WO2004019424A2 - Piezoaktor - Google Patents

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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
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    • 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
    • H10N30/80—Constructional details

Definitions

  • the invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.
  • a piezo element can be constructed from a material with a suitable crystal structure using the so-called piezo effect.
  • an external electrical voltage is applied, there is a mechanical reaction of the piezo element which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a push or pull in a predefinable direction.
  • this piezo actuator as a so-called multilayer actuator can take place here, as described for example in DE 199 28 191 A1, in several layers, the electrodes via which the electrical voltage is applied being arranged between the layers.
  • the piezo actuator make sure that Mechanical stresses in the layer structure do not cause any troublesome cracks.
  • the electrodes are mutually contacted laterally, they cannot always be guided completely to the opposite side, since otherwise voltage flashovers can destroy the piezo actuator.
  • the mutual contacting is constructed in such a way that in the layer structure, two inner electrodes, which include a different-pole inner electrode contacted on the opposite side, are contacted together on one side. Alternately in the layer structure, one of these mutually contacted internal electrodes is now not led to the end of the piezo layers and the other one to the end of the piezo layer, forming a neutral phase.
  • the design of the internal electrodes is generally selected as a function of the necessary external shape of the piezo actuator, with most actuator shapes also resulting from the manufacturing technology or the cutting of the actuator stacks. Since the edges resulting from the cut can easily lead to voltage flashovers, processing of the edges is often necessary, but this can be very complex and expensive, especially if it is carried out subsequently on the actuator.
  • the piezo actuator described at the outset which can be used, for example, to actuate a mechanical component, is advantageously constructed with a multilayer structure of piezo layers and internal electrodes arranged between them.
  • the individual inner electrodes are rounded at the corners formed by the cut edges before assembly to form the multilayer structure.
  • the corners of the chamfers can also be rounded in a simple manner. It is particularly advantageous here if the curves each have a radius of curvature of at least 20 ⁇ m in order not to act as a tip or edge. With the invention, it is then possible in a simple manner to dispense with machining the edge of the piezo actuator, since this would be complex and expensive, in particular in order to subsequently produce roundings.
  • FIG. 1 shows a section through a piezo actuator according to the prior art with a multilayer structure of layers of pizza ceramic and with mutually contacted inner electrodes and well-shaped outer electrodes,
  • FIG. 2 shows a detailed view of the internal electrodes with rounded corners
  • Figure 3 is a detailed view of the internal electrodes with rounded corners that are already chamfered
  • Figure 4 shows another embodiment of an internal electrode design with rounded corners or edges. Description of the embodiments
  • FIG. 1 shows a piezo actuator 1 which is constructed in a manner known per se from piezo foils 2 of a quartz material with a suitable crystal structure, so that using the so-called piezo effect when an external electrical voltage is applied to internal electrodes 3 and 4, which are only shown schematically here Outside electrodes 5 and 6 contacted externally, a mechanical reaction of the piezo actuator 1 takes place.
  • the outer electrodes 5 and 6 are designed as corrugated electrodes which are contacted on contact surfaces 8 with two inner electrodes each having the same polarity.
  • the piezo layers 2 and 2a, 2b are alternately offset inwards at the corners in a predetermined area, as a result of which a groove 9 and 9a, 9b is formed.
  • an inner electrode 10 is provided with a curve 12 at its corners 11 shown in broken lines.
  • the inner electrode 13, which is offset for mutual contacting, is provided with curves 15 at its corners 14.
  • FIG. 3 An embodiment is shown in which chamfers 16 at the corners of the inner electrode 10 have likewise been provided with a rounded portion 17. The same applies to chamfers 16 at the corners of the inner electrode 13 according to FIG. 3.
  • FIG. Men Another exemplary embodiment of a design for the internal electrodes 10 and 13 can be seen from FIG. Men, in which in addition to the curves 12 mutually rounded neutral areas 18 are recessed so that outer electrodes 19 and 20 can be attached.

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, bei dem mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwischen angeordneten Innenelektroden (3,4;10,13) eine wechselseitige seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (3,4;10,13) mit Außenelektroden (9;19,20) möglich ist. Die einzelnen Innenelektroden (10,13) sind vor dem Zusammenbau zu dem Mehrschichtaufbau an den durch die Schnittkanten gebildeten Ecken (11) gerundet. Wenn die Ecken (11) jeweils eine Fase (16) aufweisen, so können die Ecken der Fasen jeweils auch gerundet sein.

Description

Piezoaktor
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 sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.
Der Aufbau dieses Piezoaktors als sogenannter Multilayer- Aktor kann hier, wie beispielsweise in der DE 199 28 191 AI beschrieben, in mehreren Schichten erfolgen, wobei die Elektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden. Beim Betrieb des Piezoaktors ist darauf zu achten, dass durch mechanische Spannungen im Lagenaufbau keine störenden Rissbildungen entstehen.
Bei einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Elektroden können diese dabei in der Regel nicht immer vollständig bis an die gegenüberliegende Seite geführt werden, da sonst Spannungsüberschläge zur Zerstörung des Piezoaktors führen können. Die wechselseitige Kontaktierung ist derart aufgebaut, dass im Lagenaufbau jeweils zwei Innenelektroden, die eine anderspolige auf der gegenüberliegenden Seite kontaktierte Innenelektrode einschließen, auf einer Seite gemeinsam kontaktiert sind. Abwechselnd im Lagenaufbau ist nun jeweils eine dieser gemeinsam kontaktierten Innenelektroden unter Bildung einer neutralen Phase nicht bis an das Ende der Piezolagen und die jeweils andere bis an das Ende der Piezolage geführt .
Das Design der Innenelektroden wird hierbei in der Regel in Abhängigkeit von der notwendigen äußeren Form des Piezoaktors gewählt, wobei sich die meisten Aktorformen auch aus der Herstellungstechnik bzw. des Schneidens der Aktorstapel ergeben. Da es an den durch den Schnitt entstehenden Kanten leicht zu Spannungsüberschlägen kommen kann, ist oft eine Bearbeitung der Kanten notwendig, die aber, besonders wenn sie nachträglich am Aktor durchgeführt wird, sehr aufwendig und teuer sein kann.
Vorteile der Erfindung-
Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, ist in vorteilhafter Weise mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden aufgebaut. Erfindungsgemäß sind die ein- zelnen Innenelektroden bereits vor dem Zusammenbau zu dem Mehrschichtaufbau an den durch die Schnittkanten gebildeten Ecken gerundet .
Wenn die Ecken jeweils eine Fase aufweisen, können dann auf einfache weise die Ecken der Fasen jeweils auch gerundet werden. Es ist hierbei besonders vorteilhaft, wenn die Rundungen jeweils einen Rundungsradius von mindestens 20μm aufweisen, um nicht als Spitze oder Kante zu wirken. Mit der Erfindung kann dann auf einfache Weise auf eine Bearbeitung der Kante des Piezoaktors verzichtet werden, da diese, insbesondere um nachträglich Rundungen herzustellen, aufwendig und teuer wäre.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor nach dem Stand der Technik mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Pizokeramik und mit wechselseitig kontaktierten Innenelektroden und wellför igen Außenelektroden,
Figur 2 eine Detailansicht der Innenelektroden mit gerundeten Ecken,
Figur 3 eine Detailansicht der Innenelektroden mit gerundeten Ecken, die bereits gefast sind, und
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines n- nenelektrodendesigns mit gerundeten Ecken oder Kanten. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 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 hier nur schematisch gezeigten Innenelektroden 3 und 4 über außen kontaktierte Außenelektroden 5 und 6 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt.
Aus der Figur 1 ist weiterhin ersichtlich, dass die Außenelektroden 5 und 6 als Wellelektroden ausgeführt sind, die an Kontaktflächen 8 mit jeweils zwei, die gleiche Polarität aufweisenden Innenelektroden kontaktiert sind. Die Piezolagen 2 bzw. 2a, 2b sind jeweils abwechselnd an den Ecken in einem vorgegebenen Bereich nach innen versetzt, wodurch sich eine Nut 9 bzw. 9a, 9b herausbildet.
In der Darstellung nach Figur 2 ist erkennbar, dass erfindungsgemäß eine Innenelektrode 10 an ihren gestrichelt dargestellten Ecken 11 jeweils mit einer Rundung 12 versehen ist. Die für die wechselseitige Kontaktierung versetzt angebrachte Innenelektrode 13 ist an ihren Ecken 14 jeweils mit Rundungen 15 versehen.
In Figur 3 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der bereits vorhanden Fasen 16 an den Ecken der Innenelektrode 10 ebenfalls mit einer Rundung 17 versehen worden ist. Das gleiche gilt für Fasen 16 an den Ecken der Innenelektrode 13 nach der Figur 3.
Aus Figur 4 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Designs für die Innenelektroden 10 und 13 zu entneh- men, bei dem zusätzlich zu den Rundungen 12 wechselseitig jeweils gerundete neutrale Bereiche 18 ausgespart sind, so dass Außenelektroden 19 und 20 angebracht werden können.

Claims

Patentansprüche
1) Piezoaktor, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwischen angeordneten Innenelektroden (3,4/10,13) und einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (3, 4,-10, 13) mit Außenelektroden (9 ; 19 , 20 ) , dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Innenelektroden (10,13) an den durch die Schnittkanten gebildeten Ecken (11) gerundet sind.
2) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken (11) jeweils eine Fase (16) aufweisen und dass die Ecken der Fasen jeweils gerundet sind.
3) Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rundungen (12; 17) jeweils einen Rundungsradius von mindestens 20μm aufweisen.
4) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen heranziehbar ist .
PCT/DE2003/001799 2002-08-16 2003-06-02 Piezoaktor Ceased WO2004019424A2 (de)

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