DE102004047105A1

DE102004047105A1 - Piezoaktor mit spannungsabbauenden Strukturen

Info

Publication number: DE102004047105A1
Application number: DE102004047105A
Authority: DE
Inventors: Friederike Lindner; Volker Knoblauch; Gaetan Deromelaere
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-05-24
Also published as: JP2006101691A; US20060066178A1

Abstract

Es wird ein piezoelektrischer Aktor (1) mit übereinanderliegenden keramischen Schichten (5) aus einem piezoelektrischen Material und zwischen den Schichten (5) angeordneten Elektroden (10) zur Bildung eines Piezostapels mit mindestens einer Struktur (15), die die im Piezostapel auftretende mechanische Spannung abbaut, vorgeschlagen. Dabei wird die Struktur (15) insbesondere durch eine spannungsabbauende Schicht (20) gebildet, die Aussparungen (25) aufweist. Typischerweise ist diese spannungsabbauende Schicht (20) mit den Aussparungen (25) zwischen den keramischen Schichten (5) angeordnet. Insbesondere ist die Aussparung (25) der spannungsabbauenden Schicht (2) an einem Außenbereich (30) der Schicht (20) angeordnet und wird durch eine Kerbe gebildet. Durch die Kerben werden die mechanischen Belastungen innerhalb des Aktors (1) deutlich reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Piezoelektrische Aktoren werden vielfach in der industriellen Anwendung eingesetzt, bekannte Beispiele sind unter anderem Aktoren zur Betätigung eines Ventilschließkörpers eines Brennstoffeinspritzventils, zur Betätigung von Hydraulikventilen oder zum Antrieb von Mikropumpen.

Typischerweise bestehen die piezoelektrischen Aktoren, wie beispielsweise aus 3 in DE-198 02 302 A1 erkennbar, aus mehreren stapelartig übereinander angeordneten Schichten aus einem piezoelektrischen Material, sogenannten Piezoelementen, und zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordneten Elektroden. Die Elektroden sind dabei in einer interdigitalen Kamm-Struktur angeordnet, d. h. die Elektroden im Innern des Piezostapels sind jeweils im Wechsel mit einer ersten bzw. zweiten Außenelektrode kontaktiert. Die Elektroden im Innern des Piezostapels werden kurz Innenelektroden genannt und sind senkrecht zu den beiden Außenelektroden angeordnet. So ist jede piezoelektrische Schicht an beiden Schichtoberflächen mit einer Innenelektrode verbunden, die über die erste bzw. zweite Außenelektrode mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist. Bei Beaufschlagung mit der Spannung dehnt sich jedes der stapelartig übereinander angeordneten, scheibenartigen Piezoelemente in Richtung des zwischen den Innenelektroden entstehenden elektrischen Feldes aus. Durch die große Anzahl der gestapelten Piezoelemente ist ein relativ großer Hub in Stapelrichtung der Gesamtanordnung bei gleichzeitig relativ kleiner Ansteuerspannung erreichbar.

Bei diesen Aktoren mit interdigitaler Elektrodenstruktur tritt die piezoelektrisch erzeugte Dehnung wegen der Verbindung der gestapelten Piezoelemente und Innenelektroden mit den beiden Außenelektroden hauptsächlich nur im mittleren Bereich auf, wo sich die Innenelektroden untereinander vollständig überdeckend gegenüberstehen. In den Randzonen, wo sich die Innenelektroden mit den jeweils nächstgelegenen Innenelektroden nicht direkt gegenüberstehen, entsteht ein Bereich mit geänderter Feldstärke und demzufolge auch Zugspannungen. Aufgrund dieser mechanischen Belastung kommt es in solchen Aktoren häufig zu Rissbildungen.

Zur Vermeidung solcher Rissbildungen wird in der zuvor erwähnten Schrift vorgeschlagen, den Aktor mit insgesamt vier Außenelektroden zu versehen, wobei jeweils an einer Seite des Piezostapels eine Außenelektrode angeordnet ist und jeweils zwei Außenelektroden elektrisch zu einem Plus- bzw. Minuspol verbunden werden. Die kritischen Bereiche mit den Kontaktierungen der Innenelektroden zu den Außenelektroden werden dadurch auf mehr Seitenflächen des Piezostapels verteilt, so dass diese Bereiche in Stapelrichtung weiter voneinander beabstandet werden können. Durch diese Maßnahme können die Zugspannungen im Piezostapel verringert und somit die Neigung zur Rissbildung vermindert werden.

Ein Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung zur Vermeidung von Rissbildung besteht darin, dass insgesamt vier statt zwei Außenelektroden benötigt werden. Zudem wird der Aufbau des Piezostapels dadurch komplexer, dass bei der Kontaktierung zwischen den Innenelektroden und den vier verschiedenen Außenelektroden auf die zyklische Reihenfolge geachtet werden muss. Weiter ist bei einer stärkeren mechanischen Belastung eine Erweiterung auf mehr als vier Außenelektroden nicht möglich, da ein Piezostapel mit quadratischen Piezoscheiben genau vier Seitenflächen aufweist. Das Potential zur weiteren Beabstandung der Kontaktbereiche der Innen- zu den Außenelektroden ist also ausgeschöpft.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Piezoaktor hat den Vorteil, dass störende Zugspannungen in Randbereichen der Piezoelemente des Piezostapels erheblich reduziert werden, ohne dabei den Piezostapel auf allen vier Seitenflächen mit einer Außenelektrode zu versehen. Auf eine einfache Weise wird dadurch erreicht, dass die mechanische Belastung innerhalb des Piezoaktors abnimmt und folglich Schädigungen im Material wie Rissbildung oder andere leistungsreduzierende Ausfälle minimiert werden. Auch bietet der erfindungsgemäße Piezoaktor die Möglichkeit, die spannungsabbauende Wirkung je nach Bedarf zu verstärken. Schließlich wird darauf hingewiesen, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung nicht die Folgen einer Rissbildung überbrückt werden, sondern aufgrund von Spannungsrelaxation vorteilhaft gar nicht erst Rissbildungen entstehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des piezoelektrischen Aktors sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1a, 1b jeweils eine Kontaktierungsmöglichkeit der Elektroden,
2 einen Piezostapel mit interdigitaler Elektrodenstruktur im Schnitt,
3 einen Feldlinienverlauf in piezoelektrischen Schichten zur Verdeutlichung der aktiven und semi-aktiven Bereichen,
4 eine spannungsabbauende Struktur, und
5 einen piezoelektrischen Aktor mit spannungsabbauenden Schichten.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Wie bereits erwähnt, bestehen piezoelektrische Aktoren üblicherweise aus mehreren, übereinanderliegenden Schichten aus einem piezoelektrischen Material. Zwischen den Schichten sind Elektroden angeordnet, die alternierend zu einem Plus- bzw. Minuspol kontaktiert werden.
1a und 1b zeigen die dabei möglichen zwei Kontaktierungen. Sogenannte Innenelektroden 2, die parallel zu den piezoelektrischen Schichten 5 verlaufen, sind dabei abwechselnd mit einer ersten 3 oder einer zweiten Außenelektrode 4 zu kontaktieren. Die erste Außenelektrode 3 ist hier mit einem Minuspol, die zweite Außenelektrode 4 mit einem Pluspol verbunden. Die in 1a dargestellte Ausführung zeigt vollflächige Innenelektroden 2, d. h. die Innenelektroden 2 verlaufen durchgehend von der ersten 3 bis zur zweiten Außenelektrode 4. Da eine Innenelektrode 2 jedoch nur mit einer Außenelektrode 4 elektrisch kontaktiert werden muss, sind an entsprechenden, nicht zu kontaktierenden Stellen Isolationen 6 angebracht. Vorteilhaft weist die Ausführung mit vollflächigen Innenelektroden 2 nur sogenannte aktive Bereiche 7 mit einer konstanten Feldstärke auf, weil jeder Bereich im Piezoelement immer zwischen zwei gegenseitig geladenen Innenelektroden 2 angeordnet ist. Aufgrund der konstanten Feldstärke im gesamten Bereich des Piezoelementes ist auch die mechanische Dehnung konstant. Nachteilig wirkt sich aber der aufwändige Aufbau mit der Notwendigkeit aus, jede Innenelektrode 2 wechselseitig gegenüber der ersten 3 bzw. zweiten Außenelektrode 4 mit einer Isolierung 6 zu versehen. Daher hat sich die zweite Kontaktierungsmöglichkeit der Innenelektroden 2 zu den Außenelektroden 3, 4, nämlich die interdigitale Elektrodenstruktur, etabliert.
Aus der 1b ist die Anordnung bei einer interdigitalen Elektrodenstruktur erkennbar: Die Innenelektroden 2 sind hier kürzer als im Vergleich zu den flächigen Innenelektroden 2 aus 1a und benötigen daher auch keine Isolierungen 6 im Aufbau. Jedoch stehen zwei benachbarte Innenelektroden 2 nicht mehr vollständig überdeckend gegenüber. Vielmehr gibt es in den piezoelektrischen Schichten 5 neben dem mittleren, aktiven Bereich 7 auch sogenannte semi-aktive Bereiche 8, die durch die versetzten Innenelektroden 2 hervorgerufen werden.
Einen typischen Aufbau eines aus mehreren, übereinanderliegenden piezoelektrischen Schichten 5 bestehenden Piezostapels zeigt 2 im Schnitt. Bekannterweise sind die Innenelektroden 2 alternierend mit der ersten 3 oder zweiten Außenelektrode 4 elektrisch zu einem Minus- bzw. Pluspol kontaktiert. Im aktiven Bereich 7 überlappen sich die Innenelektroden 2 vollständig, daraus resultiert ein konstantes elektrisches Feld. In den semi-aktiven Bereichen 8 kommt es jedoch zu einer Ausbildung eines heterogenen elektrischen Feldes aufgrund der versetzten Innenelektroden 2.
Zur Verdeutlichung sind in 3 die Feldlinien der elektrischen Felder innerhalb der piezoelektrischen Schichten 5 eingezeichnet. Da im folgenden nur auf die Innenelektroden 2 eingegangen wird, werden die Innenelektroden 2 ohne die Gefahr einer Verwechslung einfach Elektroden 10 genannt. Im mittleren, aktiven Bereich 7 der Schichten 5 stehen immer zwei gegensätzlich geladene Elektroden 10 in gleichem Abstand gegenüber, und sorgen so für ein homogenes Feld und eine homogene Dehnungsverteilung. In den semi-aktiven Bereichen 8 jedoch sind die Dehnungen aufgrund nicht konstanter und verringerter Feldstärke nicht homogen und im Vergleich zum aktiven Bereich 7 auch absolut abgeschwächt. Diese Dehnungsunterschiede führen zu hohen mechanischen Belastungen an den Randbereichen des Aktors.
Erfindungsgemäß ist beim piezoelektrischen Aktor mindestens eine Struktur vorgesehen, die die im Piezostapel auftretende mechanische Spannungen abbaut. 4 zeigt eine mögliche spannungsabbauende Struktur 15. Die Struktur 15 kann beispielsweise durch eine spannungsabbauende Schicht 20 mit Aussparungen 25 gebildet werden. Die Aussparung 25 ist vorteilhaft mindestens an einem Außenbereich 30 der spannungsabbauende Schicht 20 angeordnet. Dann kann die Aussparung 25 der Schicht 20 durch eine Kerbe, d. h. einen Einschnitt an einer Oberfläche der Schicht 20 gebildet werden. Optimal weist die Kerbe im Querschnitt der Schicht 20 die Form eines Halbkreises oder einer anderen symmetrischen Figur auf. Im übrigen kann die Struktur 15 aus einem piezoelektrisch aktiven oder inaktiven Material bestehen und die Aussparungen 25 können vor oder nach dem Sintern der Schicht 20 gebildet wurden.
Die spannungsabbauende Schicht 20 mit Aussparungen 25 ist, wie in 5 dargestellt, vorteilhaft zwischen den piezoelektrischen Schichten 5 angeordnet. Der piezoelektrische Aktor 1 weist in diesem Beispiel vier spannungsabbauende Schichten 20 mit Aussparungen 25 auf, die gleichmäßig in den Piezostapel verteilt wurden. Trotz der eingesetzten interdigitalen Elektrodenstruktur kann nun der aktive Bereich 7 aufgrund der Aussparungen 25 freier dehnen, ein Spannungsaufbau wird verhindert. Die genaue Anzahl oder die geometrische Größe der Aussparungen 25 sind abhängig vom Aktortyp und variieren nach Bedarf. Sind bei bestimmten Aktortypen stärkere mechanische Belastungen anzunehmen, so können weitere spannungsabbauende Schichten 20 in den Piezostapel eingefügt werden und/oder die Aussparungen 25 vergrößert werden.
Insgesamt wird durch das Einfügen von spannungsabbauenden Schichten 20 eine erhebliche mechanische Relaxation erreicht, wodurch der Aktor in einem belastungsfreieren Zustand arbeiten kann. Dies wirkt sich direkt vorteilhaft in der Zuverlässigkeit des Aktors aus.

Claims

Piezoelektrischer Aktor (1) mit übereinanderliegenden Schichten (5) aus einem piezoelektrischen Material und zwischen den Schichten (5) angeordneten Elektroden (10) zur Bildung eines Piezostapels, dadurch gekennzeichnet, dass im Piezostapel mindestens eine Struktur (15) vorgesehen ist, die die im Piezostapel auftretende mechanische Spannung abbaut.
Piezoelektrischer Aktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (15) durch eine spannungsabbauende Schicht (20) gebildet wird, die Aussparungen (25) aufweist.
Piezoelektrischer Aktor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsabbauende Schicht (20) zwischen den Schichten (5) aus einem piezoelektrischen Material angeordnet ist.
Piezoelektrischer Aktor (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (25) der spannungsabbauenden Schicht (20) an mindestens einem Außenbereich (30) der Schicht (20) angeordnet ist.
Piezoelektrischer Aktor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (25) der Schicht (20) eine Kerbe ist.
Piezoelektrischer Aktor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbe im Querschnitt der Schicht (20) die Form eines Halbkreises oder einer anderen symmetrischen Figur aufweist.
Piezoelektrischer Aktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (15) aus einem piezoelektrisch aktiven oder inaktiven Material besteht.
Piezoelektrischer Aktor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (25) vor oder nach dem Sintern der Schicht (20) gebildet wurden.