DE19928191A1 - 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. Jeweils die Piezolage (2), die keine zu kontaktierende Innenelektrode trägt, ist einem vorgegebenen Bereich (9; 10) nach innen versetzt. Als Außenelektroden sind z. B. Wellelektroden (5, 6) vorhanden, die mit den Innenelektroden (3, 4) auf der jeweils nicht nach innen versetzten Piezolage (2) kontaktiert ist und den nach innen versetzten Bereich (9; 10) der dazwischen liegenden Piezolage (2) überbrückt.

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 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 Kontaktierung mit Außenelektroden möglich ist. Da die jeweils an einer Sei­ te kontaktierten Innenelektroden kammartig in den Lagen­ aufbau integriert sind, müssen die Innenelektroden außen derart kontaktiert werden, dass bei Anlage einer Gleich­ spannung zwischen Piezolagen Kapazitäten gebildet werden. Die kontaktierten Elektroden können dabei in der Regel nicht immer vollständig bis an die gegenüberliegende Sei­ te geführt werden, da sonst Spannungsüberschläge zur Zer­ störung des Piezoaktors führen können. Die Flächen können somit nicht vollständig bedruckt werden, was den Druck­ aufwand durch die gezielte Aussparung von Druckflächen erhöht.

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 jeweils die Pie­ zolage an der Stelle, die keine zu kontaktierende Innene­ lektrode trägt einen vorgegebenen Bereich nach innen ver­ setzt. An jeder Piezolage wird wechselseitig ein Keramik­ bereich entfernt und somit kann die gesamte Piezolage in einem einfachen Druckverfahren vollständig bedruckt wer­ den. Beim Stapeln der Piezolagen entsteht dann jeweils übereinander abwechselnd eine Stelle mit Keramik und eine Stelle ohne Keramik, wodurch die elektrische Isolation bei der Außenkontaktierung gewährleistet ist.

Die Außenelektroden können erfindungsgemäß z. B. eine Wel­ lelektrode aus Invar oder auch ein elektrisch leitender Metallstreifen, ein Sieb oder Netz sein, die jeweils mit den Innenelektroden auf der nicht nach innen versetzten Piezolage kontaktiert ist und den nach innen versetzten Bereich der dazwischen liegenden Piezolage überbrückt.

In vorteilhafter Weise sind die nach innen versetzten Be­ reiche und die Außenelektroden bevorzugt als Nuten an je­ weils einer Ecke an einer Seitenfläche des Piezoaktors angeordnet. Auch an jeweils diagonal gegenüberliegenden Ecken des Piezoaktors ist eine solche Anordnung denkbar.

Weiterhin können die nach innen versetzten Bereiche und die Außenelektroden auch Nuten sein, die z. B. an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Piezoaktors liegen. Die Nu­ ten sollten hierbei nicht größer als die zweifache Schichtdicke der Piezolagen sein. Zur Erhöhung der mecha­ nischen Stabilität können die Nuten auch nachträglich mit Isolationsmaterial (z. B. Kunststoff) versehen werden, wo­ durch auch auf einfache Weise vollflächige Außenelektro­ den auf den Piezoaktor aufgebracht und mit den Innenelek­ troden kontaktiert werden können.

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 Piezokeramik mit Ecknuten als nach innen versetzte Bereiche;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf zwei ab­ wechselnd im Stapelaufbau übereinander liegenden Piezolagen nach der Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf zwei ab­ wechselnd im Stapelaufbau übereinander liegenden Piezolagen mit seitlichen Nuten.

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 die Innenelektroden 3 und 4 nur sche­ matisch angedeutet und die Außenelektroden 5 und 6 sind als Wellelektroden ausgeführt, die an Kontaktflächen 8 mit jeweils zwei, die gleiche Polarität aufweisenden In­ nenelektroden kontaktiert sind. Die Piezolagen 2 sind je­ weils abwechselnd an den Ecken in einem vorgegebenen Be­ reich nach innen versetzt, wodurch sich jeweils eine Nut 9 herausbildet.

In der Fig. 1 ist hier beispielhaft eine Piezolage 2a gekennzeichnet die eine Nut 9a an der rechten Seite trägt und anhand Fig. 2 im Detail zu erkennen ist. Eine Piezo­ lage 2b trägt die Nut 9b an der anderen Ecke und ist in der Fig. 2 im linken Teil gezeigt. Die Außenelektroden 5 und 6 sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel Welle­ lektroden, die jeweils mit den Innenelektroden 3 und 4 auf der nicht nach innen versetzten Piezolage 2 an den Kontaktstellen 8 kontaktiert sind und an den Nuten 9 die dazwischen liegenden Piezolagen 2 überbrücken.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die nach innen versetzten Bereiche Nuten 10, die hier an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Piezoaktors 1 lie­ gen. Die Nuten 10 sind hierbei nicht größer als die zwei­ fache Schichtdicke der Piezolagen 2. Auch ist die Anbrin­ gung eines hier nicht gezeigten Isolationsmaterial (z. B. Kunststoff) in den Nuten 9 oder 10 möglich, wodurch die mechanische Stabilität erhöht werden kann und jeweils ei­ ne vollflächige Außenelektrode auf den Piezoaktor 1 auf­ gebracht werden kann.

Claims (9)

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), wobei
• - jeweils die Piezolage (2), die keine zu kontaktierende Innenelektrode trägt einen vorgegebenen Bereich (9; 10) nach innen versetzt ist.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

• - die Außenelektroden Wellelektroden (5, 6) sind, die mit den Innenelektroden (3, 4) auf der jeweils nicht nach innen versetzten Piezolage (2) kontaktiert ist und den nach innen versetzten Bereich (9; 10) der dazwischen liegenden Piezolage (2) überbrückt.

3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass

• - die nach innen versetzten Bereiche (9) und die Außene­ lektroden (5, 6) an jeweils einer Ecke an einer Seiten­ fläche des Piezoaktors (1) liegen.

4. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass

• - die nach innen versetzten Bereiche und die Außenelek­ troden an jeweils diagonal gegenüberliegenden Ecken des Piezoaktors (1) liegen.

5. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass

• - die nach innen versetzten Bereiche (10) und die Au­ ßenelektroden (5, 6) an jeweils gegenüberliegenden Sei­ ten des Piezoaktors (1) liegen.

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

• - die Außenelektroden aus einem elektrisch leitenden Me­ tallstreifen, einem Sieb oder Netz bestehen.

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

• - der Mehrschichtaufbau der Piezolagen (2) jeweils am Fuß- und/oder am Kopfende mit einer elektrisch isolie­ renden Keramikplatte (12) versehen ist.

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

• - die nach innen versetzten Bereiche (9; 10) mit Isolati­ onsmaterial versehen sind und dass
• - vollflächige Außenelektroden auf den Piezoaktor (1) aufgebracht sind.

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

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