PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19834461C2 28.09.2000
Titel Vielschicht-Piezoaktor
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Kappel, Andreas, Dipl.-Phys. Dr., 81369 München, DE;
Mock, Randolf, Dipl.-Phys. Dr., 81739 München, DE;
Meixner, Hans, Prof. Dipl.-Phys. Dr., 85540 Haar, DE
DE-Anmeldedatum 30.07.1998
DE-Aktenzeichen 19834461
Offenlegungstag 10.02.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.09.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.09.2000
IPC-Hauptklasse H02N 2/00
IPC-Nebenklasse H01L 41/09   H01L 41/22   H01L 41/083   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen auf einem piezoelektrischen Wirkprinzip basierenden Vielschicht-Aktor und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Zur Auslösung eines schnellen Stellvorgangs wird in zunehmendem Maße ein Vielschicht-Piezoaktor (PMA = Piezoelektrischer Multilayer-Aktor) eingesetzt. Im Hinblick auf eine Miniaturisierung der Komponenten ist man bemüht, den zur Verfügung stehenden Bauraum optimal zu nutzen. Da durch die Plazierung eines bisher ausschließlich verwendeten quadratischen Vielschicht-Piezoaktors in einem zylindrischen Gehäuse die Querschnittsfläche des Gehäuses nur zu 63,7% genutzt wird, erreichen auch die Werte für die elektromechanisch wichtigen Eigenschaften eines solchen Vielschichtelementes, wie die Steifigkeit



cp = (A/L)EM [N/m],



mit A = Querschnittsfläche [m2], L = Aktorlänge [m], EM = Elastizitätsmodul [GPa],

und die Blockierkraft



FB = AEMd33EF[N],



mit d33 = Piezomodul [m/V], EF = elektrische Feldstärke [V/m]



nur das ungefähr 0,64-fache derjenigen Werte eines in diesem Sinne optimalen zylindrischen PMAs. Ein zylindrischer PMA ist aber aus herstellungstechnischer Sicht nur äußerst aufwendig und damit unrentabel fertigbar. Beispielsweise muß zum Schleifen eines keramikähnlichen Piezoaktors eine hoher Aufwand getrieben werden, z. B. mittels einer besonders teuren Diamantschleifscheibe. Unter einem keramikähnlichen Material wird eine Keramik oder ein mechanisch dieser ähnliches Material verstanden.

Aus DE 196 53 555 A1 ist ein piezoelektrischer Aktor mit quadratischer Querschnittsgeometrie bekannt, welcher von einer Rohrfeder umgeben ist, die ein seitliches Knicken der piezoelektrischen Elemente verhindert.

Da die Aktorgeometrie durch die jeweilige Anwendung festgelegt ist, ergibt sich hieraus eine Restriktion für die Querschnittsgeometrie eines zumeist verwandten zylindrischen Gehäuses, wodurch ein solches Gehäuse im Durchmesser oft unnötig groß ist. Zur Behebung oder Minimierung dieses Problems ist bisher keine praktikable Lösung bekannt.

JP-A 4-91664 zeigt einen Vielschicht-Piezoaktor mit mindestens pentagonaler, aber auch oktagonaler, elliptischer und kreisförmiger Querschnittsgeometrie. Ein solcher Piezoaktor ist nur vergleichsweise aufwendig herzustellen, und zwar wegen eines hohen Materialausschusses (pentagonal und hexagonal) oder wegen einer teuren Nachbearbeitung (elliptisch und rund). Der Piezoaktor weist kein Mittel zur seitlichen Stabilisierung auf

Aus der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden WO 97/36365 ist ein Aktuator bekannt, welcher mehrere Vielschicht-Piezoelemente mit hexagonaler Querschnittsgeometrie aufweist, die nebeneinander auf einem Substrat angeordnet sind. Die Vielschicht-Piezoelemente und sind an unabhängigen Kontaktpunkten befestigt. Die Piezoelemente weisen kein Mittel zur seitlichen Stabilisierung auf.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Vielschicht-Piezoaktor zur Verfügung zu stellen, dessen Querschnittsgeometrie in Bezug auf ein zylindrisches Gehäuse optimiert ist und der dennoch vergleichsweise einfach herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst.

Die Idee der Erfindung basiert darauf, einen Vielschicht-Piezoaktor mit einer hexagonalen Querschnittsgeometrie zu verwenden.

Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß der Füllfaktor des PMAs in einem Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt gegenüber einem Aktor mit quadratischer Querschnittsgeometrie um 30% auf 82,7% erhöht wird.

Zudem können zur günstigen Herstellung eines hexagonalen PMAs herkömmliche, geradlinige Sägeschnitte verwendet werden. Dies zeichnet die hexagonale Grundstruktur gegenüber n-Ecken höherer Ordnung vorteilhaft aus.

Weil der Umfang eines Hexagons gegenüber dem eines Quadrates nur geringfügig zunimmt, ist der Mehraufwand für eine kostenaufwendige Nachbearbeitung der Außenflächen des PMAs vernachlässigbar.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird der Vielschicht- Piezoaktor schematisch näher dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung der relevanten Querschnittsgeometrien,

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf einen unaufgetrennten piezoelektrischen Körper,

Fig. 3a zeigt in Schrägansicht einen PMA,

Fig. 3b zeigt den zu Fig. 3a analogen PMA im Schnitt.

In Fig. 1 ist ein Kreisumfang U3 in Aufsicht dargestellt sowie die diesen Kreis ausfüllenden Umfangsgeometrien eines Quadrats U1 und eines Hexagons U2. Die jeweiligen gefüllten Flächen entsprechen der Querschnittsgeometrie eines Kreises, eines Quadrates bzw. eines Hexagons. Die Winkelhalbierenden des Hexagons sind gestrichelt eingezeichnet, weiterhin ist der mit φ bezeichnete Winkel dieser Winkelhalbierenden zueinander eingezeichnet. Der Radius des Kreises, der der halben Länge der Winkelhalbierenden von Quadrat und Hexagon entspricht, ist mit r bezeichnet.

In der folgenden Tabelle ist die Beziehung zwischen Füllfläche A, Umfang U, auf den Kreis bezogenen Füllfaktor F sowie auf den Kreis bezogenen Umfang U0 für Kreis, Quadrat bzw. Hexagon dargestellt.



In der Tabelle ist nochmals der in Bezug auf das Quadrat erhöhte Füllfaktor F des Hexagons mit 82,7% der Fläche des Kreises erkennbar.

Fig. 2 zeigt in Aufsicht eine mit einer Elektrodenstruktur 20 versehene Einzelschicht 1 eines PMA. Dies ist beispielsweise ein Grünteil 10, d. h. eine noch nicht gesinterte Einzelschicht oder eine schon gesinterte Schicht.

Die Elektrodenstruktur 20 besteht aus mehreren hexagonalen, gleichgerichteten Elektroden 2, die sich an ihren Ecken berühren.

Zwischen den Elektroden 2, die bevorzugt aus AgPd bestehen, sind dreieckförmige Verschnittbereiche 5 erkennbar, die im einfachsten Fall nicht mit Material gefüllt sind.

Die Elektrodenstruktur 20 wird vorteilhafterweise durch Siebdruck auf der Oberseite des Grünteils 10 aufgebracht.

Das Grünteil 10 wird bevorzugt als Folie - auch Grünfolie genannt - ausgeführt. Die Grünfolie wird vorteilhafterweise mittels Folienziehen oder Foliengießen gewonnen. Es kann aber auch eine gepreßte Struktur eingesetzt werden.

Bei einem keramikähnlichen piezoelektrischen Material werden zur Herstellung eines kompakten PMAs mehrere bedruckte Grünteile 10 günstigerweise deckungsgleich aufeinandergestapelt und mittels Druck- bzw. Temperatureinwirkung gesintert. Diese werden gegebenenfalls später entbindert.

Der Siebdruckprozeß für die Elektroden 2 und die Stapelung der Grünkörper 10 erfolgen dabei vorteilhafterweise so, daß sich durch eine spätere externe Kontaktierung 6 die gewünschte Vielschichtstruktur einstellt. Somit entspricht Fig. 2 auch der Aufsicht auf einen kompakten, beispielsweise schon gesinterten, piezoelektrischen Festkörper 3 oder einer schon gesinterten Einzelschicht 1.

Es ist zur vereinfachten Kontaktierung vorteilhaft, wenn die Elektrode 2 an mindestens einer Seite mindestens eine Aussparung ausweist. Dadurch können Grünteile 10 dergestalt gestapelt werden, daß die Aussparung übereinanderliegender Elektroden 2 alternierend auf einer gegenüberliegenden Seite des Hexagons angebracht ist. Durch diese Maßnahme wird vorteilhafterweise erreicht, daß nach einer Vereinzelung auf zwei entgegengesetzten Seiten eines Vielschicht-Piezoaktors nur jeweils jede zweite Elektrode an die Oberfläche reicht. Somit kann durch eine einfache elektrische Kontaktierung, beispielsweise einer flächigen Kontaktierung, die jeweils gewünschte Gruppe von Elektroden 2 angesprochen werden.

Zur Vereinzelung eines Vielschicht-Piezoaktors wird der kompakte Festkörper 3 durch mehrere geradlinige Sägeschnitte S aufgetrennt. Ein besonderer Vorteil einer hexagonalen Querschnittsgeometrie liegt darin, daß aufgrund der geradlinigen Sägeschnitte S das zur Vereinzelung der PMA bisher eingesetzte Trennsägen unverändert angewendet werden kann.

Beispielsweise wird der Festkörper 3 auf einem Träger orientiert aufgespannt, der einerseits definierte Winkeldrehungen von 60° und andererseits eine translatorische Verschiebung des Schneidetisches erlaubt. Dadurch lassen sich die zur Vereinzelung nötigen Sägeschnitte S erzeugen. Der übrigbleibende Verschnitt beträgt ein Viertel der Substratfläche.

Zur Erzielung eines homogenen Aufbaus der gestapelten Grünteile 10 und zur Verminderung der beim Sinterprozeß auftretenden inneren mechanischen Deformation werden die dreieckförmigen Verschnittbereiche 5 vorzugsweise mit einem der Dicke der Elektrodenstruktur 20 entsprechenden Füllstoff ausgefüllt, beispielsweise durch Siebbedrucken dieser Verschnittbereiche 5 mit isolierten Inseln des Elektrodenmaterials.

Auf dem PMA wird eine externe Kontaktierung 6 der alternierend ausgerichteten Elektroden 2 aufgebracht, vorteilhafterweise mittels Laserlötung o. ä. von elektrischen Kontaktfahnen an den planen Außenflächen des Bauteils. Dadurch kann eine vorteilhafte, einem mehrfachen Plattenkondensator gleichende Vielschicht-Elektrodenstruktur hergestellt werden, beispielsweise einer Gruppe von Elektroden 2 mit alternierend angeordneten Aussparungen an gegenüberliegenden Seiten des PMAs.

Ein Vorteil eines Vielschicht-Piezoaktors mit hexagonaler Querschnittsgeometrie werden anhand des folgenden Rechenbeispiels weiter erläutert:

Nimmt man für den Elastizitätsmodul einer Keramik EM = 38 [GPa] an, und für den Piezomodul d33 = 650 . 10-12 [m/V], so folgt für einen PMA mit quadratischer Querschnittsgeometrie der Abmessung (Breite . Tiefe . Länge) 7 . 7 . 30 mm, der in einem zylindrischen Gehäuse mit 10 mm Innendurchmesser plaziert ist:

Steifigkeit CP = 62 [N/µm], Blockierkraft FB = 2421 [N] bei EF = 2 kV/mm]

Unter den gleichen Gehäusebedingungen ergibt sich für einen hexagonalen PMA mit einer Kantenlänge des Hexagons entsprechend einem halben Innendurchmesser des Gehäuses von 5 mm:

Steifigkeit CP = 82 [N/µm], Blockierkraft FB = 3209 [N] bei EF = 2 [kV/mm]

Die hexagonale Grundstruktur ist insofern gegenüber n-Ecken höherer Ordnung ausgezeichnet, als daß sich mit diesen n- Ecken eine Parkettierung der Oberfläche unter der Nebenbedingung, daß sich die Einzelteile später durch Trennsägen vereinzeln lassen, nicht realisieren läßt. Weil der Umfang eines Hexagons gegenüber dem eines Quadrates nur um 6% zunimmt, ist der Mehraufwand für die nachträgliche Bearbeitung der Außenflächen des PMAs vernachlässigbar.

Als piezoelektrische Materialien werden bevorzugt Perowskite (u. a. BaTiO3, SrTiO3 PbTiO3, KaTiO3, PbZrO3, Pb(Zr1-xTix)O3 (PZT), KNbO3, LiNbO3, LiTaO3) eingesetzt.

Als Material der Elektrode kann jedes geeignete Metall oder eine Metallegierung eingesetzt werden, wobei Edelmetalle bevorzugt werden. Besonders bevorzugt ist AgPd.

Fig. 3a zeigt in Schrägansicht einen hexagonalen PMA, der aus abwechselnd aufgebrachten piezoelektrischen Einzelschichten 1 und Elektroden 2 aufgebaut ist. Die externe Kontaktierung 6 ist so ausgeführt, daß an einer externen Kontaktierung 6 jeweils jede zweite Elektrode 2 kontaktiert ist. Die gepunktet dargestellte Linie A bezeichnet den gedachten Verlauf einer Trennlinie zur Darstellung eines Schnittbildes gemäß Fig. 3b.

In Fig. 3b ist der zu Fig. 3a analoge PMA als Schnittdarstellung entlang der Trennlinie A dargestellt. Man erkennt deutlich die alternierende Kontaktierung der Elektroden 2 in Bezug auf die externe Kontaktierung 6. Diese wird durch eine Aussparung an den Elektroden 2 erreicht, durch der Schnitt läuft.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an der externen Kontaktierung 6 verhält sich diese Elektrodenstruktur wie ein Vielschicht-Kondensator. Das beim Anlegen auftretende elektrische Feld ist durch die jeweiligen Pfeile gekennzeichnet.

Durch die im Vergleich zu einer quadratischen Grundfläche erheblich bessere Annäherung an die optimale Kreisform ergibt sich zudem der weitere funktionale Vorteil, daß beispielsweise die Kraftanleitung in das anzutreibende Element homogener erfolgt, die mechanische Spannungsverteilung im Vielschichtelement ausgeglichener ist und die Feldstärke-Inhomogenität an den Ecken der Elektrodenstruktur 20 aufgrund des stumpferen Randwinkels (120° statt 90°) reduziert wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Piezoelektrischer Vielschicht-Aktor mit hexagonaler Querschnittsgeometrie, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt.
  2. 2. Aktor nach Anspruch 1, bei dem mindestens eine Elektrode (2) aus AgPd besteht.
  3. 3. Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine piezoelektrische Einzelschicht (1) aus PbTiO3, PbZrO3 oder PZT besteht.
  4. 4. Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an einer Seite einer Elektrode (2) eine Aussparung vorgesehen ist.
  5. 5. Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch eine abwechselnde externe Kontaktierung der Elektroden (2) eine Vielschicht-Elektrodenstruktur vorliegt, die einem mehrfachen Plattenkondensator gleicht.
  6. 6. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschicht-Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
    1. - ein Grünteil (10) auf seiner Oberseite mit einer Elektrodenstruktur (20) versehen wird,
    2. - mindestens zwei Grünteile (10) übereinander gestapelt und danach zu einem kompakten Festkörper (3) verbunden werden,
    3. - aus dem kompakten Festkörper (3) durch Trennsägen mindestens ein piezoelektrisches Vielschichtelement mit hexagonaler Querschnittsgeometrie gewonnen wird,
    4. - das piezoelektrische Vielschichtelement in ein Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt eingeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Grünteile (10) durch Sinterung zu einem kompakten Festkörper (3) verbunden werden.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, bei dem der Grünteil (10) mittels Foliengießen oder Folienziehen gewonnen wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Elektrodenstruktur (20) mittels Siebdruck auf das Grünteil (10) aufgebracht wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Elektroden (2) des piezoelektrischen Vielschichtelementes (4) aus dem kompakten Festkörper (3) durch parallele und um 60° gedrehte Sägeschnitte (S) vereinzelt werden.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem die Elektrodenstruktur (20) des Grünkörpers (10) aus einem regelmäßigen, aus mehreren hexagonalen Elektroden (2) aufgebauten Muster besteht.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem die Verschnittbereiche (5) mit einem der Dicke der Elektrodenstruktur (20) entsprechenden Füllstoff ausgefüllt werden.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei dem auf die planen Außenflächen des piezoelektrischen Vielschichtelementes (4) eine externe Kontaktierung (6) angebracht wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem an der mit einer externen Kontaktierung (6) versehenen Oberfläche in zumindest einem Teil jede zweite Elektrode (2) eine Aussparung aufweist.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem die externe Kontaktierung (6) durch Laserlötung von elektrischen Kontaktfahnen aufgebracht wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com