DE10017331C1 - Piezoelektrischer Vielschichtaktuator und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Es wird ein piezoelektrischer Vielschichtaktuator beschrieben, der eine Anzahl von in Form eines Piezoelementstapels (10) übereinandergeschichteten piezoelektrischen Keramikschichten (8) und zwischen diesen angeordnete und jeweils wechselseitig an Oberflächenkontaktbereichen (9) aus dem Stapel herausgeführte und mittels einer seitlich am Stapel vorgesehenen Außenelektrode (4) elektrisch parallel geschaltete Innenelektroden (3) umfaßt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß zwischen den Oberflächenkontaktbereichen (9) der Innenelektroden (3) und der Außenelektrode (4) eine elektrisch leitende Pulverschicht (2) vorgesehen ist. Diese elektrisch leitende Pulverschicht (2) gewährleistet eine elektrische Kontaktierung der Innenelektroden (3) gegenüber der Außenelektrode (4), die weitgehend unempfindlich gegenüber einer Rißbildung in dem Piezoelementstapel (10) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Vielschichtaktuator mit einer Anzahl von in Form eines Piezoelementstapels übereinandergeschichteten piezoelektrischen Keramikschichten und zwischen den Keramikschichten angeordneten und jeweils wechselseitig an Oberflächenkontaktbereichen aus dem Stapel herausgeführten und mittels einer seitlich am Stapel vorgesehenen Außenelektrode elektrisch parallel geschalteten Innenelektroden.

Piezoelektrische Vielschichtaktuatoren finden in piezoelektrischen Betätigungseinrichtungen zunehmend Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, aber auch im Automobilbau sind sie aufgrund ihrer geringen Abmessungen und ihrer hohen Leistungsdichte vorteilhaft.

Piezoelektrische Vielschichtaktuatoren bestehen aus einer Anzahl von in Form eines Piezoelementstapels übereinandergeschichteten piezoelektrischen Keramikschichten, zwischen denen jeweils wechselseitig an Oberflächenkontaktbereichen aus dem Stapel herausgeführte und mittels einer seitlich am Stapel vorgesehenen Außenelektrode elektrisch parallel geschaltete Innenelektroden vorgesehen sind. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden erfahren die piezoelektrischen Keramikschichten aufgrund einer durch das elektrische Feld in ihrem Inneren hervorgerufenen Gitterverzerrung eine Längenausdehnung in Richtung des elektrischen Feldes, welche in einer Betätigungseinrichtung nutzbar gemacht werden kann. Die elektrische Parallelschaltung der einzelnen Piezoelemente dient dazu, die von außen anzulegende Spannung möglichst gering zu halten, die zum Hervorrufen der die gewünschte Gitterverzerrung bewirkenden elektrischen Feldstärke erforderlich ist.

Ein Problem bei piezoelektrischen Vielschichtaktuatoren der beschriebenen Art liegt darin, daß die seitlich am Piezoelementstapel vorgesehene Außenelektrode der bei elektrischer Erregung des piezoelektrischen Vielschichtaktuators vom Piezoelementstapel vollzogenen Längenausdehnung unterliegt und dadurch oder durch im Randbereich der Keramikschichten auftretende Risse beschädigt oder unterbrochen werden kann. Zur Überwindung dieses Problems wird in der DE 196 46 676 C1 bei einen piezoelektrischen Vielschichtaktuator eine Kontaktierung der einzelnen piezoelektrischen Keramikschichten vorgeschlagen, bei der seitlich an dem Piezoelementstapel ein die Oberflächenkontaktbereiche der aus dem Stapel herausgeführten Innenelektroden kontaktierender Metallisierungsstreifen vorgesehen ist, auf welchen elektrisch leitfähige Kontaktfahnen aufgebracht sind, die sich soweit vom Piezoelementstapel weg erstrecken, daß ein überstehender Bereich selbst beim Auftreten von Rissen unversehrt bleibt und die Risse elektrisch überbrückt. Weiterhin ist aus der DE 196 48 545 A1 ein piezoelektrischer Vielschichtaktuator bekannt, bei dem ebenfalls seitlich am Piezoelementstapel eine die Oberflächenkontaktbereiche der aus dem Stapel herausgeführten Innenelektroden kontaktierende Metallisierungsschicht vorgesehen ist, welche zur Überbrückung von auftretenden Rissen durch eine dreidimensional strukturierte, elektrisch leitende Elektrode überbrückt wird, die über partielle Kontaktstellen mit der Metallisierungsschicht verbunden und zwischen den Kontaktstellen dehnbar ausgebildet ist. Die dreidimensional ausgebildete Elektrode ist durch eine strukturierte Metallfolie, ein Drahtgewirk oder einen offenporigen Metallschaum gebildet.

Die Aufgabe der Erfindung ist es einen piezoelektrischen Vielschichtaktuator der eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß mit geringem Aufwand eine zuverlässige Kontaktierung der Innenelektroden auch im Falle eines Auftretens von Rissen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 angegebenen piezoelektrischen Vielschichtaktuator gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vielschichtaktuators sind in den Unteransprüchen angegeben.

Schließlich wird ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vielschichtaktuators angegeben.

Durch die Erfindung wird ein piezoelektrischer Vielschichtaktuator mit einer Anzahl von in Form eines Piezoelementstapels übereinandergeschichteten piezoelektrischen Keramikschichten und zwischen den Keramikschichten angeordneten und jeweils wechselseitig an Oberflächenkontaktbereichen aus dem Stapel herausgeführten und mittels einer seitlich am Stapel vorgesehenen Außenelektrode elektrisch parallel geschalteten Innenelektroden geschaffen. Erfindungsgemäß ist zwischen den Oberflächenkontaktbereichen der Innenelektroden und der Außenelektrode eine elektrisch leitende Pulverschicht angeordnet.

Durch die Pulverschicht werden mögliche Risse an der Oberfläche des Piezoelementstapels überbrückt, welche den Stromfluß zwischen den Oberflächenkontaktbereichen der Innenelektroden und der Außenelektrode unterbrechen könnten. Ein wesentlicher Vorteil ist eine Erhöhung von Zuverlässigkeit und Lebensdauer des piezoelektrischen Vielschichtaktuators und eine Einsparung von Herstellungsschritten und Kosten.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des piezoelektrischen Vielschichtaktuators der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Oberflächenkontaktbereiche durch die Randbereiche der aus dem Stapel herausgeführten Innenelektroden gebildet sind, und daß die elektrisch leitende Pulverschicht direkt auf der Oberfläche des Piezoelementstapels in Kontakt mit den Randbereichen der Innenelektroden vorgesehen ist. Somit werden die als Oberflächenkontaktbereiche fungierenden Randbereiche der Innenelektroden an der Stapeloberfläche direkt von der Pulverschicht kontaktiert. Dies hat vorteilhafterweise einen geringen Herstellungsaufwand und eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Rißbildung zur Folge.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vielschichtaktuators ist es vorgesehen, daß die Oberflächenkontaktbereiche durch eine auf der Außenseite des Piezoelementstapels in Kontakt mit den Randbereichen der Innenelektroden befindliche Zwischenelektrode gebildet sind, und daß die elektrisch leitende Pulverschicht auf der Oberfläche der Zwischenelektrode vorgesehen ist. Der Vorteil hiervon ist es, daß durch die Zwischenelektrode eine Vergrößerung der von der elektrisch leitenden Pulverschicht kontaktierten Oberflächenkontaktbereiche stattfindet, was eine höhere Strombelastbarkeit zur Folge hat.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Vielschichtaktuators ist es vorgesehen, daß die Außenelektrode an der dem Piezoelementstapel zugewandten Seite eines an dessen Außenseite vorgesehenen Formteils angeordnet ist, wobei die Außenelektrode die elektrisch leitende Pulverschicht unter einem vorgegebenen Anpreßdruck kontaktiert. Somit ist die elektrisch leitende Pulverschicht unter gleichzeitiger Kontaktierung der Oberflächenkontaktbereiche einerseits und der Außenelektrode andererseits zwischen der Oberfläche des Piezoelementstapels und dem Formteil dauerhaft und zuverlässig eingeschlossen.

Vorzugsweise ist das Formteil aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, und mit der Außenelektrode ist ein an dem Formteil vorgesehener elektrisch leitender Außenkontakt für den elektrischen Anschluß des piezoelektrischen Vielschichtaktuators verbunden. Das Formteil dient somit gleichzeitig als Träger für die Außenelektrode, als äußere Begrenzung für die elektrisch leitende Pulverschicht und als Träger für den elektrisch leitenden Außenkontakt zum Anschluß des Vielschichtaktuators.

Vorzugsweise ist die elektrisch leitende Pulverschicht aus einem Pulver mit einer Korngröße im µm-Bereich hergestellt.

Gemäß einem besonders vorteilhaften Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtaktuators gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, daß die elektrisch leitende Pulverschicht in Form eines Schlickers mittels Siebdruck auf die zu kontaktierende Seite des Piezoelementstapels aufgebracht wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vielschichtaktuators anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Vielschichtaktuators nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei aus Gründen der Veranschaulichung der Piezoelementstapel des Vielschichtaktuators und ein die Außenelektrode tragendes Formteil voneinander getrennt dargestellt sind; und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Vielschichtaktuators nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei wiederum der Piezoelementstapel des Vielschichtaktuators, eine Zwischenelektrode zur Kontaktierung der Oberflächenbereiche der Innenelektroden und ein Formteil, welches die Außenelektrode trägt, voneinander getrennt dargestellt sind.

Bei den beiden in den Fig. 1 und 2 perspektivisch dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vielschichtaktuators bedeutet Bezugszeichen 10 einen Piezoelementstapel, der durch eine Vielzahl von übereinandergeschichteten piezoelektrischen Keramikschichten 8 gebildet ist. Zwischen den Keramikschichten 8 sind Innenelektroden 3 angeordnet, die jeweils wechselseitig an Oberflächenkontaktbereichen 9 aus dem Stapel herausgeführt und mittels einer seitlich an dem Piezoelementstapel 10 vorgesehenen Außenelektrode 4 elektrisch parallel geschaltet sind. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist jeweils jede zweite Innenelektrode 3 nach der rechten, in der Figur sichtbaren Seite des Piezoelementstapels 8 herausgeführt, während die jeweils dazwischenliegenden Innenelektroden 3 nach der anderen, in der Figur nicht sichtbaren linken Seite des Piezoelementstapels herausgeführt sind. An der Oberseite und der Unterseite des Piezoelementstapels 10 befindet sich jeweils eine Endschutzkappe 1, die zur mechanischen Stabilisierung des Piezoelementstapels 10 und zur Verteilung der bei der Erregung desselben erzeugten Kraft dient.

Im betriebsbereiten Zustand des Piezoelementstapels 10 ist an dessen Außenseite ein Formteil 5 angeordnet, welches in Fig. 1 zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit jedoch getrennt dargestellt ist. Das Formteil 5 ist vorzugsweise an den Endschutzkappen 1 des Piezoelementstapels 10 befestigt. An der dem Piezoelementstapel 10 zugewandten Seite des Formteils 5 ist eine Außenelektrode 4 angeordnet, welche mit einem elektrisch leitenden Außenkontakt 6 verbunden ist, der dem elektrischen Anschluß des Vielschichtaktuators 10 dient. Das Formteil 5 selbst ist aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff oder Keramik hergestellt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vielschichtaktuators sind die Oberflächenbereiche der Innenelektroden 3 durch die Randbereiche 9 derselben gebildet, wie sie aus dem Stapel herausgeführt sind. Zwischen den Oberflächenkontaktbereichen in Form der Randbereiche 9 der Innenelektroden 3 und der Außenelektrode 4 ist eine elektrisch leitende Pulverschicht 2 vorgesehen, welche direkt auf der Oberfläche des Piezoelementstapels 10 in Kontakt mit den Randbereichen 9 der in den Elektroden 3 steht. Diese elektrisch leitende Pulverschicht 2 wird von der an dem Formteil 5 angebrachten Außenelektrode 4 unter einem vorgegebenen Anpreßdruck kontaktiert, so daß die elektrisch leitende Pulverschicht 2 eine elektrische Verbindung zwischen den Oberflächenkontaktbereichen 9 der Innenelektroden 3 und der Außenelektrode 4 herstellt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vielschichtaktuators sind die Oberflächenkontaktbereiche der Innenelektroden 3 durch eine Zwischenelektrode 7 gebildet, die sich auf der Außenseite des Piezoelementstapels 10 befindet und mit den Randbereichen 9 der Innenelektroden 3 in Verbindung steht. Die elektrisch leitende Pulverschicht 2 ist auf dieser Zwischenelektrode 7 vorgesehen und befindet sich damit zwischen der an dem Formteil 5 befindlichen Außenelektrode 4 und der Zwischenelektrode 7, wobei sie wiederum durch die Außenelektrode 4 unter einem vorgegebenen Anpreßdruck kontaktiert wird und damit eine elektrische Verbindung zwischen der Außenelektrode 4 einerseits und der Zwischenelektrode 7 und den Innenelektroden 3 andererseits herstellt.

Die elektrisch leitende Pulverschicht 2 ist aus einem Pulver mit einer Korngröße im mm- Bereich hergestellt und besteht aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material.

Gemäß einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird die elektrisch leitende Pulverschicht 2 in Form eines Schlickers mittels Siebdruck auf die zu kontaktierende Seite des Piezoelementstapels 10, also bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel direkt auf die Außenseite des Piezoelementstapels 10 in Kontakt mit den Randbereichen 9 der Innenelektroden 3 bzw. bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel auf die Zwischenelektrode 7 aufgebracht. Es können jedoch auch andere geeignete Verfahren verwendet werden, um die elektrisch leitende Pulverschicht 2 aufzubringen.

Die Befestigung des die Außenelektrode 4 tragenden Formteils 5 an dem Piezoelementstapel 10 bzw. an dessen Endschutzkappen 1 erfolgt in einer Weise, daß ein Ausgleich der Längenänderung des Piezoelementstapels 10 bei dessen Erregung gegenüber dem Formteil 5 gewährleistet ist.

Bezugszeichenliste

1

Endschutzkappe

2

elektrisch leitende Pulverschicht

3

Innenelektroden

4

Außenelektrode

5

Formteil

6

Außenkontakt

7

Zwischenelektrode

8

piezoelektrische Keramikschicht

9

Randbereiche

10

Piezoelementstapel

Claims (7)

1. Piezoelektrischer Vielschichtaktuator mit einer Anzahl von in Form eines Piezoelementstapels (10) übereinandergeschichteten piezoelektrischen Keramikschichten (8) und zwischen den Keramikschichten (8) angeordneten und jeweils wechselseitig an Oberflächenkontaktbereichen (9) aus dem Stapel herausgeführten und mittels einer seitlich am Stapel vorgesehenen Außenelektrode (4) elektrisch parallel geschalteten Innenelektroden (3), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Oberflächenkontaktbereichen (7; 9) der Innenelektroden (3) und der Außenelektrode (4) eine elektrisch leitende Pulverschicht (2) vorgesehen ist.

2. Piezoelektrischer Vielschichtaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenkontaktbereiche durch die Randbereiche (9) der aus dem Stapel herausgeführten Innenelektroden (3) gebildet sind, und daß die elektrisch leitende Pulverschicht (2) direkt auf der Oberfläche des Piezoelementstapels (10) in Kontakt mit den Randbereichen (9) der Innenelektroden (3) vorgesehen ist.

3. Piezoelektrischer Vielschichtaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenkontaktbereiche durch eine auf der Außenseite des Piezoelementstapels (10) in Kontakt mit den Randbereichen (9) der Innenelektroden (3) befindliche Zwischenelektrode (7) gebildet sind, und daß die elektrisch leitende Pulverschicht (2) auf der Oberfläche der Zwischenelektrode (7) vorgesehen ist.

4. Piezoelektrischer Vielschichtaktuator nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode (4) an der dem Piezoelementstapel (10) zugewandten Seite eines an dessen Außenseite vorgesehenen Formteils (5) angeordnet ist, wobei die Außenelektrode (4) die elektrisch leitende Pulverschicht (2) unter einem vorgegebenen Anpressdruck kontaktiert.

5. Piezoelektrischer Vielschichtaktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (5) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, und daß mit der Außenelektrode (4) ein an dem Formteil (5) vorgesehener elektrisch leitender Außenkontakt für den elektrischen Anschluß des piezoelektrischen Vielschichtaktuators verbunden ist.

6. Piezoelektrischer Vielschichtaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Pulverschicht (2) aus einem Pulver mit einer Korngröße im µm-Bereich besteht.

7. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtaktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Pulverschicht (2) in Form eines Schlickers mittels Siebdruck auf die zu kontaktierende Seite des Piezoelementstapels (10) aufgebracht wird.