EP2005493A1 - Piezoaktor und verfahren zur herstellung - Google Patents

Piezoaktor und verfahren zur herstellung

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Publication number
EP2005493A1
EP2005493A1 EP07722238A EP07722238A EP2005493A1 EP 2005493 A1 EP2005493 A1 EP 2005493A1 EP 07722238 A EP07722238 A EP 07722238A EP 07722238 A EP07722238 A EP 07722238A EP 2005493 A1 EP2005493 A1 EP 2005493A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezoelectric actuator
electrodes
cylindrical
main body
internal electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07722238A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP2005493A1 publication Critical patent/EP2005493A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
    • H10N30/053—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes by integrally sintering piezoelectric or electrostrictive bodies and electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/506—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure having a cylindrical shape and having stacking in the radial direction, e.g. coaxial or spiral type rolls

Definitions

  • a piezoelectric actuator is z. B. off . the document DE 10225408 Al known.
  • An object to be solved is to provide a piezoelectric actuator which has a particularly high fatigue strength. Another object is to provide a method for producing such a piezoelectric actuator.
  • a piezoelectric actuator with a base body having a longitudinal axis.
  • inner electrodes are arranged, whose main surfaces are parallel to the longitudinal axis of the body. With internal electrodes aligned in this way, the base body is shortened when voltage is applied along the longitudinal axis.
  • the polarization direction which is usually referred to as direction 3, is preferably perpendicular to the electrodes. In the described arrangement of the electrodes, this means that the direction 3 is also perpendicular to the longitudinal axis of the body.
  • a piezoelectric actuator is used for example in injection systems. By shortening or lengthening the actuator, a nozzle is actuated. It is particularly advantageous, as in the case of the specified piezoelectric actuator for the actuation of the nozzle to use the shortening of the actuator.
  • the specified piezoelectric actuator can during operation of the injection system most of the time kept tension free and only needs to . Actuation of the nozzle to be charged with voltage. As a result, a particularly high long-term stability can be achieved.
  • the main body When an electrical voltage is applied to the internal electrodes, the main body undergoes an expansion in the polarization direction, which causes a transverse contraction of the main body perpendicular to the polarization direction.
  • the transverse contraction of the base body takes place along its longitudinal axis, that is to say along the largest dimension (length) of the main body.
  • the internal electrodes comprise two groups of internal electrodes which are arranged in the basic body and are preferably arranged alternately. At least one inner electrode is provided per group.
  • the internal electrodes of a group are electrically connected to each other and electrically isolated from the internal electrodes of the other group.
  • the inner electrodes of the first group are applied to a first potential and the inner electrodes of the second group to a second potential.
  • the internal electrodes of a group can be electrically connected to one another by means of a collecting electrode.
  • the collecting electrode is preferably an outer electrode, which is arranged on the surface of the base body.
  • the inner electrodes of a variety can also be electrically connected to each other by means of plated-through holes and connected to an outer electrode.
  • the internal electrodes are preferably arranged perpendicular to the main surfaces of the external electrodes. If the connection the inner electrodes is effected by means of the plated-through holes, the outer electrodes can also be parallel to the inner electrodes.
  • the main body preferably comprises ceramic layers, each having piezoelectric properties. Internal electrodes and ceramic layers are arranged alternately.
  • the inner electrodes with interposed ceramic layers form a multi-layer structure. It is advantageous if the terminal ceramic layers, ie the first and the last ceramic layer of the multi-layer structure / has a greater thickness than the other, inner ceramic layers. Also can • the terminal ceramic layers in each case a plurality of partial layers have both the inner.
  • the main body has a lateral surface and two opposite end faces.
  • the outer electrodes of the piezoelectric actuator can be arranged in all embodiments of Grundk ⁇ rpers explained below on the end faces of the base body. But they can also be arranged on the lateral surface of the base body. If required, they can also be executed across edges.
  • the main body has the form of a cuboid in a variant.
  • the outer electrodes may in this case on opposite side surfaces of the Grundk ⁇ rpers, d. H. be arranged on perpendicular to its end faces extending sides of the body.
  • the main body is cylindrical in another variant.
  • a first and a second inner electrode can be formed in each case as first and second windings, which are wound into one another.
  • the first and second internal electrodes may alternatively be formed as concentric tubes of different diameters, respectively.
  • step B the multilayer assembly is preferably wound around a core in the form of a cylindrical rod.
  • Figure IA in a perspective view of a piezoelectric actuator with a cuboid base body and arranged at its end surfaces outer electrodes;
  • Figure ID is a plan view of the piezoelectric actuator according to the figure IA;
  • Figure 2A is a perspective view of a piezoelectric actuator with a cuboid base body and arranged on its side surfaces outer electrodes;
  • FIGS. 2B, 2C show, in different cross sections, the piezoactuator according to FIG. 2A;
  • Figure 2D is a plan view of the piezoelectric actuator according to Figure 2A;
  • Figure 3A is a perspective view of a piezoelectric actuator with a cylindrical base body
  • FIG. 3B shows a longitudinal section through the piezoactuator according to FIG. 3A with internal electrodes spirally wound into one another;
  • FIG. 3C in cross section the piezoactuator according to FIG. 3A;
  • FIG. 3D shows a perspective view of a piezoactuator with a cylindrical main body and outer electrodes arranged on its end faces;
  • FIG. 4A shows the top view of the top of a piezoelectric actuator with concentric internal electrodes
  • Figure 4B is a plan view of the bottom of the piezoelectric actuator shown in Figure 4A with concentric internal electrodes.
  • FIG. 4C schematically shows the arrangement of internal electrodes of the piezoactuator according to FIGS. 4A, 4B;
  • FIG. 5 ceramic layers with metal layers arranged thereon for the formation of internal electrodes before being wound up into a roll.
  • the figure IA shows a first variant of a piezoelectric actuator with a cuboid base body 3.
  • first inner electrode 1 and second inner electrode 2 are arranged.
  • the main body has a longitudinal axis L.
  • the area of the main body in which the first and second internal electrodes 1, 2 overlap with each other undergoes a polarization and for this reason is called an active area.
  • the first passive region 51 extends in the longitudinal direction L between the outer electrode
  • the second passive region 52 extends between the external electrode 42 having the second polarity and the ends of the first internal electrodes 1 facing this electrode.
  • first outer electrode 41 To the first outer electrode 41 are the first Internal electrodes 1 and on. the second outer electrode 42 the. second internal electrodes 2 connected.
  • the thickness of the terminal ceramic layers 31, 32 of the main body is selected to be greater than in the case of the internal ceramic layers 30.
  • Fig. IB is indicated by the first arrows, that at the applied electrical voltage, the extension of the body is perpendicular to the internal electrodes.
  • the second arrows indicate that the maximum absolute change in length (transverse contraction) of the basic body 3 is parallel to the internal electrodes 1, 2.
  • the outer electrodes 41, 42 are arranged on their mutually opposite side surfaces instead of end faces.
  • FIGS. 3A to 3D show a piezoelectric actuator with a cylindrical main body in various views.
  • the outer electrodes 41 and 42 are arranged on the end faces of the main body and connected to the inner electrodes 1 and 2, respectively.
  • Each inner electrode 1, 2 represents a coil and a spiral in cross-section perpendicular to the longitudinal axis of the body.
  • the inner electrodes are wound into each other.
  • a winding arrangement of internal electrodes in a cylindrical base body can, for. B. be generated as follows.
  • a multi-layer arrangement is produced which comprises two ceramic layers 301, 302. Between the first ceramic layer 301, a metal layer for forming the first inner electrode 1 and on the second ceramic layer 302 a further metal layer for forming the second inner electrode 2, preferably by applying a silver-containing metal - paste generated. Both ceramic layers 301, 302 preferably have the same thickness.
  • FIG. 5 shows on the left a plan view of the first ceramic layer 301 with the first inner electrode 1 and on the right a plan view of the second ceramic layer 302 with the second inner electrode 2.
  • the first inner electrode 1 extends in a vertical direction to the (upper) first edge of the ceramic layer 301, which forms the first end face of the cylindrical base body, and is spaced from the opposite edge of this ceramic layer to form the passive zone 52.
  • the second inner electrode 2 extends in the vertical direction to the (lower) second edge of the ceramic layer 302, which forms the second end face of the cylindrical base body, and is spaced from the opposite edge of this ceramic layer to form the passive zone 51.
  • the multilayer assembly just described is then wound to form a roll.
  • a terminal ceramic layer whose thickness is greater than that of the first and second ceramic layers is formed on this roller.
  • the finished roll is pressed and sintered.
  • a metal layer is formed to form the outer electrode.
  • Roden 41, 42 by a common method such. As sputtering applied and baked.
  • the metal layers for forming inner and / or outer electrodes can also be produced by screen printing.
  • the multilayer arrangement is preferably wound around a core 33 in the form of a cylindrical rod, the z. B. contains a ceramic material.
  • the ceramic layers 301, 302, 31 and the core 33 are made of the same material.
  • the core may also have the shape of a hollow cylinder. The hole of the hollow cylinder can, for. B. be used to carry out a line.
  • the multilayer arrangement can also be designed in the form of a hollow cylinder without a core.
  • the multilayer assembly is first wrapped around a core of material which completely burns out upon subsequent sintering of the multilayer assembly, leaving the multilayer assembly in the form of a ring with an inner hole.
  • the main body 3 is provided in the variant according to FIGS. 3A to 3D in the form of a multi-layer winding arrangement.
  • the first arrows indicate that, in the case of the electrical voltage applied between the internal electrodes 1, 2, the expansion of the base body takes place in the radial direction, ie perpendicular to the internal electrodes.
  • Second arrows indicate that the maximum absolute change in length (transverse contraction) of the main body 3 in the longitudinal direction of the multi-layer winding arrangement and indeed - as in the cuboid base body - parallel to the internal electrodes 1, 2.
  • FIGS. 4A, 4B and 4C show a piezoactuator with a cylindrical basic body 3 and concentrically arranged internal electrodes 1, 2.
  • a second inner electrode ' 2 is first generated in the form of a tube, then applied to this a first ceramic layer in the form of a tube.
  • a first inner electrode 1 is applied, on which a second ceramic layer is produced, etc. All layers of the tube structure thus formed, ie, the ceramic layers and the inner electrodes 1, 2 to be arranged between them are each tubular.
  • passive zones 51, 52 as indicated in FIG. 5, during the application of the inner electrodes 1, 2, an end-side edge region of the underlying ceramic layer is recessed in each case.
  • FIG. 4A shows a cross section through the second passive zone 52 and in FIG. 4B a cross section through the first passive zone 51 of the pipe construction.
  • the view of a piezoelectric actuator formed in this case corresponds to FIG. 3D.
  • FIG. 4C illustrates the pipe construction which comprises concentric tubular inner electrodes 1, 2 stacked in one another.
  • the arrangement of the concentric first inner electrodes 1 having different diameters is connected to the first outer electrode 41.
  • the arrangement of the concentric second internal electrodes 2 is connected to the second external electrode 42.
  • the arrangement of the concentric first internal electrodes 1 is offset from the arrangement of the concentric second internal electrodes 2 to form passive zones 51, 52. This has already been explained in connection with the embodiment according to FIGS. 3A to 3D.
  • the connecting lines of the inner and outer electrodes at the respective The outer electrode 41, 42 are indicated by dashed lines in FIG. 4C.
  • the ceramic layers to be applied to one another in layers are preferably initially arranged on a carrier film.
  • the width of the ceramic layer in the circumferential direction of the tube to be produced from this layer is dimensioned so that it is ⁇ times the tube diameter.
  • the carrier film is preferably wider than the ceramic layer. The carrier film is removed after the application of the respective ceramic layer to the already produced part of the cylindrical multilayer arrangement.
  • FIGS. 4A to 4C Except for the differences explained above, the description of the preceding figures applies to FIGS. 4A to 4C.
  • the specified piezoelectric actuator is not limited to the shape shown in the figures.
  • the number of elements of the multilayer arrangement shown is arbitrary.
  • the choice of materials is not limited to the materials mentioned.
  • the specified method for forming a main body in winding structure or tubular layer structure is not limited to the said method steps.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Es wird ein Piezoaktor mit einem Grundkörper (3) angegeben, der eine Längsachse aufweist, mit im Grundkörper angeordneten Innenelektroden (1, 2), deren Hauptflächen parallel zur Längsachse verlaufen. Der Grundkörper hat die Form eines Quaders oder ist zylindrisch, wobei die Innenelektroden als konzentrische Röhren oder ineinander gewickelt ausgebildet sind.

Description

Beschreibung
Piezoaktor und Verfahren zur Herstellung
Ein Piezoaktor ist z. B. aus .der Druckschrift DE 10225408 Al bekannt .
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Piezoaktor anzugeben, der eine besonders hohe Dauerfestigkeit aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Piezoaktors- anzugeben.
Es wird ein Piezoaktor mit einem Grundkörper angegeben, der eine Längsachse aufweist. Im Grundkörper sind Innenelektroden angeordnet, deren Hauptflächen parallel zur Längsachse des Grundkörpers verlaufen. Bei derart ausgerichteten Innenelektroden wird der Grundkörper bei Spannungsbeaufschlagung entlang der Längsachse verkürzt .
Diese Verkürzung kann durch einen Materialparameter dχ3 (oder den gleichwertigen Parameter charakterisiert werden. Die Polarisationsrichtung, die üblicherweise als Richtung 3 bezeichnet wird, liegt vorzugsweise rechtwinklig zu den Elektroden. Bei der beschriebenen Anordnung der Elektroden bedeutet dies, dass die Richtung 3 auch rechtwinklig zur Längsachse des Grundkörpers steht.
Ein Piezoaktor wird beispielsweise in Einspritzsystemen eingesetzt. Durch eine Verkürzung oder Verlängerung des Aktors wird eine Düse betätigt. Es ist besonders vorteilhaft, wie im Falle des angegebenen Piezoaktors für die Betätigung der Düse die Verkürzung des Aktors zu benutzen. Der angegebene Piezoaktor kann im Betrieb der Einspritzanlage die meiste Zeit spannungsfrei gehalten und muss nur zur. Betätigung der Düse mit Spannung beaufschlagt werden. Dadurch ist eine besonders hohe Langzeitstabilität erreichbar.
Bei Anlegung einer elektrischen Spannung an die Innenelektroden erfährt der Grundkörper eine Dehnung in der Polärisati- onsrichtung, die eine Querkontraktion des Grundkörpers senkrecht zur Polarisationsrichtung hervorruft. Die Querkontraktion des Grundkörpers erfolgt entlang seiner Längsachse, also entlang der größten Dimension (Länge) des Grundkörpers.
Die Innenelektroden umfassen zwei Gruppen von Innenelektroden, die im Grundkörper angeordnet und vorzugsweise abwechselnd angeordnet sind. Pro Gruppe ist mindestens eine Innenelektrode vorgesehen. Die Innenelektroden einer Gruppe sind elektrisch miteinander verbunden und von den Innenelektroden der jeweils anderen Gruppe elektrisch isoliert. Die Innenelektroden der ersten Gruppe werden mit einem ersten Potential und die Innenelektroden der zweiten Gruppe mit einem zweiten Potential beaufschlagt.
Die Innenelektroden einer Gruppe können mittels einer Sammel- elektrode elektrisch miteinander verbunden sein. Die Sammel- elektrode ist vorzugsweise eine Außenelektrode, die an der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet ist. Die Innenelektroden einer Sorte können aber auch mittels Durchkontaktierungen elektrisch miteinander verbunden und an eine Außenelektrode angeschlossen sein.
Die Innenelektroden sind vorzugsweise senkrecht zu den Haupt- flächen der Außenelektroden angeordnet. Falls die Verbindung der Innenelektroden mittels der Durchkontaktierungen erfolgt, können die Außenelektroden auch parallel zu den Innenelektroden liegen.
Der Grundkörper umfasst vorzugsweise Keramikschichten, die jeweils piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Innenelektroden und Keramikschichten sind abwechselnd angeordnet . Die Innenelektroden mit dazwischen angeordneten Keramikschichten bilden einen Mehrschichtaufbau. Es ist vorteilhaft, wenn die endständigen Keramikschichten, d. h. die erste und die letzte Keramikschicht des Mehrschichtaufbaus/ eine größere Dicke als die übrigen, innen liegenden Keramikschichten aufweist. Sowohl die inneren als auch die endständigen Keramikschichten • können jeweils mehrere Teilschichten aufweisen.
Der Grundkörper weist eine Mantelfläche und zwei einander gegenüberliegende Stirnflächen auf. Die Außenelektroden des Piezoaktors können in allen nachstehend erläuterten Ausführungsformen des Grundkδrpers auf den Stirnflächen des Grundkörpers angeordnet sein. Sie können aber auch auf der Mantelfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Bei Bedarf können sie auch kantenübergreifend ausgeführt werden.
Der Grundkörper weist in einer Variante die Form eines Quaders auf. Die Außenelektroden können in diesem Fall auf gegenüber liegenden Seitenflächen des Grundkδrpers, d. h. auf senkrecht zu seinen Stirnflächen verlaufenden Seiten des Grundkörpers , angeordnet sein.
Der Grundkörper ist in einer weiteren Variante zylindrisch. Dabei kann eine erste und eine zweite Innenelektrode jeweils als erster und zweiter Wickel ausgebildet sein, die ineinander gewickelt sind. Im Falle eines zylindrischen Grundkörpers können die ersten und die zweiten Innenelektroden alternativ jeweils als konzentrische Röhren mit verschiedenen Durchmessern ausgebildet sein.
Des weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo- aktors angegeben, mit den folgenden Schritten:
A) Es wird eine Mehrschichtanordnung erzeugt, die zwei Keramikschichten umfasst, wobei auf der Oberfläche der ersten Keramikschicht eine Metallschicht zur Bildung einer ersten Innenelektrode und auf der Oberfläche der zweiten ■Keramikschicht eine Metallschicht zur Bildung einer zweiten Innenelektrode erzeugt wird;
B) die Mehrschichtanordnung wird zur Bildung einer Rolle gewickelt ;
C) die Rolle wird gesintert.
Im Schritt B) wird die Mehrschichtanordnung vorzugsweise um einen Kern in Form eines zylindrischen Stabs gewickelt.
Des weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo- aktors angegeben, mit den folgenden Schritten:
A) Zur Bildung einer zylindrischen Mehrschichtanordnung werden konzentrische rohrförmige Keramikschichten und Metall- schichten aufgetragen, die schichtweise, abwechselnd aufeinander aufgetragen werden;
B) die Mehrschichtanordnung wird gesintert.
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur IA in einer perspektivischen Ansicht einen Piezoaktor mit einem quaderförmigen Grundkörper und an seinen Stirnflächen angeordneten Außenelektroden;
Figuren IB, IC in verschiedenen Querschnitten den Piezoaktor gemäß der Figur IA;
Figur ID eine Draufsicht auf den Piezoaktor gemäß der Figur IA;
Figur 2A in einer perspektivischen Ansicht einen Piezoaktor mit einem quaderförmigen Grundkörper und an seinen Seitenflächen angeordneten Außenelektroden;
Figuren 2B, 2C in verschiedenen Querschnitten den Piezoaktor gemäß der Figur 2A;
Figur 2D eine Draufsicht auf den Piezoaktor gemäß der Figur 2A;
Figur 3A in einer perspektivischen Ansicht einen Piezoaktor mit einem zylindrischen Grundkörper;
Figur 3B im Längsschnitt den Piezoaktor gemäß der Figur 3A mit spiralförmig ineinander gewickelten Innenelektroden;
Figur 3C im Querschnitt den Piezoaktor gemäß der Figur 3A;
Figur 3D eine perspektivischen Ansicht eines Piezoaktors mit einem zylindrischen Grundkörper und auf seinen Stirnflächen angeordneten Außenelektroden;
Figur 4A die Draufsicht auf die Oberseite eines Piezoaktors mit konzentrischen Innenelektroden; Figur 4B die Draufsicht auf die Unterseite des in Fig. 4A gezeigten Piezoaktors mit konzentrischen Innenelektroden;
Figur 4C schematisch die Anordnung von Innenelektroden des Piezoaktors gemäß Figuren 4A, 4B;
Figur 5 Keramikschichten mit darauf angeordneten Metall- schichten zur Bildung von Innenelektroden vor dem Aufwickeln zur einer Rolle.
Die Figur IA zeigt eine erste Variante eines Piezoaktors mit einem quaderförmigen Grundkörper 3. Im Grundkδrper 3 sind erste Innenelektrode 1 und zweite Innenelektrode 2 angeordnet. Der Grundkörper weist eine Längsachse L auf.
Der Bereich des Grundkörpers, in dem die ersten und zweiten Innenelektroden 1, 2 miteinander überlappen, erfährt eine Polarisation und wird aus diesem Grund als aktiver Bereich bezeichnet. Der Bereich 51, 52 des Grundkörpers, in dem zwischen zwei Innenelektroden einer Sorte keine Innenelektrode der anderen Sorte liegt, erfährt keine Polarisation und wird als passiver Bereich bezeichnet. Der erste passive Bereich 51 erstreckt sich in Längsrichtung L zwischen der Außenelektrode
41 mit einer ersten Polarität und den zu dieser Elektrode gewandten Enden der zweiten Innenelektroden 2. Der zweite passive Bereich 52 erstreckt sich zwischen der Außenelektrode 42 mit der zweiten Polarität und den zu dieser Elektrode gewandten Enden der ersten Innenelektroden 1.
An den Stirnseiten des Grundkörpers sind Außenelektroden 41,
42 angeordnet. An die erste Außenelektrode 41 sind die ersten Innenelektroden 1 und an. die zweite Außenelektrode 42 die . zweiten Innenelektroden 2 angeschlossen.
Zwischen den aufeinander folgenden Innenelektroden 1, 2 sind innen liegende Keramiksσhichten 30 angeordnet. Zur Stabilisierung des Schichtaufbaus ist die Dicke der endständigen Keramikschichten 31, 32 des Grundkörpers größer gewählt als bei den innen liegenden Keramikschichten 30.
In Fig. IB ist mit ersten Pfeilen angedeutet, dass bei der angelegten elektrischen Spannung die Verlängerung des Grundkörpers senkrecht zu den Innenelektroden erfolgt. Mit zweiten Pfeilen ist angedeutet, dass die maximale absolute Längenänderung (Querkontraktion) des Grundkörpers 3 parallel zu den Innenelektroden 1, 2 erfolgt.
Im Unterschied zu der Variante gemäß den Figuren IA bis ID sind bei dem in den Figuren 2A bis 2D vorgestellten weiteren Piezoaktor die Außenelektroden 41, 42 an seinen einander gegenüber liegenden Seitenflächen statt Stirnflächen angeordnet .
In den Figuren 3A bis 3D ist ein Piezoaktor mit einem zylindrischen Grundkörper in verschiedenen Ansichten vorgestellt. Die Außenelektroden 41 und 42 sind an den Stirnseiten des Grundkörpers angeordnet und an die Innenelektroden 1 bzw. 2 angeschlossen.
Jede Innenelektrode 1, 2 stellt einen Wickel und im Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Körpers eine Spirale dar. Die Innenelektroden sind ineinander gewickelt. Eine Wickelanordnung von Innenelektroden in einem zylindrischen Grundkörper kann z. B. wie folgt erzeugt werden. Vorzugsweise wird eine Mehrschichtanordnung erzeugt, die zwei Keramikschichten 301, 302 umfasst. Zwischen der ersten Keramikschicht 301 wird eine Metallschicht zur Bildung der ersten Innenelektrode 1 und auf der zweiten Keramikschicht 302 eine weitere Metallschicht zur Bildung der zweiten Innenelektrode 2 vorzugsweise durch Auftragen einer silberhaltigen Metall - paste erzeugt. Beide Keramikschichten 301, 302 weisen vorzugsweise die gleiche Dicke auf .
In Figur 5 ist links eine Draufsicht auf die erste Keramikschicht 301 mit der ersten Innenelektrode 1 und rechts eine Draufsicht auf die zweite Keramikschicht 302 mit der zweiten Innenelektrode 2 gezeigt . Die erste Innenelektrode 1 erstreckt sich in vertikaler Richtung bis zum (oberen) ersten Rand der Keramikschicht 301, der die erste Stirnseite des zylindrischen Grundkörpers bildet, und ist vom gegenüber liegenden Rand dieser Keramikschicht zur Bildung der passiven Zone 52 beabstandet . Die zweite Innenelektrode 2 erstreckt sich in vertikaler Richtung bis zum (unteren) zweiten Rand der Keramikschicht 302, der die zweite Stirnseite des zylindrischen Grundkörpers bildet, und ist vom gegenüber liegenden Rand dieser Keramikschicht zur Bildung der passiven Zone 51 beabstandet .
Die eben beschriebene Mehrschichtanordnung wird dann zur Bildung einer Rolle gewickelt. Vorzugsweise wird auf dieser Rolle nach dem Wickeln eine endständige Keramikschicht erzeugt, deren Dicke größer ist als diejenige der ersten und zweiten Keramikschicht. Die fertige Rolle wird gepresst und gesintert . Auf den Stirnseiten der Rolle wird - vorzugsweise nach dem Sintern - eine Metallschicht zur Bildung der Außenelekt- roden 41, 42 durch ein übliches Verfahren wie z. B. Sputtern aufgetragen und eingebrannt. Die Metallschichten zur Bildung von Innen- und/oder Außenelektroden können auch im Siebdruckverfahren erzeugt werden.
Die Mehrschichtanordnung wird vorzugsweise um einen Kern 33 in Form eines zylindrischen Stabs gewickelt, der z. B. ein Keramikmaterial enthält. Vorzugsweise sind die Keramikschichten 301, 302, 31 und der Kern 33 aus dem gleichen Material gefertigt. Der Kern kann auch die Form eines Hohlzylinders aufweisen. Das Loch des Hohlzylinders kann z. B. zur Durchführung einer Leitung benutzt werden.
Die Mehrschichtanordnung kann auch in Form eines Hohlzylinders ohne Kern ausgebildet sein. In diesem Fall wird die Mehrschichtanordnung zunächst um einen Kern aus einem Material gewickelt, welches beim anschließenden Sintern der Mehrschichtanordnung vollständig ausbrennt, so dass die Mehrschichtanordnung in Form eines Rings mit einem Innenloch zurückbleibt .
Der Grundkörper 3 ist in der Variante gemäß den Figuren 3A bis 3D in Form einer Mehrschicht-Wickelanordnung bereitgestellt. In Fig. 3B ist mit ersten Pfeilen angedeutet, dass bei der zwischen den Innenelektroden 1, 2 angelegten elektrischen Spannung die Ausdehnung des Grundkörpers in radialer Richtung, d. h. senkrecht zu den Innenelektroden erfolgt. Mit zweiten Pfeilen ist angedeutet, dass die maximale absolute Längenänderung (Querkontraktion) des Grundkörpers 3 in Längsrichtung der Mehrschicht-Wickelanordnung und zwar - wie beim quaderförmigen Grundkörper - parallel zu den Innenelektroden 1, 2 erfolgt. In Figuren 4A, 4B und 4C ist ein Piezoaktor mit einem zylindrischen Grundkörper 3 und konzentrisch angeordneten Innenelektroden 1, 2 gezeigt. Auf einem Kern 33 wird zunächst eine zweite Innenelektrode ' 2 in Form eines Rohrs erzeugt, dann auf diese eine erste Keramikschicht auch in Form eines Rohrs aufgetragen. Auf die erste Keramikschicht wird eine erste Innenelektrode 1 aufgetragen, auf der eine zweite Keramikschicht erzeugt wird, usw. Alle Schichten des dabei gebildeten Rohraufbaus, d. h. die Keramikschichten und die zwischen diesen anzuordnenden Innenelektroden 1, 2, sind jeweils rohrförmig ausgebildet. Zur Bildung von passiven Zonen 51, 52 wird - wie in Fig. 5 angedeutet - bei der Auftragung der Innenelektroden 1, 2 jeweils ein stirnseitiger Randbereich der darunter liegenden Keramikschicht ausgespart .
In Figur 4A ist ein Querschnitt durch die zweite passive Zone 52 und in Figur 4B ein Querschnitt durch die erste passive Zone 51 des Rohraufbaus gezeigt. Die Ansicht auf einen dabei gebildeten Piezoaktor entspricht der Figur 3D.
In Figur 4C ist der Rohraufbau erläutert, der ineinander gestapelte konzentrische rohrförmige Innenelektroden 1, 2 um- fasst . Die Anordnung der konzentrischen ersten Innenelektroden 1 mit unterschiedlichen Durchmessern wird an die erste Außenelektrode 41 angeschlossen. Die Anordnung der konzentrischen zweiten Innenelektroden 2 wird an die zweite Außenelektrode 42 angeschlossen. Die Anordnung der konzentrischen ersten Innenelektroden 1 ist zur Bildung von passiven Zonen 51, 52 gegenüber der Anordnung der konzentrischen zweiten Innenelektroden 2 versetzt. Dies wurde bereits in Zusammenhang mit der Ausführung gemäß den Figuren 3A bis 3D erläutert. Die Verbindungslinien der Innen- und Außenelektroden an der je- weiligen Außenelektrode 41, 42 sind in Fig. 4C mit gestrichelten Linien angedeutet .
Die schichtweise aufeinander aufzutragenden Keramikschichten sind zunächst vorzugsweise jeweils auf einer Trägerfolie angeordnet . Die Breite der Keramikschicht in Umfangsrichtung des aus dieser Schicht zu erzeugenden Rohres wird so dimensioniert, dass sie π mal den Rohrdurchmesser beträgt. Die Trägerfolie ist vorzugsweise breiter als die Keramikschicht. Die Trägerfolie wird nach dem Auftragen der jeweiligen Keramikschicht auf den bereits hergestellten Teil der zylindrischen Mehrschichtanordnung abgezogen.
Bis auf die vorstehend erläuterten Unterschiede trifft auf die Figuren 4A bis 4C die Beschreibung der vorhergehenden Figuren zu.
Der angegebene Piezoaktor ist nicht auf die in den Figuren gezeigte Formgebung beschränkt. Die Anzahl der gezeigten Elemente der Mehrschichtanordnung ist beliebig. Die Auswahl der Materialien ist auf die genannten Materialien nicht beschränkt. Das angegebene Verfahren zur Bildung eines Grundkörpers in Wickelaufbau oder rohrförmigem Schichtaufbau ist auf die genannten Verfahrensschritte nicht beschränkt .
Bezugszeichenliste
1 erste Innenelektrode
2 zweite Innenelektrode
3 Grundkörper
30 innen liegende Keramikschichten
31, 32 endständige Keramikschichten
33 Kern
41, 42 erste und zweite Außenelektrode
51, 52 passive Zone
L Längsachse

Claims

Patentansprüche
1. Piezoaktor
- mit einem Grundkörper (3) , der eine Längsachse (L) aufweist,
- mit im Grundkörper angeordneten Innenelektroden (1, 2) , deren Hauptflächen parallel zur Längsachse (L) des Grundkörpers (3) verlaufen.
2. Piezoaktor nach Anspruch 1,
- wobei der Grundkörper in einer Richtung, die parallel zu seiner Längsachse verläuft, durch die piezoelektrische Konstante di3 charakterisiert ist.
3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2,
- wobei der Grundkörper bei Anlegung einer elektrischen Spannung an die Innenelektroden eine Kontraktion entlang seiner Längsachse erfährt .
4. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- wobei die Innenelektroden einer ersten und zweiten Sorte im Grundkörper abwechselnd angeordnet sind,
- wobei die Innenelektroden einer Sorte elektrisch leitend miteinander verbunden und von den Innenelektroden der anderen Sorte elektrisch isoliert sind.
5. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
- wobei der Grundkörper die Form eines Quaders aufweist .
6. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
- wobei der Grundkörper (3) zylindrisch ist, und
- wobei eine erste Innenelektrode (1) und eine zweite Innenelektrode (1) jeweils als ein Wickel ausgebildet ist, und wo- bei die Innenelektroden (1, 2) ineinander gewickelt sind.'
7. Piezoaktor nach Anspruch 4,
- wobei der Grundkörper zylindrisch ist, und
- wobei die ersten und die zweiten Innenelektroden jeweils als konzentrische Röhren mit verschiedenen Durchmessern ausgebildet sind.
8. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors mit einem zylindrischen Grundkörper, umfassen die folgenden Schritte:
A) Zur Bildung einer Mehrschichtanordnung werden zwei Keramikschichten (301, 302) bereitgestellt, wobei auf der Oberfläche der ersten Keramikschicht (301) eine Metallschicht zur Bildung einer ersten Innenelektrode (1) und auf der Oberfläche der zweiten Keramikschicht (302) eine Metallschicht zur Bildung einer zweiten Innenelektrode 2 erzeugt wird;
B) die Mehrschichtanordnung wird zur Bildung einer Rolle gewickelt;
C) die Rolle wird gesintert.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , wobei im Schritt B) die Mehrschichtanordnung vorzugsweise um einen Kern 33 in Form eines zylindrischen Stabs gewickelt wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors mit einem zylindrischen Grundkörper, mit den folgenden Schritten:
A) Zur Bildung einer zylindrischen Mehrschichtanordnung werden konzentrische rohrförmige Keramikschichten und Metall- schichten aufgetragen, die schichtweise, abwechselnd aufeinander aufgetragen werden;
B) die Mehrschichtanordnung wird gesintert.
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