WO2004061985A1 - Piezoaktor und ein verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Piezoaktor und ein verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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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 piezoelectric element can be constructed from partially ceramic material with a suitable crystal structure.
  • 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 predeterminable direction.
  • Such piezoelectric actuators are particularly suitable for use in fast and precise switching operations, for example in various systems for gasoline or diesel injection in injectors for internal combustion engines.
  • piezo actuators can take place here in several layers as so-called multilayer piezo actuators, with the internal electrodes via which the electrical voltage is applied in each case between the layers to be ordered.
  • multilayer piezo actuators with the internal electrodes via which the electrical voltage is applied in each case between the layers to be ordered.
  • mutually stacked piezo foils with printed electrode surfaces as inner electrodes are produced.
  • a foil has its connection only on one connection side and on the opposite side there must be an edge without an internal electrode with an insulation distance. The two sides are then connected on the outside by external electrodes.
  • the piezo actuator is created like a capacitor with many plates.
  • these multilayer piezo actuators are manufactured from slip in a so-called film casting process.
  • the resulting so-called green foils are laminated after stacking and then sintered.
  • the desired geometry is obtained either by hard machining in the sintered state or by shaping in the green state, i.e. before sintering. It is usually necessary to manufacture a piezo actuator that is protected against moisture and mechanical damage.
  • the piezo actuator described at the beginning which can be used, for example, to actuate a mechanical component, is constructed with a multilayer structure of piezo layers and internal electrodes arranged between them. There is mutual contact between the inner electrodes and outer electrodes, the areas between the outer electrodes being provided with suitable insulation.
  • the outer electrodes can then be attached in a simple manner to areas of the insulating material that have been ground free.
  • the insulating layer is applied completely to the outside of the piezo actuator in the green state of the piezo actuator, that is to say before sintering, in a first method step.
  • the Piezo actuator can be fully immersed in the slip. If necessary, the piezo actuator can also be coated only on the sensitive sides on which the internal electrodes of both polarities emerge. A suitable process for this is the so-called submerged flow process.
  • coating thicknesses in the range of typically 50-400 ⁇ m are formed. After sintering, this layer thickness is reduced by 10-30% depending on the sintering shrinkage. A certain layer thickness can be achieved through the viscosity of the slip and / or through multiple coating. A suitable layer thickness ensures a sufficient layer distance between the • internal electrodes and the surface and thus prevents flashovers between the internal electrodes. The layer thickness should also be set so that it does not tear open during operation.
  • the ceramic layer representing an effective protective covering of the actuator.
  • the ceramic layer is even impermeable to moisture if the layer thickness is sufficient.
  • a short-circuit-proof piezo actuator is advantageously created and the use of the piezo actuator is guaranteed even under increased humidity. Furthermore is better handling of the piezo actuator is possible and no painting is required for insulation.
  • FIG. 1 shows a section through a piezo actuator with a multilayer structure of layers of piezoceramic and electrodes according to the prior art
  • FIG. 2 shows a view of a piezo actuator according to the invention with a protective layer and with an exposed outer electrode
  • FIG. 3 shows a section A-A through the piezo actuator according to FIG. 2,
  • FIGS. 4 and 5 show a cross section on a piezo actuator after sintering and before and after exposing the outer electrode areas of the piezo actuator
  • FIGS. 6 and 7 are top views of the inner electrode design of the piezo actuator.
  • a piezo actuator 1 is shown in principle according to the prior art, which is constructed in a manner known per se from piezo layers or 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 a mechanical reaction of the piezo actuator 1 takes place on internal electrodes 3 and 4 via contact surfaces or external electrodes 5 and 6.
  • FIG. 2 shows a piezo actuator 10 according to the invention, which in the area between the outer electrodes, here an outer electrode 11 is visible, has insulating layers 12 and 13 on its outer surfaces made of a preferably ceramic material with almost the same properties as the piezo layers 2, preferably slip ,
  • a section A-A according to FIG. 2 can be seen from FIG. 3, from which the inner electrodes 14, 15 and the layers 12 and 13 can likewise be removed.
  • the so-called green state of the piezo actuator 10, ie before sintering, is shown in FIG.
  • the insulating layer 12, 13 is here initially applied completely to the outside of the piezo actuator 10.
  • the piezo actuator 10 can be completely immersed in the slip as material for the insulating layers 12 and 13, or the fixed piezo actuator 10 can be wetted in a bath of slip, the fill level of the slip being able to be raised and lowered.
  • FIG. 5 shows the state after the sintering of the piezo actuator 10.
  • areas 16 and 17, to which the external electrodes 11 are contacted are exposed by grinding or etching, and thus the insulating layers 12 and 13 are formed.
  • FIGS. 6 and 7 show top views of the inner electrode design of the inner electrode 14 (here FIG. 6) and the inner electrode 15 (here FIG. 7). It can be seen here that the inner electrodes 14 in the region 16 shown in FIG. 5 and the inner electrodes 15 in the region 17 are in contact with the respective outer electrodes.

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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; 14, 15) vorhanden sind. Es ist eine wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (3, 4: 14, 15) mit Aussenelektroden (5, 6;11) vorhanden, wobei die Bereiche zwischen den Aussenelektroden (5, 6) mit einer geeigneten Isolation (12, 13) versehen sind. Im Bereich zwischen den Aussenelektroden (5, 6; 11) ist auf die Aussenfläche des Piezoaktors (1; 10) eine isolierende Schicht (12, 13) aus einem Material mit nahezu gleichen Eigenschaften wie die Piezolagen (2) aufgebracht.

Description

Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung
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 Piezoele ent aus zum Teil keramischen Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Pie- zoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt . Solche piezoelektrischen Aktoren eignen sich insbesondere für den Einsatz bei schnellen und präzisen Schaltvorgängen, beispielsweise bei verschiedenen Systemen der Benzin- oder Dieseleinspritzung in Injektoren für Verbrennungsmotoren .
Der Aufbau dieser Piezoaktoren kann hier in mehreren Schichten als sogenannte Multilayer-Piezoaktoren erfolgen, wobei die Innenelektroden, über die ' die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden. Hierzu werden wechselseitig gestapelte Piezofolien mit aufgedruckten Elektrodenflächen als Innenelektroden, hergestellt. Dabei hat eine Folie ihren Anschluss jeweils nur auf einer Anschlussseite und auf der gegenüberliegenden Seite muss ein Rand ohne Innenelektrode mit einem Isolationsabstand verbleiben. Außen werden dann die beiden Seiten durch Außenelektroden verbunden. So entsteht in an sich bekannter Weise der Piezoaktor wie ein Kondensator mit vielen Platten.
In an sich bekannter Weise werden diese Multilayer- Piezoaktoren in einem sogenannten Foliengießverfahren aus Schlicker hergestellt. Die daraus resultierenden sogenannten Grünfolien werden nach dem Stapeln laminiert und anschließend gesintert. Die gewünschte Geometrie erhält man entweder durch Hartbearbeitung im gesinterten Zustand oder durch Formgebung im Grünzustand, also vor dem Sintern. Es ist hier in der Regel notwendig einen Piezoaktor herzustellen, der gegenüber Feuchtigkeit und mechanischer Beschädigung geschützt ist.
Bei den meisten Innenelektrodendesigns treten, wie zuvor erwähnt, an einer Fläche des Piezoaktors jeweils Innenelektroden wechselseitiger Polarität an die Oberfläche. Es besteht hier die Gefahr, dass durch eine unzureichende Isolation oder mechanische Beschädigung beim Transport, beim Verbau oder beim Betrieb Kurzschlüsse zwischen den Elektrodenschichten entstehen. Dem kann zwar durch sogenannte halb- oder vollvergrabene Innenelektrodendesigns begegnet werden. Hierbei werden jeweils nur Innenelektroden einer Polarität oder gar keine Elektroden nach außen an Flächen geführt, die nicht zum Kontaktieren benötigt werden. Allerdings ist dieses Verfahren mit präzisen und damit aufwendigen Stapel- und/oder Trennverfahren verbunden. Beispielsweise ist aus der DE 199 28 180 AI bekannt, dass im Bereich zwischen den Kontaktierungen der Außenelektroden die Piezolagen einen vorgegebenen Betrag nach innen ausgespart sind, zur Bildung einer Nut. Diese Nut verhindert beim Bearbeiten der Oberfläche des Piezoaktors und bei der Anbringung der Außenelektroden eine Verschmieren des Elektrodenmaterials zwischen den Außenelektroden und führt daher zu einer deutlichen Verbesserung der Durchschlagfestigkeit des Piezoaktors.
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 Innenelektroden aufgebaut . Es wird eine wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden mit Außenelektroden vorgenommen, wobei die Bereiche zwischen den Außenelektroden mit einer geeigneten Isolation versehen sind. Erfindungemäß ist in vorteilhafter Weise im Bereich zwischen den Außenelektroden auf die Außenfläche des Piezoaktors eine isolierende Schicht aus einem vorzugsweise keramischen Material mit nahezu gleichen Eigenschaften wie die Piezolagen, zum Beispiel Schlicker, aufgebracht. In besonders vorteilhafter Weise verwendet man sogar den identischen Schlicker, der auch zum Foliengießen der Piezolagen verwendet worden ist .
Die Außenelektroden können dann auf einfache Weise auf freigeschliffenen Bereichen des isolierenden Materials angebracht werden .
Gemäß eines vorteilhaften Herstellungsverfahrens wird in einem ersten Verfahrensschritt im Grünzustand des Piezoaktors, also vor dem Sintern, die isolierende Schicht vollständig außen auf den Piezoaktor aufgebracht. Der Piezoaktor kann dazu vollflächig in den Schlicker eingetaucht werden. Gegebenenfalls kann der Piezoaktor auch nur an den empfindlichen Seiten beschichtet werden, an den die Innenelektroden beider Polaritäten nach außen treten. Ein geeignetes Verfahren ist hierzu das sogenannte Tauchflut-Verfahren.
Mit der Erfindung kann erreicht werden, dass Beschich- tungsdicken im Bereich von typischerweise 50-400 μm gebildet werden. Diese Schichtdicke reduziert sich nach dem Sintern je nach Sinterschwund um 10 -30 %. Eine bestimmte Schichtdicke ist dabei über die Viskosität des Schlickers und/oder durch Mehrfachbeschichten erreichbar. Eine geeignete Schichtdicke stellt hier einen ausreichenden Schichtabstand • der Innenelektroden zur Oberfläche sicher und verhindert damit Überschläge zwischen den Innenelektroden. Die Schichtdicke sollte zudem so eingestellt werden, dass diese im Betrieb nicht aufreißt.
Wird zur Herstellung der isolierenden Schutzschicht dasselbe Keramikmaterial wie beim Piezoaktor selbst verwendet, so entsteht beim anschließenden Sintern eine sehr enge und dichte Verbindung zwischen der Keramik der Folienlaminate der Piezolagen und der äußeren isolierenden Schicht, wobei diese Keramikschicht eine wirkungsvolle Schutzhülle des Aktors darstellt. Bei geschlossener Porosität, welche in der Regel bei der verwendeten Piezokera- mik vorliegt, ist bei ausreichender Schichtdicke die Keramikschicht sogar feuchtigkeitsundurchlässig. Nach dem Sintern des Piezoaktors werden die Bereiche, an denen die Außenelektroden kontaktiert werden, und gegebenenfalls auch die Stirnflächen, freigelegt. Beispielsweise durch Schleifen oder Ätzen.
Es entsteht somit in vorteilhafter Weise ein kurschluss- sicherer Piezoaktor und der Einsatz des Piezoaktors ist auch unter erhöhter Feuchtigkeit gewährleist. Ferner ist ein besseres Handling des Piezoaktors möglich und es ist zur Isolierung keine Lackierung nötig.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoaktors wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und Elektroden nach dem Stand der Technik,
Figur 2 eine Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Piezoaktor mit einer Schutzschicht und mit einer freigelegten Außenelektrode,
Figur 3 einen Schnitt A-A- durch den Piezoaktor nach der Figur 2 ,
Figuren 4 und 5 einen Querschnitt auf einen Piezoaktor nach dem Sintern und vor und nach dem Freilegen der Außenelektrodenbereiche des Piezoaktor,
Figuren 6 und 7 Draufsichten auf das Innenelektro- dendesign des Piezoaktors.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein Piezoaktor 1 im Prinzip nach dem Stand der Technik gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezolagen bzw. Piezofolien 2 eines Quarzmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden 3 und 4 über Kontaktflächen bzw. Außenelektroden 5 und 6 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt. In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer Piezoaktor 10 gezeigt, der im Bereich zwischen den Außenelektroden, hier ist eine Außenelektrode 11 sichtbar, auf seinen Außenflächen isolierende Schichten 12 und 13 aus einem vorzugsweise aus keramischem Material mit nahezu gleichen Eigenschaften wie die Piezolagen 2 trägt, vorzugsweise Schlicker .
Aus Figur 3 ist ein Schnitt A-A nach der Figur 2 zu entnehmen, wobei hieraus die Innenelektroden 14, 15 und die Schichten 12 und 13 ebenfalls entnehmbar sind.
Zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens ist in Figur 4 der sogenannte Grünzustand des Piezoaktors 10, also vor dem Sintern, gezeigt. Die isolierende Schicht 12,13 ist hier zunächst vollständig außen auf den Piezoaktor 10 aufgebracht. Der Piezoaktor 10 kann dazu vollflächig in den Schlicker als Material für die isolierenden Schichten 12 und 13 eingetaucht werden oder der feststehende Piezoaktor 10 kann in einem Bad aus Schlicker benetzt werden, wobei die Füllhöhe des Schlickers an- und abgehoben werden kann .
Figur 5 zeigt den Zustand nach dem Sintern des Piezoaktors 10. Hier werden Bereiche 16 und 17, an den die Außenelektroden 11 kontaktiert werden, durch Schleifen oder Ätzen freigelegt und somit die isolierenden Schichten 12 und 13 gebildet .
Aus Figuren 6 und 7 sind Draufsichten auf das Innenelekt- rodendesign der Innenelektrode 14 (hier Figur 6) und der Innenelektrode 15 (hier Figur 7) gezeigt. Hier ist erkennbar, dass die Innenelektroden 14 im aus der Figur 5 ersichtlichen Bereich 16 und die Innenelektroden 15 im Bereich 17 mit den jeweiligen Außenelektroden kontaktiert sind.

Claims

Patentansprüche
1) Piezoaktor, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwi- ■ sehen angeordneten Innenelektroden (3, 4,-14, 15) und mit einer wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektroden (3, 4,-14, 15) mit Außenelektroden (5, 6,-11), wobei die Bereiche zwischen den Außenelektroden (5,6:11) mit einer Isolation (12,13) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen den Außenelektroden (5, 6; 11) auf die Außenfläche des Piezoaktors (1;10) eine isolierende Schicht (12,13) aus einem Material mit nahezu gleichen Eigenschaften wie die Piezolagen (2) aufgebracht ist .
2) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ dass
die isolierende Schicht (12,13) die Kanten des Piezoaktors (1;10) einschließt. 3) Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das isolierende Material Schlicker ist
4) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden (5,6:11) auf freigeschliffenen Bereichen des isolierenden Materials angebracht sind.
5) Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt im Grünzustand des Piezoaktors (10) vor dem Sintern die isolierende Schicht (12,13) vollständig außen auf den Piezoaktor (10) aufgebracht wird und nach dem Sintern des Piezoaktors (10) die Bereiche (16,17), an denen die Außenelektroden (5,6;11) kontaktiert werden, freigelegt werden.
6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (10) vollflächig oder zweiseitig in die noch flüssige isolierende Schicht eingetaucht oder mit dieser benetzt wird. 7) Verfahren nach Anspruch 5 oder • 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (16,17), an denen die Außenelektroden (5, 6,-11) kontaktiert werden, durch Schleifen freigelegt werden.
8) Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Bereiche (16,17), an denen die Außenelektroden (5, 6; 11) kontaktiert werden, durch Ätzen freigelegt werden .
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