DE19928178A1

DE19928178A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE19928178A1
Application number: DE19928178A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Heinz; Klaus-Peter Schmoll; Friedrich Boeckling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-06-19
Filing date: 1999-06-19
Publication date: 2000-08-10

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, bei dem ein Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwischen angeordneten Elektroden (3, 4) vorhanden ist. Bei einer der wechselseitigen seitlichen Kontaktierung (5, 6) der Elektroden (3, 4), wobei in dem Bereich zwischen zwei Piezolagen, der eine an der jeweils gegenüberliegenden Seite kontaktierte Elektroden (3, 4) aufweist, eine neutrale Phase (7) ohne Elektrodenschicht vorhanden ist, wird eine Aufteilung des Mehrschichtaufbaus in übereinander gestapelte Teilaktoren (11, 12, 13) vorgesehen, die jeweils über eine neutrale Schicht (18, 19) miteinander verbunden sind. Es erfolgt eine flexible Verbindung der Außenelektroden (14, 15) über eine Metallfolie (16, 17), die im Bereich der neutralen Schicht (18, 19) eine Ausgleichswelle aufweist.

Description

Stand der Technik

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 Elektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden. Beim Betrieb des Piezo aktors ist darauf zu achten das durch mechanische Span nungen im Lagenaufbau keine störenden Rissbildungen ent stehen.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, ist in vorteilhafter Weise mit einem Mehr schichtaufbau von Piezo-Lagen und dazwischen angeordneten Elektroden aufgebaut. Bei einer wechselseitigen seitli chen Kontaktierung der Elektroden entsteht im Bereich zwischen zwei Piezo-Lagen jeweils eine neutrale Phase. Da die jeweils an einer Seite kontaktierten Elektroden kamm artig in den Lagenaufbau integriert sind, müssen die in Richtung des Lagenaufbaus aufeinanderfolgenden Elektroden jeweils abwechseln an gegenüberliegen Seiten kontaktiert werden.

Die an einer Seite kontaktierten Elektroden können dabei nicht vollständig bis an die gegenüberliegende Seite ge führt werden, da sonst Spannungsüberschläge zur Zerstö rung des Piezoaktors führen können. Bei einer Betätigung des Piezoaktors, d. h. bei Anlage einer Spannung zwischen den im Lagenaufbau gegenüberliegenden Elektroden treten unterschiedliche mechanische Kräfte im Bereich der Elek troden sowie in den nichtkontaktierten neutralen Phasen auf, die zu mechanischen Spannungen und Rissbildungen im Piezoaktor führen können.

In vorteilhafter Weise wird erfindungsgemäß bei einer Einspannung des Piezoaktors senkrecht zum Lagenaufbau mit einer Aufteilung des Mehrschichtaufbaus in übereinander gestapelte Teilaktoren, die jeweils über eine neutrale Schicht miteinander verbunden sind, die Gefahr einer Rissbildung vermindert. Je weniger Piezolagen übereinan derliegen, um so geringer sind hierbei die mechanischen Spannungen, die dann zur Rissbildung entlang der Elektro den oder im Bereich der nicht durchgeführten Elektrode führen können. Als typisches Elektrodenmaterial kommt hier z. B. Silberpaladium mit einer um den Faktor 4 bis 5 geringeren Haftfestigkeit als das Material der Piezolagen zum Einsatz. Somit kann es bei einer zu starken Beanspru chung insbesondere im Bereich der Durchkontaktierungen zu den Außenelektroden am ehesten zu einer Rissbildung kom men.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Gesamt- Piezoaktors in einzelne Teilaktoren wird die Gefahr der Rissbildung auf einfache Weise vermindert, so dass die maximale Gesamtzugspannung im Bereich der durchkontak tierten Elektroden unter der Haftfestigkeit liegt. Die zwischen den Teilaktoren angeordneten neutralen Schichten weisen hier zwar keinen Piezoeffekt auf, sie können aber aus dem gleichen Material gefertigt sein wie die Keramik der Piezolagen. Vorzugsweise können diese Keramikschich ten der Teilaktoren mittels einer dünnen elastischen Kle beschicht miteinander verbunden sein, die die Dehnung in Querrichtung praktisch nicht behindert.

Weiterhin können die neutralen Schichten auch zumindest teilweise mit einer Verdickung im Bereich der neutralen Phase versehen sein, über die eine erhöhte mechanische Spannung, bei einer Einspannung des Piezoaktors senkrecht zum Lagenaufbau, im Bereich der neutralen Phase aufbring bar ist. Diese Vorspannung erzeugt eine positive Druck spannung im äußeren Bereich des Piezoaktors zur weiteren Verminderung der Gefahr einer Rissbildung.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Kontaktierung der Elektroden jedes Teilaktors über Außenelektroden, die un tereinander flexibel verbunden sind, wobei die flexible Verbindung der Außenelektroden über eine Metallfolie vor genommen wird, die im Bereich der neutralen Schicht eine Ausgleichswelle aufweist. Die Metallfolie ist vorzugswei se eine Messingfolie, die auf die Außenelektroden aufge lötet ist.

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

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoaktors wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit ei nem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und Elektroden;

Fig. 2 einen Detailschnitt durch den Lagenaufbau im Bereich von neutralen Phasen ohne Anlage einer elek trischen Spannung;

Fig. 3 einen Detailschnitt durch den Lagenaufbau im Bereich von neutralen Phasen mit Anlage einer elek trischen Spannung;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Piezoaktors, der aus Teilaktoren aufgebaut ist und

Fig. 5 ein Detail des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 4 mit der Kontaktierung im Bereich einer neu tralen Schicht zwischen den Teilaktoren.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Piezoaktor 1 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 Elektroden 3 und 4 über Kontaktflächen 5 und 6 eine mechanische Re aktion des Piezoaktors 1 erfolgt.

Aus Fig. 2 ist ein Bereich des Piezoaktors 1 vergrößert dargestellt, der die Elektroden 3 und 4 zeigt, wobei hier auch die Kontaktierung der Elektroden 4 mit der Kontakt fläche 6 zu erkennen ist. Da die Elektroden 3 aufgrund der anderen Polarität einen Abstand zu dieser Kontaktflä che 6 einhalten müssen sind hier neutrale Phasen gebil det, die anhand der neutralen Phase 7 beispielhaft darge stellt sind. Aufgrund des somit räumlich unterschiedli chen Auftretens des Piezoeffekts entstehen mechanische Spannungen in der neutralen Phase 7, die zu einer Mate rialbeeinträchtigung führen, die mit der gewellten Linie 8 schematisch angedeutet ist.

Nach Fig. 3 ist der Bereich aus der Fig. 2 mit einer angelegten elektrischen Spannung gezeigt, wobei die da durch hervorgerufene mechanische Reaktion des Piezoaktors mit Pfeilen 9 und 10 verdeutlicht ist. Hierbei ist er kennbar, dass im Bereich der neutralen Phase 7 eine ge ringere Ausdehnung in Richtung der Pfeile 9 und daher ei ne Kraftwirkung in Richtung des Pfeiles 10 bewirkt wird, die zu Rissbildung im Bereich 8 der neutralen Phase führt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand Fig. 4 erläutert, bei dem ein Teilaktor 11, ein Teilaktor 12 und ein Teilaktor 13 gebildet ist, wobei sich hier noch eine Vielzahl weiterer Teilaktoren anschließen können. An je dem der Teilaktoren 11, 12 und 13 sind Außenelektroden 14 und 15 angebracht, wobei die Außenelektroden 14 jeweils über eine Metallfolie 16 mit Ausgleichswellen miteinander verbunden sind und die Außenelektroden 15 jeweils über eine Metallfolie 17, ebenfalls mit Ausgleichswellen, mit einander verbunden sind. Die Metallfolien 16 und 17 sind beispielsweise Messingfolien, die an den Außenelektroden 14 bzw. 15 angelötet sind.

Die Teilaktoren 11, 12 und 13 sind an den Grenzlagen je weils mit einer keramischen Schicht 18 und 19 versehen, die aus dem gleichen Material wie die Piezolagen 2 sind, jedoch keinen Piezoeffekt aufweisen. Aus Fig. 5 sind die Schichten 18 und 19 im Detail zu erkennen, wobei diese Schichten 18 und 19 jeweils eine neutrale Schicht bilden. Die beiden Keramikschichten 18 und 19 sind zur Bildung der neutralen Schicht über einen dünnen elastischen Kle ber 20 miteinander verbunden und gewährleisten somit eine weitgehend ungehinderte Querdehnung des Materials, so dass eine Rissbildung aufgrund von mechanischen Spannun gen weitgehend verhindert ist.

Claims

1. Piezoaktor, mit

- einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwi schen angeordneten Elektroden (3, 4),
- einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung (5, 6) der Elektroden (3, 4), wobei in dem Bereich zwischen zwei Piezolagen, der eine an der jeweils gegenüberlie genden Seite kontaktierte Elektrode (3, 4) aufweist, eine neutrale Phase (7) ohne Elektrodenschicht vorhan den ist und mit
- einer Aufteilung des Mehrschichtaufbaus in übereinan der gestapelte Teilaktoren (11, 12, 13), die jeweils über eine neutrale Schicht (18, 19) miteinander verbun den sind.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Kontaktierung der Elektroden (3, 4) jedes Teilak tors (11, 12, 13) über Außenelektroden (14, 15) erfolgt, die untereinander flexibel verbunden sind.

3. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- die flexible Verbindung der Außenelektroden (14, 15) jeweils über eine Metallfolie (16, 17) erfolgt, die im Bereich der neutralen Schicht (18, 19) eine Ausgleichs welle aufweist.

4. Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Metallfolie (16, 17) jeweils eine Messingfolie ist, die auf die Außenelektroden (14, 15) aufgelötet ist.

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

- die neutrale Schicht aus jeweils einer an den jeweili gen Teilaktor (11, 12, 13) angebrachten Keramikschicht (18, 19) besteht, die aus dem gleichen Material wie die Piezolagen (2) besteht, jedoch keinen Piezoeffekt auf weist.

6. Piezoaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Keramikschichten (18, 19) der Teilaktoren (11, 12, 13) mittels einer dünnen elastischen Klebe schicht miteinander verbunden sind.

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

- die neutralen Schichten (18, 19) zumindest teilweise mit einer Verdickung im Bereich der neutralen Phase (7) versehen sind, über die eine erhöhte mechanische Spannung, bei einer Einspannung des Piezoaktors (1) senkrecht zum Lagenaufbau, im Bereich der neutralen Phase (7) aufbringbar ist.