufen die Teilabschnitte 8B aufeinander zu. Die Teilabschnitte 8B erstrecken sich zwischen den Metallisierungsstreifen, stellen also eine Verbindung zwischen den jeweiligen Metallisierungsstreifen dar.
Die Teilabschnitte 8B stehen weder in mechanischem noch in elektrischen Kontakt mit der Seitenfläche 2. Dies ist in diesem Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die Teilabschnitte 8B in dem Bereich zwischen den Metallisierungsstreifen von der Seitenfläche 2 weg gebogen sind, wie aus 2A ersichtlich ist. Insbesondere ist die Außenelektrode 8 in dem Bereich zwischen den Metallisierungsstreifen derart von der Seitenfläche 2 weg gebogen, dass die Außenelektrode mit der Seitenfläche 2 ein Rechteck einschließt (2A).
Dadurch dass die Außenelektrode 8 plastisch verformbar ist, ist sichergestellt, dass nach dem Wegbiegen jeder mechanische und elektrische Kontakt mit der Seitenfläche 2 unterbunden ist. Die weg gebogenen Bereiche der Teilabschnitte 8B bilden somit unkontaktierte Abschnitte der Außenelektrode 8. Damit tragen die Teilabschnitte 8B vor allem zur Zugentlastung der Außenelektrode 8 bei. Insbesondere wird dadurch ein Einreißen der Außenelektrode 8 durch Anlegen von Spannung und daraus resultierender Verformung der piezoelektrischen Schichten 3 reduziert oder verhindert. Unterhalb der unkontaktierten Abschnitte ist kein Metallisierungsstreifen angeordnet.
Im Teilabschnitt 8A steht die Außenelektrode 8 über einen kontaktierten Abschnitt in mechanischem und elektrischem Kontakt mit dem jeweiligen Metallisierungsstreifen. Insbesondere ist der jeweilige Teilabschnitt 8A in einem Bereich mit dem jeweiligen Metallisierungsstreifen beispielsweise über einen Lötpunkt verlötet. Die Lötung kann beispielsweise mit Hilfe einer Thermode durchgeführt werden, wobei diese in der Mitte eine Aussparung aufweisen muss, in der die hochgebogenen Bereiche der Teilabschnitte 8B Platz finden. Das Lot kann entweder als Lotband oder als Beschichtung auf der Außenelektrode 8 zugeführt werden.
Der verlötete Bereich des jeweiligen Teilabschnitts 8A bildet einen kontaktierten Abschnitt der Außenelektrode 8. In anderen Worten, durch die jeweiligen verlöteten Bereiche werden die Elektrodenschichten 4, 4' elektrisch kontaktiert. Auf einen verlöteten Bereich der Außenelektrode 8 folgt jeweils ein unverlöteter, also unkontaktierter, Abschnitt der Außenelektrode 8. Risse, die sich in einem kontaktierten Abschnitt ausbilden, können sich demnach in einem unkontaktierten Abschnitt verlaufen, ohne einen weiteren kontaktierten Abschnitt in Mitleidenschaft zu ziehen, was die Effizienz der Kontaktierung reduzieren würde.
Wie aus 2B ersichtlich ist, sind jeder Elektrodenschicht 4, 4' zwei kontaktierte, insbesondere verlötete, Abschnitte zugeordnet. Die kontaktierten Abschnitte umfassen jeweils einen Lötpunkt im Bereich des Teilabschnitts 8A. Die beiden kontaktierten Abschnitte sind parallel zueinander in etwa auf der gleichen Höhe des Stapels (dies entspricht der Höhe der jeweiligen Elektrodeschicht 4, 4') angeordnet jedoch auf unterschiedlichen Metallisierungsstreifen. Dadurch wird eine Redundanz der Kontaktierung und somit eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Piezoaktors 1 erreicht. Insbesondere ist ein kontaktierter Abschnitt einer Elektrodenschicht 4, 4' genau dann zugeordnet, wenn der Abstand zwischen dem kontaktierten Abschnitt und der zugehörigen Elektrodenschicht 4, 4' kleiner ist, als der Abstand zwischen dem kontaktierten Abschnitt und einer zu der zugehörigen Elektrodenschicht 4, 4' benachbarten Elektrodenschicht 4, 4'.
An ein Ende der Außenelektrode 8 ist eine Weiterkontaktierung, angedeutet durch den Pfeil 10 in 2B, angeordnet zur Kontaktierung der Piezoaktors 1 nach außen.
3A zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht des Piezoaktors aus 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. 3B zeigt eine schematische Darstellung der Seitenansicht des Piezoaktors aus 3A.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Metallisierung 5 in Form von drei parallel zueinander und entlang der Längsachse 11 der Seitenfläche 2 verlaufenden Metallisierungsstreifen angeordnet. Prinzipiell ist auch eine höhere Zahl von Metallisierungsstreifen, beispielsweise vier oder fünf Metallisierungsstreifen, vorstellbar. Die Metallisierungsstreifen sind wiederum mit der Seitenfläche 2 verlötet.
Die Außenelektrode 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Form von rechteckigen Schleifen gebogen. Dabei sind jeweils zwei der Schleifen der Außenelektrode 8 zumindest teilweise nebeneinander auf der Seitenfläche 2 angeordnet. Auch hier weisen die Schleifen Teilabschnitte 8A und 8B auf. Insbesondere weisen die Schleifen zwei Teilabschnitte 8B und zwei Teilabschnitte 8A auf.
Die Teilabschnitte 8A verlaufen wiederum parallel zur Längsachse 11 des Stapels und – in Projektion auf die Seitenfläche 2 gesehen – oberhalb eines jeweiligen Metallisierungsstreifens. Die zu einer Schleife gehörenden Teilabschnitte 8A verlaufen auf unterschiedlichen Metallisierungsstreifen. Dabei setzt sich der zweite Teilabschnitt 8A einer Schleife aus zwei gleich langen Teilstücken zusammen. Von den beiden gleich langen Teilstücken gehen die Enden, die am weitesten voneinander entfernt sind, jeweils in die Teilabschnitte 8B der betreffenden Schleife über. Diejenigen Enden, welche zueinander am nächsten gelegen sind, gehen in die Teilabschnitte 8B von den zwei sich an die jeweiligen Schleife anschließenden weiteren Schleifen über.
Die Teilabschnitte 8B verlaufen hier quer zur Längsachse 11 und stellen eine Verbindung zwischen den Teilabschnitten 8A bzw. den Metallisierungsstreifen her. Insbesondere verlaufen die Teilabschnitte 8B zumindest teilweise in dem Bereich zwischen den Metallisierungsstreifen. Die quer zur Längsachse 11 und zwischen den jeweiligen Metallisierungsstreifen verlaufenden Abschnitte der Außenelektrode 8, insbesondere der Teilabschnitte 8B, sind auch in diesem Beispiel von der Seitenfläche 2 derart weg gebogen (siehe 3A), das kein mechanischer und kein elektrischer Abschnitt zwischen diesen Bereichen der Außenelektrode 8 und der Seitenfläche 2 besteht. Diese Bereiche bilden wiederum die unkontaktierten Abschnitte der Außenelektrode und dienen der Zugentlastung.
Die Bereiche der Außenelektrode 8, welche in Projektion auf die Seitenfläche 2 gesehen, direkt oberhalb eines Metallisierungsstreifen angeordnet sind, weisen wiederum kontaktierten Abschnitte der Außenelektrode 8 auf, also Abschnitte welche in elektrischem und mechanischem Kontakt mit dem jeweiligen Metallisierungsstreifen stehen. Insbesondere sind diese kontaktierten Abschnitte der Teilabschnitte 8A über einen Lötpunkt mit dem jeweiligen Metallisierungsstreifen verlötet. Jeder Elektrodenschicht 4, 4' sind hierbei drei parallel zueinander angeordnete und auf verschiedenen Metallisierungsstreifen angeordnete kontaktierte Abschnitte der Außenelektrode 8 zugeordnet, um die Redundanz der Kontaktierung sicher zu stellen.
An ein Ende der Außenelektrode 8 ist wiederum eine Weiterkontaktierung, angedeutet durch den Pfeil 10 in 3B, angeordnet zur Kontaktierung der Piezoaktors 1 nach außen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung an Hand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Piezoaktor
2: Seitenfläche
3: Piezoelektrische Schicht
4: Innenelektrode
4': Innenelektrode
5: Elektrodenschichtkontakt
6: Aktiver Bereich
7: Inaktiver Bereich
8: Außenelektrode
9: Lötstelle
10: Weiterleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004031404 A1 [0003]
DE 102006025177 A1 [0003]

Claims

Piezoaktor (1) in Vielschichtbauweise, bei dem piezoelektrische Schichten (3) und Elektrodenschichten (4, 4') übereinander zu einem Stapel angeordnet sind, wobei eine Mehrzahl von Elektrodenschichten (4, 4') an einer Seitenfläche (2) des Stapels aus dem Stapel herausführen, wobei an der Seitenfläche (2) ein Elektrodenschichtkontakt (5) angeordnet ist, und wobei eine Außenelektrode (8) mit dem Elektrodenschichtkontakt (5) elektrisch leitend verbunden ist zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Elektrodenschichten (4, 4') und der Außenelektrode (8), wobei die Außenelektrode (8) kontaktierte und unkontaktierte Abschnitte aufweist, wobei der jeweilige kontaktierte Abschnitt mechanisch und elektrisch mit dem Elektrodenschichtkontakt (5) verbunden ist, und wobei jeder Elektrodenschicht (4, 4') wenigstens ein kontaktierter Abschnitt der Außenelektrode (8) zugeordnet ist.
Piezoaktor (1) nach Anspruch 1, wobei jeder Elektrodenschicht (4, 4') zwei, drei oder mehr kontaktierte Abschnitte der Außenelektrode (8) zugeordnet sind.
Piezoaktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei einer der Elektrodenschichten (4, 4') genau dann ein kontaktierter Abschnitt der Außenelektrode (8) zugeordnet ist, wenn der kontaktierte Abschnitt einen kleineren Abstand zu der betreffenden Elektrodenschicht (4, 4') aufweist als zu einer weiteren Elektrodenschicht (4, 4').
Piezoaktor (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Außenelektrode (8) plastisch verformbar ausgebildet ist.
Piezoaktor (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei zwischen zwei kontaktierten Abschnitten der Außenelektrode (8) ein unkontaktierter Abschnitt angeordnet ist.
Piezoaktor (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei sich die Außenelektrode (8) in zumindest einem unkontaktierten Abschnitt, der zwischen zwei kontaktierten Abschnitten verläuft, von der Seitenfläche (2) des Stapels wegerstreckt.
Piezoaktor (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Außenelektrode (8) in Projektion auf die Seitenfläche (2) gesehen einen gekrümmten oder geknickten Verlauf aufweist.
Piezoaktor (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Außenelektrode (8) einen Draht aufweist.
Piezoaktor (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Außenelektrode (8) mäanderartig geformt ist.
Piezoaktor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei sich die Außenelektrode (8) in dem Bereich zwischen zwei benachbarten Elektrodenschichten (4, 4') entlang der Seitenfläche (2) erstreckt.
Piezoaktor (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Elektrodenschichtkontakt (5) in Form von wenigstens einem, zwei, drei oder mehr Elektrodenschichtkontaktsstreifen auf der Seitenfläche (2) ausgebildet ist, und wobei der jeweilige Elektrodenschichtkontaktsstreifen entlang der Seitenfläche (2) des Stapels verläuft.
Piezoaktor (1) nach Anspruch 11, wobei die Außenelektrode (8) derart mit dem jeweiligen Elektrodenschichtkontaktstreifen verbunden ist, dass zwei kontaktierte Abschnitte, welche der gleichen Elektrodenschicht (4, 4') zugeordnet sind, auf verschiedenen Elektrodenschichtkontaktstreifen angeordnet sind.
Piezoaktor (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei zwischen dem jeweiligen kontaktierten Abschnitt der Außenelektrode (8) und dem Elektrodenschichtkontakt (5) eine Lötverbindung ausgebildet ist.
Verfahren zur Kontaktierung eines Piezoaktors (1) in Vielschichtbauweise aufweisend die folgenden Schritte: A) Bereitstellen des Piezoaktors (1) aufweisend einen Stapel mit übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten (3) und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten (4, 4'), wobei ein Elektrodenschichtkontakt (5) an einer Seitenfläche (2) des Stapels angeordnet ist; B) Bereitstellen einer plastisch verformbaren Elektrode, die für das Ausbilden einer Außenelektrode (8) vorgesehen ist, welche der elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten (4, 4') dient; C) Plastisches Verformen der Elektrode in eine für die Außenelektrode (8) gewünschte Form; D) Elektrisch leitendes Verbinden der verformten Elektrode mit dem Elektrodenschichtkontakt (5) mittels einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten kontaktierten Abschnitten der Elektrode, so dass die Außenelektrode (8) ausgebildet wird, die die Mehrzahl von kontaktierten Abschnitten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die durch die verformte Elektrode gebildete Außenelektrode (8) entlang der Seitenfläche (2) des Stapels eine Mehrzahl von gekrümmten und gerade verlaufenden Bereichen aufweist, und wobei sich die Außenelektrode (8) über alle Elektrodenschichten (4, 4') entlang der Seitenfläche (2) des Stapels erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die verformbare Elektrode derart verformt wird, dass jeder Elektrodenschicht (4, 4') zwei oder mehr kontaktierte Abschnitte der Außenelektrode (8) zugeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die verformbare Elektrode derart verformt wird, dass sich die Außenelektrode (8) in den Bereichen der unkontaktierten Abschnitte von der Seitenfläche (2) des Stapels wegerstreckt.