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Dokumentenidentifikation DE102005052686A1 15.02.2007
Titel Piezoaktor und Verfahren zur Herstellung desselben
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Döllgast, Bernd, 91054 Erlangen, DE;
Schuh, Carsten, Dr., 85598 Baldham, DE
DE-Anmeldedatum 04.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005052686
Offenlegungstag 15.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2007
IPC-Hauptklasse H01L 41/22(2006.01)A, F, I, 20051104, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 41/083(2006.01)A, L, I, 20051104, B, H, DE   H02N 2/04(2006.01)A, L, I, 20051104, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoaktor und ein Verfahren zur Herstellung desselben mit folgenden Verfahrensschritten: Vorsehen eines piezo-elektrisch aktiven Bereiches; Vorsehen eines piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches, welcher mit einer zugeordneten Endfläche des piezo-elektrisch aktiven Bereiches unter Bildung eines Übergangsbereiches zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich und dem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich koppelbar ist; und Bilden mindestens eines definierten Entlastungstrennbereiches in dem Übergangsbereich zum Verhindern von nicht definierten mechanischen Spannung in demselben.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, vorzugsweise in monolithischer Vielschicht-Bauweise, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Obwohl auf beliebige Piezoaktoren anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf einen in monolithischer Vielschicht-Bauweise ausgestalteten Piezoaktor näher erläutert.

Ein derartiger Piezoaktor besteht im Allgemeinen aus mehreren Piezo-Keramikplatten. Eine Piezokeramik ist ein Material, das sich aufgrund des Piezo-elektrischen Effektes beim Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt. Solche Piezo-keramiken bilden die Basis für die Piezoaktoren, die beim Anlegen einer Spannung einen Verfahrweg von einigen Mikrometern realisieren. Die Piezokeramik weist elektrische Dipolmomente auf, die jeweils innerhalb von Weiss'schen Bezirken, die gegeneinander abgegrenzt sind, eine Vorzugsrichtung aufweisen. In einem unpolarisierten Grundzustand der Piezokeramik sind die Vorzugsrichtungen der einzelnen Weiss'schen Bezirke ungeordnet, so dass nach außen hin keine makroskopische elektrische Polarisierung der Piezokeramik vorliegt.

Um den Piezo-elektrischen Effekt für Piezoaktoren nutzbar zu machen, muss die Piezokeramik durch das Ausrichten der elektrischen Dipolmomente polarisiert werden, wonach die elektrischen Dipolmomente in allen Weiss'schen Bezirken nicht oder nur wenig von einer durch die Polarisationsachse vorgegebenen Vorzugsrichtung abweichen. Die Piezokeramiken werden beispielsweise als Grundkörper von Piezoaktoren eingesetzt, welche unter anderem Verwendung im Kraftfahrzeugbereich, beispielsweise in Common-Rail-Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen als elektromagnetische Wandler, finden.

Die einzelnen oben beschriebenen Piezokeramiken sind beiderseits mit metallischen Elektroden versehen. Wird an diese Elektroden eine Spannung angelegt, so reagiert die Piezokeramik mit einer Gitterverzerrung, die entlang der Hauptachse zu der oben bereits erläuterten nutzbaren Längenausdehnung führt. Da diese allerdings weniger als 2 Promille der Schichtdicke entlang der Hauptachse beträgt, muss zur Erzielung einer gewünschten absoluten Längenausdehnung eine entsprechend höhere Schichtdicke aktiver Piezokeramik bereitgestellt werden. Mit zunehmender Schichtdicke der einzelnen Piezokeramik-Schichten innerhalb eines Piezoaktors steigt jedoch auch die zum Ansprechen des Piezoaktors erforderliche Spannung. Um diese in handhabbaren Grenzen zu halten, liegen die Dicken von Piezo-einzelnen Schichten bei Vielschicht-Aktoren üblicherweise zwischen 20 und 200 &mgr;m. Ein Piezoaktor muss daher beispielsweise für eine gewünschte Längenausdehnung eine entsprechende Anzahl an Einzelelementen bzw. – schichten aufweisen.

Es ist der Anmelderin bekannt, zur Herstellung von Piezoaktoren beispielsweise Piezokeramik-Grünfolien alternierend mit Elektrodenmaterial in einem Stapel anzuordnen und gemeinsam zu sintern. Dadurch entsteht ein ausreichend fester Verbund der Einzelschichten in dem Piezoaktor. Die in dem Vielschicht-Aktor integrierten Arbeitselektroden werden für eine wechselseitige elektrische Kontaktierung alternierend an die Oberfläche beispielsweise der sich gegenüberliegenden Seiten des Aktors geführt und dort jeweils durch eine Außenelektrode elektrisch parallel geschaltet. Zur elektrischen Isolierung bestehen die Endbereiche, d.h. der Kopfbereich und der Fußbereich, aus Piezo-elektrisch inaktiven bzw. elektrodenfreien Lagen aus Piezokeramik.

Bei einem Piezoaktor kommt es aufgrund unterschiedlichem Verhalten des aktiven Bereiches und des inaktiven Endbereiches zu unerwünschten mechanischen Spannungen zwischen denselben. Dies ist durch mehrere Umstände bedingt. Durch die Anordnung der metallischen Arbeitselektroden und der Lagen des piezokeramischen Werkstoffs wird einerseits die Materialschwindung des piezokeramischen Werkstoffs, insbesondere im passiven Kopf- und Fußbereich, während des Sinterprozesses beeinflusst. Schwindungsdifferenzen zwischen elektrodennahen und elektrodenfernen Bereichen führen zu unerwünschten, nicht definierten und unkontrollierbaren mechanischen Spannungen im keramischen Werkstoff, die entweder schon während des Sinterprozesses zu unerwünschten Längsrissen führen oder im fertigen Bauteil festigkeitsmindern wirken.

Ferner erfährt bei einem piezo-elektrischen Betrieb der aktive Bereich des Piezoaktors in der Ebene der Arbeitselektroden eine Längenänderung, d.h. er zieht sich beispielsweise in der Ebene der Elektroden zusammen, wohingegen der inaktive Kopfbereich und der inaktive Fußbereich keinerlei Abmessungsänderungen erfahren. Des Weiteren erfahren der aktive Bereich und die inaktiven Endbereiche aufgrund unterschiedlicher thermischer Verhältnisse unterschiedliche Ausdehnungen. Im aktiven Bereich herrscht aufgrund des Hystereseverhaltens des Piezomaterials im Ansteuerbetrieb eine gegenüber dem inaktiven Endbereich erhöhte Temperatur vor, welche zu unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungen dieser Bereiche führt.

Diese Tatsachen führen ebenfalls zu unerwünschten, nicht definierten und unkontrollierbaren mechanischen Spannungen, welche zu unerwünschten Rissen führen können, welche senkrecht zu der Ebene der Elektroden und durch den Piezoaktor hindurch verlaufen können. Derartige Risse können senkrecht in den aktiven Bereich als so genannte Längsrisse hineinwachsen. Dabei werden die Arbeitselektroden durchtrennt und Spalten zwischen den Arbeitselektroden unterschiedlichen Potentials geschaffen. An diesen Stellen kann es zu elektrischen Überschlägen kommen, welche im Weiteren in einem Ausfall des Piezoaktors resultieren. Somit führen unterschiedliche Dehnungsverhalten des aktiven und des passiven Bereiches während des Betriebes insbesondere an der Grenze zwischen beiden Bereichen zu mechanischen Spannungen, die die Bildung von nicht definierten, unerwünschten Längsrissen begünstigen.

Um derartige Rissbildungen aufgrund auftretender mechanischer Spannungen zu vermeiden, können beispielsweise die Betriebsgrenzen beim piezo-elektrischen Betrieb des Piezoaktors derart gewählt werden, dass die entstehenden mechanischen Spannungen zu gering für die Bildung von Längsrissen sind.

An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass für sehr viele Anwendungen ein großer Verstellweg des Piezoaktors erwünscht ist, so dass dieser meist in seinen Betriebsgrenzen angesteuert werden muss.

Ferner existieren verschiedene Lösungen, die mechanischen Spannungen in dem Übergangsbereich zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich und dem piezo-elektrisch inaktiven Endbereichen zu verringern. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 02 574 A1 ist es bekannt, zwischen dem aktiven Bereich und dem inaktiven Kopfbereich bzw. Fußbereich einen zusätzlichen Übergangsbereich zu integrieren, dessen Schwindung während der Herstellung und dessen Bedienungsverhalten während des Betriebes zwischen der Schwindung bzw. dem Dehnungsverhalten des aktiven und der Schwindung bzw. dem Dehnungsverhalten der inaktiven Bereiche liegt.

An diesen Ansatz gemäß dem Stand der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass eine Herstellung eines derartigen zusätzlichen Übergangsbereiches aufwändig und mit zusätzlichen Herstellungskosten verbunden ist.

Die Druckschrift DE 102 15 992 A1 beschreibt einen Piezoaktor, dessen inaktive Bereiche jeweils eine nicht ansteuerbare Blindelektrodenschicht aufweisen. Die zusätzlichen Elektrodenschichten in piezo-elektrisch inaktiven Bereichen sollen für ein gleiches Schwindungsverhalten wie bei dem piezoelektrisch aktiven Bereich sorgen.

An diesem Ansatz gemäß dem Stand der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass die zusätzlichen Blindelektrodenschichten lediglich mittels eines zusätzlichen Herstellungsschrittes vorgesehen werden können, und dass mechanische Spannungen aufgrund von unterschiedlichen Dehnungsverhalten der beiden Bereiche beim piezoelektrischen Betrieb nicht verringert werden können. Somit besteht bei diesem Ansatz nach wie vor die Möglichkeit einer Bildung von nicht erwünschten Längsrissen aufgrund auftretender, undefinierter mechanischer Spannungen zwischen den aktiven und den inaktiven Bereichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Piezoaktor und ein Herstellungsverfahren für denselben anzugeben, bei welchem längsrissbildende, unerwünschte mechanische Spannungen zwischen dem piezo-elektrisch aktiven und den piezo-elektrisch inaktiven Bereichen verringert sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch den Piezoaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass der Piezoaktor mit einem piezo-elektrisch aktiven Bereich und mit einem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich ausgebildet wird, wobei der piezo-elektrisch inaktive Endbereich mit einer zugeordneten Endfläche des piezo-elektrisch aktiven Bereiches unter Bildung eines Übergangsbereiches zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich und dem piezo-elektrisch inaktiven Bereich koppelbar ist, wobei wenigstens ein definierter Entlastungstrennbereich in dem Übergangsbereich zum Verhindern von nicht definierten mechanischen Spannungen in demselben gebildet wird.

Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass ein definierter bzw. gezielt eingebrachter Entlastungstrennbereich eine Trennfläche zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich und dem daran angrenzenden piezo-elektrisch inaktiven Endbereich, d.h. Fuß- und/oder Kopfbereich liefert. Diese Trennfläche verhindert eine Übertragung von unterschiedlichen Dehnungen der einzelnen Bereiche beim Betrieb des Piezoaktors, so dass mechanische Spannungen in dem Übergangsbereich nicht entstehen können. Dadurch können auch keine unerwünschten Längsrisse induziert werden. Durch gezieltes Einbringen mindestens eines Entlastungstrennbereiches ist folglich auf einfache und kostengünstige Weise eine Verhinderung von mechanischen Spannungen zwischen dem aktiven Bereich und den inaktiven Endbereichen in dem Piezoaktor und somit eine Verhinderung einer unkontrollierten Rissbildung gewährleistet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der mindestens eine Entlastungstrennbereich durch Vorsehen einer örtlich definierten Materialschwächung in dem Übergangsbereich gebildet. Durch eine derartige gezielte Materialschwächung kommt es zu vorbestimmten mechanischen Spannungen, welche beim Polarisieren und beim elektrischen Betrieb des Piezoaktors zur Ausbildung eines definierten Entlastungstrennbereiches führen. Beispielsweise kann die örtlich definierte Materialschwächung dadurch bewerkstelligt werden, dass der piezo-elektrisch aktive Bereich und der piezo-elektrisch inaktive Endbereich mit sich unterscheidenden Schwindungscharakteristiken ausgebildet werden. Somit wird beispielsweise bei einem Sinterungsprozess aufgrund des unterschiedlichen Materialschwindungsverhaltens eine definierte Materialschwächung in dem Übergangsbereich geschaffen, welche zu dem vorgenannten definierten Entlastungstrennbereich führt.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden in dem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich interdigitale Elektroden derart vorgesehen, dass der piezo-elektrisch inaktive Endbereich eine elektrische Polarisation erfährt, welche in etwa quer oder zumindest geneigt zu der elektrischen Polarisation des zugeordneten piezo-elektrisch aktiven Bereiches ausgerichtet ist. Dadurch wird ein maximaler Dehnungsunterschied zwischen dem inaktiven Endbereich und dem aktiven Bereich gezielt geschaffen, so das mindestens ein vorbestimmter Entlastungstrennbereich in dem Übergangsbereich gezielt eingebracht wird. Die interdigitalen Elektroden werden vorzugsweise mit den Arbeitselektroden des piezoelektrisch aktiven Bereiches parallel geschaltet, wobei die interdigitalen Elektroden mit mindestens einem Trennabschnitt ausgebildet werden. Dieser Trennabschnitt dient dazu, die interdigitalen Elektroden nach einer Polarisierung des inaktiven Bereiches von den Arbeitselektroden auf einfache und kostengünstige Weise elektrisch zu trennen. Dabei kann der mindestens eine Trennabschnitt beispielsweise als Materialschwächung, vorzugsweise in der Nähe der elektrischen Außenkontaktierung, derart ausgebildet werden, dass der Trennungsabschnitt bei einem Betrieb des Piezoaktors mit vorbestimmter Umladungsfrequenz und vorbestimmten Lade/Endladeströmen durchbrennt. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Trennabschnitt auch mechanisch, mittels eines Lasers oder auf andere Art und Weise durchtrennt werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden der piezo-elektrisch aktive Bereich und der piezo-elektrisch inaktive Endbereich mit sich derart unterscheidenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet, dass der sich bei einer vorbestimmten Temperatur einstellende Ausdehnungsunterschied definierte mechanische Spannungen zum Bilden des mindestens einen Entlastungstrennbereiches erzeugt. Alternativ oder Zusätzlich können die beiden Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen beaufschlagt werden, sodass sich unterschiedliche thermische Ausdehnungen ergeben. Dadurch kann durch einfache Materialauswahl oder geeignete Temperierungen des inaktiven Endbereiches und des aktiven Bereiches für eine gezielte Einbringung eines definierten Entlastungstrennbereiches gesorgt werden.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der mindestens eine definiert gebildete Entlastungstrennbereich als im vorgespannten Zustand des Piezoaktors erzeugte Entlastungstrennfläche ausgebildet, die sich über den gesamten Übergangsbereich in in etwa Querrichtung des Piezoaktors erstreckt.

Vorteilhaft wird der Piezoaktor in monolithischer Vielschicht-Bauweise hergestellt. Der Piezoaktor weist vorzugsweise an seinen beiden stirnseitigen Endflächen jeweils einen piezo-elektrisch inaktiven Endbereich auf, wobei in jedem Übergangsbereich zwischen dem aktiven Bereich und dem zugeordneten inaktiven Endbereich eine durchgehende Entlastungstrennfläche eingebracht wird. Dadurch ist an beiden Übergangsbereichen des Piezoaktors dafür gesorgt, dass keine unerwünschten und unkontrollierten mechanischen Spannungen zu unerwünschten Längsrissen oder dergleichen führen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 eine Vorderansicht eines in monolithischer Vielschicht-Bauweise aufgebauten Piezoaktors im mechanisch vorgespannten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

1A eine Vorderansicht des Piezoaktors aus 1 im angesteuerten Zustand;

2 eine Teilansicht eines in monolithischer Vielschicht-Bauweise aufgebauten Piezoaktors mit vorgesehener Materialschwächung vor einem Betrieb gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

3 eine Teilansicht des Piezoaktors aus 2 mit eingebrachtem Entlastungstrennbereich nach einem Betrieb gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

4 eine Vorderansicht eines in monolithischer Vielschicht-Bauweise hergestellten Piezoaktors mit in dem inaktiven Endbereich integrierten Digitalelektroden gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

5 eine perspektivische Ansicht von piezoelektrischen Keramikplatten des inaktiven Endbereiches mit integrierten Interdigital-Elektroden gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist.

1 illustriert eine Vorderansicht eines so genannten Piezo-Stacks 1, d.h. eines Piezoaktors 1, der in monolithischer Vielschicht-Bauweise hergestellt und mechanisch mittels einer geeigneten Vorspanneinrichtung für einen elektrischen Betrieb vorgespannt ist.

Der Piezoaktor 1 besteht gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem piezo-elektrisch aktiven Bereich 2 und den aktiven Bereich 2 jeweils an den Stirnseiten abschließenden Endbereichen 3, d.h. einem oberen Kopfbereich und einem unteren Fußbereich. Der piezo-elektrisch aktive Bereich 2 besteht aus mehreren piezoelektrischen Keramikschichten, welche jeweils durch Arbeitselektroden 4 voneinander getrennt sind. Die positiven und negativen Pole der Arbeitselektroden 4 wechseln sich ebenso ab wie die Polarisationsrichtung aufeinander folgender Keramikschichten, um bei einer elektrischen Parallelschaltung der einzelnen zugeordneten Elektroden eine mechanische Reihenschaltung, also eine Addition der Einzelhübe der einzelnen piezoelektrischen Schichten zu erhalten.

Erfindungsgemäß wird zur Verringerung bzw. Verhinderung der in der Beschreibungseinleitung ausführlich erörterten unerwünschten mechanischen Spannungen in dem Übergangsbereich zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem zugeordneten inaktiven Bereich 3 gezielt eine Entlastungstrennfläche zwischen den beiden Bereichen 2 und 3 für eine vollflächige Trennung derselben eingebracht. Die Entlastungstrennfläche kann auf verschiedene Weisen bewerkstelligt werden.

1A zeigt eine Vorderansicht des Piezoaktors aus 1 im angesteuerten Zustand, wobei die Änderung der Außenkontur zur besseren Veranschaulichung stark überhöht dargestellt worden ist. Es zeigt sich, dass der Bereich 2 sich nach der Ansteuerung verjüngt hat, während der Bereich 3 (nahezu) unverändert bleibt. Im Übergangsbereich 10 zwischen dem Bereich 2 und dem Bereich 3 kommt es zu einer Deformation des Materials des Stacks.

Anhand der 2 und 3 wird im Folgenden ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Entlastungstrennfläche 5 dadurch gezielt in den Übergangsbereich eingebracht, dass zunächst vorzugsweise vor einem Betrieb des Piezoaktors 1 eine Materialschwächung 6 in dem Übergangsbereich zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Bereich 3 gebildet wird. Eine derartige lokale und vordefinierte Materialschwächung 6 wird beispielsweise dadurch bewerkstelligt, dass der aktive Bereich 2 und der angrenzende inaktive Endbereich 3 mit unterschiedlichen Materialschwindungseigenschaften bei der Sinterung, beispielsweise aus piezo-elektrischen Materialien mit unterschiedlichen Korngrößenverteilungen der Ausgangspulver, ausgebildet werden. Durch Vorsehen bestimmter Schwindungscharakteristika der beiden Bereiche 2 und 3 erfährt beispielsweise der aktive Bereich 2 bei einem Sinterprozess eine größere Materialschwindung als der inaktive Endbereich 3, wie in 2 schematisch dargestellt ist. Ein derartiger Unterschied der einzelnen Materialschwindungen der beiden Bereiche 2 und 3 verursacht definierte mechanische Spannungen in dem Übergangsbereich zwischen den beiden Bereichen 2 und 3, wobei die mechanischen Spannungen von dem vorab eingestellten Schwindungseigenschaften der beiden Bereiche 2 und 3 abhängen.

Diese gezielt eingeleiteten mechanischen Spannungen mit vorbestimmter Größe bewirken bei einer Polarisation und/oder bei einem elektrischen Betrieb des vorzugsweise mechanisch vorgespannten Piezoaktors 1 eine Entlastungstrennfläche 5 in dem Übergangsbereich zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3. Dies ist in 3 schematisch dargestellt.

Somit werden Dehnungsunterschiede zwischen diesen beiden Bereichen 2 und 3 bei einem elektrischen Betrieb des Piezoaktors 1 nicht übertragen, d.h. es können keine mechanischen, nicht definierten Spannungen zwischen diesen Bereichen und somit keine unerwünschten Längsrisse auftreten.

Im Folgenden wird unter Berücksichtigung der 4 und 5 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel werden zum gezielten Einbringen einer Entlastungstrennfläche 5 in dem Übergangsbereich zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3 interdigitale Elektroden 7 in den Endbereich 3 integriert.

Dabei können, wie in 5 schematisch dargestellt ist, die einzelnen Interdigital-Elektroden 7 zunächst in eine zugeordnete piezo-elektrische Keramikplatte bzw. Grünfolie, beispielsweise mittels Bedrucken und Einlaminieren, integriert und diese Platten direkt oder mittels Zwischenplatten miteinander, beispielsweise mittels eines Sinterverfahrens, gekoppelt werden. Die interdigitalen Elektroden 7 sind in dem inaktiven Endbereich 3 vorzugsweise versetzt zueinander und in zu der Polarisationsrichtung des aktiven Bereiches 2 quer verlaufender Richtung derart angeordnet, dass sich das zwischen den Interdigital-Elektroden 7 ausbildende elektrische Feld E bzw. die elektrische Polarisation P des inaktiven Endbereiches 3 senkrecht oder zumindest geneigt zu der Polarisation P des aktiven Bereiches 2 verläuft, wie in 4 durch die Pfeile graphisch dargestellt ist. Somit stellt sich bei einer elektrischen Ansteuerung sowohl der Arbeitselektroden 4 als auch der Interdigital-Elektroden 7 ein maximaler Dehnungsunterschied zwischen den beiden Bereichen 2 und 3 gezielt ein. Dieser maximale Dehnungsunterschied zwischen den Bereichen 2 und 3 führt demnach bei einem Betrieb des vorgespannten Piezoaktors 1 zu einer gewünschten, vorzugsweise ganzflächigen Entlastungstrennfläche 5, welche analog zum ersten Ausführungsbeispiel nicht kontrollierbare mechanische Spannungen zwischen den beiden Bereichen 2 und 3 und somit unerwünschte Rissbildungen in Längsrichtung des Piezoaktors 1 verhindert.

Vorteilhaft sind die Interdigital-Elektroden 7 des inaktiven Bereiches 3 mit den entsprechend zugeordneten Arbeitselektroden 4 des aktiven Bereiches 2 elektrisch parallel geschaltet, wie in 4 und 5 schematisch illustriert ist. Dadurch kann vor Inbetriebnahme des Piezoaktors 1 gezielt eine Entlastungstrennfläche 5 durch elektrische Ansteuerung der Arbeitselektroden 4 und der Interdigital-Elektroden 7 in den Übergangsbereich zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Bereich 3 eingebracht werden.

Da im normalen Betrieb des Piezoaktors 1 eine elektrische Ansteuerung der Interdigital-Elektroden 7 unerwünscht ist, müssen die Interdigital-Elektroden 7 nach Ausbildung der Entlastungstrennfläche 5 elektrisch von den Arbeitselektroden 4 getrennt werden. Beispielsweise können die Interdigital-Elektroden 7 im Bereich der Außenkontaktierung stark eingeschnürt bzw. verdünnt ausgebildet werden, so dass in diesem Bereich beim ersten Betrieb des Piezoaktors 1 mit einer hohen Umladungsfrequenz und entsprechend hohen Lade/Endladeströmen die verdünnten Bereiche der Interdigital-Elektroden 7 gezielt durchbrennen und damit im weiteren Betrieb des Piezoaktors 1 nicht mehr ansteuerbar sind. Alternativ können die Interdigital-Elektroden 7 auch mechanisch, mittels eines Lasers oder auf andere Weise manuell durchtrennt werden.

Gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Entlastungstrennfläche gezielt dadurch in den Übergangsbereich zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3 eingebracht werden, dass die thermische Ausdehnung in dem Übergangsbereich einen großen Gradienten aufweist.

Dazu wird beispielsweise das Material des inaktiven Endbereiches 3 mit einem sich von dem Material des aktiven Bereiches 2 unterscheidenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt. Dadurch kommt es bei einer vorbestimmten Temperatur zu unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der beiden Bereiche 2 und 3 derart, dass in dem Übergangsbereich gezielt vorbestimmte mechanische Spannungen erzeugt werden, die bei einer Polarisation und/oder einer elektrischen Ansteuerung des Piezoaktors im vorgespannten Zustand zu der gewünschten Entlastungstrennfläche führen.

Alternativ oder zusätzlich kann gezielt eine mechanische Spannung in dem Übergangsbereich auch dadurch bewerkstelligt werden, dass der aktive Bereich und der inaktiven Endbereich mit unterschiedlichen, vorbestimmten Temperaturen beaufschlagt werden, so dass diese Bereiche eine unterschiedliche thermische Ausdehnung erfahren. Beispielsweise werden die in den Figuren dargestellten Einspanneinrichtungen auf geeignete Temperaturen gebracht, sodass die inaktiven Endbereiche gegenüber den aktiven Bereichen einen zum Generieren der notwendigen mechanischen Spannungen ausreichenden Temperaturunterschied aufweisen. Andere Temperatureinstellverfahren sind selbstverständlich ebenfalls denkbar.

Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig miteinander kombiniert werden können, um in dem Übergangsbereich gezielt eine Trennfläche zwischen dem aktiven Bereich und dem inaktiven Endbereich zu erzeugen.

Die vorliegende Erfindung weist den Vorteil auf, dass unerwünschte und unkontrollierbare Risse in Längsrichtung des Piezoaktors durch gezieltes Einbringen einer Entlastungstrennfläche verhindert werden. Dadurch kann die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des Piezoaktors im Betrieb erhöht werden. Ferner ist das Einbringen eines definierten Entlastungstrennbereiches durch fertigungstechnisch einfache Maßnahmen bewerkstelligbar. Beispielsweise muss lediglich ein modifiziertes Material für den Endbereich ausgewählt, die Bedruckung einzelner Keramikplatten bzw. -folien geändert oder an bestimmten Bereichen vorbestimmte Temperaturen erzeugt werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors (1), mit folgenden Verfahrensschritten:

– Vorsehen eines piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2);

– Vorsehen eines piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches (3), welcher mit einer zugeordneten Endfläche des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) unter Bildung eines Übergangsbereiches zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich (2) und dem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich (3) koppelbar ist; und

– Bilden mindestens eines definierten Entlastungstrennbereiches (5) in dem Übergangsbereich zum Verhindern von nicht definierten mechanischen Spannungen in demselben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine örtlich definierte Materialschwächung (6) in dem Übergangsbereich vorgesehen wird, wobei durch die örtlich definierte Materialschwächung (6) bei einer Polarisation oder bei einem Betrieb des Piezoaktors (1) der mindestens eine Entlastungstrennbereich (5) gebildet wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezo-elektrisch aktive Bereich (2) und der piezoelektrisch inaktive Endbereich (3) mit sich unterscheidenden Schwindungscharakteristiken derart ausgebildet werden, dass bei einem gemeinsamen Materialschwindungsprozess, beispielsweise einem gemeinsamen Sinterprozess, die örtlich definierte Materialschwächung (6) zum Bilden des mindestens einen Entlastungstrennbereiches (5) erzeugt wird. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich (3) Elektroden (7), vorzugsweise Interdigital-Elektroden, derart vorgesehen werden, dass der piezo-elektrisch inaktive Endbereich (3) in etwa quer oder zumindest geneigt zu der Polarisation des zugeordneten piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) polarisiert werden kann. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Interdigital-Elektroden (7) mit den Arbeitselektroden (4) des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) parallel geschaltet werden, wobei die Interdigital-Elektroden (7) mit mindestens einem Trennabschnitt ausgebildet werden, über welchen die Interdigital-Elektroden (7) von den Arbeitselektroden (4) elektrisch trennbar sind. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trennabschnitt der Interdigital-Elektroden (7) als Materialschwächung, vorzugsweise in der Nähe der elektrischen Außenkontaktierung, derart ausgebildet wird, dass der mindestens eine Trennabschnitt bei einem Betrieb des Piezoaktors mit vorbestimmter Umladungsfrequenz und vorbestimmten Lade-/Endladeströmen durchbrennt. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trennabschnitt mechanisch, mittels eines Lasers oder auf andere Weise durchgetrennt wird. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezo-elektrisch aktive Bereich (2) und der piezoelektrisch inaktive Endbereich (3) mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen derart beaufschlagt werden, dass der sich bei einer vorbestimmten Temperatur einstellende Ausdehnungsunterschied definierte mechanische Spannungen zum Bilden des mindestens einen definierten Entlastungstrennbereiches erzeugt. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der piezo-elektrisch aktive Bereich (2) und der piezoelektrisch inaktive Endbereich (3) mit sich unterscheidenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet und/oder auf sich unterscheidende Temperaturen gebracht werden. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine definiert gebildete Entlastungstrennbereich (5) als im vorgespannten Zustand des Piezoaktors (1) erzeugte Entlastungstrennfläche (5) ausgebildet wird, die sich über den gesamten Übergangsbereich in in etwa Querrichtung des Piezoaktors (1) erstreckt. Piezoaktor (1),

– mit einem piezo-elektrisch aktiven Bereich (2),

– mit einem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich (3), welcher mit einer zugeordneten Endfläche des piezoelektrisch aktiven Bereiches (2) unter Bildung eines Übergangsbereiches zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich (2) und dem piezo-elektrisch inaktiven Bereich (3) koppelbar ist, und

– mit mindestens einem definiert gebildeten Entlastungstrennbereich (5) in dem Übergangsbereich zum Verhindern von nicht definierten mechanischen Spannungen in demselben.
Piezoaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich eine örtlich definierte Materialschwächung (6) aufweist, wobei durch die örtlich definierte Materialschwächung (6) bei einer Polarisation oder bei einem Betrieb des Piezoaktors (1) der mindestens eine Entlastungstrennbereich (5) entsteht. Piezoaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der piezo-elektrisch aktive Bereich (2) und der piezoelektrisch inaktive Endbereich (3) sich unterscheidende Schwindungscharakteristiken derart aufweist, dass bei einem gemeinsamen Materialschwindungsprozess, beispielsweise bei einem gemeinsamen Sinterprozess, die örtlich definierte Materialschwächung (6) zum Bilden des mindestens einen definierten Entlastungstrennbereiches (5) herstellbar ist. Piezoaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass der piezo-elektrisch inaktive Endbereich (3) Elektroden, vorzugsweise Interdigital-Elektroden (7) derart aufweist, dass der piezo-elektrisch inaktive Endbereich (3) in etwa quer oder zumindest geneigt zu der Polarisation des zugeordneten piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) polarisierbar ist. Piezoaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Interdigital-Elektroden (7) mit den Arbeitselektroden (4) des piezo-elektrisch aktiven Bereiches (2) parallel geschaltet sind, wobei die Interdigital-Elektroden (7) mindestens einen Trennabschnitt aufweisen, über welchen die Interdigital-Elektroden (7) von den zugeordneten Arbeitselektroden (4) elektrisch trennbar sind. Piezoaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trennabschnitt der Interdigital-Elektroden (7) als Materialschwächung, vorzugsweise in der Nähe der elektrischen Außenkontaktierung, derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine Trennabschnitt bei einem Betrieb des Piezoaktors (1) mit vorbestimmter Umladungsfrequenz und vorbestimmten Lade-/Endladeströmen durchbrennt. Piezoaktor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trennabschnitt mechanisch, mittels eines Lasers oder auf andere Weise durchtrennbar ist. Piezoaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 11–17, dadurch gekennzeichnet, dass der piezo-elektrisch aktive Bereich (2) und der piezoelektrisch inaktive Endbereich (3) mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen derart beaufschlagbar sind, dass der sich bei einer vorbestimmten Temperatur einstellende Ausdehnungsunterschied definierte mechanische Spannungen zum Bilden des mindestens einen definierten Entlastungstrennbereiches erzeugt. Piezoaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 11–18, dadurch gekennzeichnet, dass der piezo-elektrisch aktive Bereich (2) und der piezoelektrisch inaktive Endbereich (3) mit sich unterscheidenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet und/oder auf sich unterscheidende Temperaturen bringbar sind. Piezoaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 11–19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine definiert gebildete Entlastungstrennbereich (5) als im vorgespannten Zustand des Piezoaktors (1) erzeugte Entlastungstrennfläche (5) ausgebildet wird, die sich über den gesamten Übergangsbereich in in etwa Querrichtung des Piezoaktors (1) erstreckt. Piezoaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 11–20, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) als monolithischer Vielschicht-Aktor ausgebildet ist.






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