DE10026005B4

DE10026005B4 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE10026005B4
Application number: DE2000126005
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr. Heinz; Bertram Dr. Sugg; Steffen Jung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2020-05-26
Also published as: WO2001091199A1; US20020135275A1; CZ2002196A3; EP1230688A1; DE10026005A1; KR20020024309A

Abstract

Piezoaktor, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) über Außenelektroden (4, 5), über die eine elektrische Spannung zuführbar ist, wobei die Außenelektroden (4, 5) netz- oder gewebeartig auf jeweils einer Seitenfläche verteilt aufgebracht sind und zumindest punktweise mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert sind und zwischen den Kontaktierungen ein dehnbarer Bereich zu liegen kommt, wobei die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden (4, 5) derart über den Mehrschichtaufbau der Piezolagen hinaus verlängert sind, dass an den Verlängerungen (8, 9) die Zuführung der elektrischen Spannung erfolgt, und wobei die Verlängerungen (8, 9) elektrisch isoliert (10) durch ein Fußteil (6) des Piezoaktors (1) geführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den 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 kann hier in mehreren Schichten erfolgen (Multilayer-Aktoren), wobei die Elektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden.

Solche Piezoaktoren können beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Beim Betrieb des Piezoaktors ist hier insbesondere darauf zu achten, dass durch mechanische Spannungen im Lagenaufbau auch keine störenden Rissbildungen im Bereich der äußeren Anschlusselektroden entstehen. Da die jeweils an einer Seite kontaktierten Innenelektroden kammartig in den Lagenaufbau integriert sind, müssen die in Richtung des Lageraufbaus aufeinanderfolgenden Elektroden jeweils abwechselnd an gegenüberliegen Seiten kontaktiert werden.

Bei einer Betätigung des Piezoaktors, d.h. bei Anlage einer Spannung zwischen den im Lagenaufbau gegenüberliegenden Innenelektroden treten unterschiedliche mechanische Kräfte im Bereich der Innenelektroden sowie im Bereich der Kontaktierungen an den Außenelektroden auf, die zu mechanischen Spannungen und dadurch zu Rissen in den Außenehektroden führen können. Die Außenelektroden müssen dann wiederum mit Anschlusselektroden versehen werden, die in der Regel auch mechanischen Spannungen standhalten müssen.

Aus den Druckschriften DE 197 53 930 A1 , DE 196 48 545 A1 und DE 33 30 538 A1 sind Piezoaktoren bekannt, die elastische netz- und gewebeartige oder gewelte Außenelektroden haben. Die Außenelektroden werden im Bereich aktiver Schichten des Aktors kontaktiert.

Aus der Druckschrift DE 199 09 452 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, bei dein der Anschlussleiter aus dem aktiven Bereich des Aktors herausgenommen ist und in den Bereich inaktiver Schichten verlegt wurde. Aus der JP 2-266 578 A (Patent Abstracts of Japan) ist ein derartiger Piezoaktor bekannt, bei dem die Außenelektrode wellig und damit flexibel ist.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, dass mindestens eine Schicht der jeweiligen Außenelektrode netz- oder gewebeartig auf jeweils einer Seitenfläche verteilt aufgebaut und zumindest punktweise mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert ist. Die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden sind dabei derart über den Mehrschichtaufbau der Piezolagen verlängert, dass an den Verlängerungen die Zuführung der elektrischen Spannung über entsprechende Anschlüsse erfolgt.

Gegenüber einer üblichen Lötung dieser äußeren Anschlussdrähte direkt auf der Außenelektrode nahe des Piezoaktorfußes im aktiven oder inaktiven Bereich ist erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise erreicht, dass mit dem Anschluss an die Verlängerung der Außenelektrode eine verbesserte und mechanisch robustere Kontaktierung hergestellt ist. Bei der üblichen Lötung auf dem netz- oder siebartigen Gewebe ist die Haftung der Elektroden auf dem Piezoaktor sehr gering, so dass selbst geringe Kräfte ein Abschälen der Außenelektrode vom Piezoaktor hervorrufen können. Gemäß der Erfindung kann dann auch die Anzahl der notwendigen elektrischen Verbindungen im Bereich des Mehrschichtaufbaus verringert werden.

Dadurch, dass die Außenelektroden über den Piezoaktorfuß hinaus, im Idealfall bis zum Stecker verlängert werden, können diese somit in einem unkritischen Bereich kontaktiert werden. Weiterhin ermöglicht dies zum einen eine kostengünstige Fertigung, zum anderen wird das Prozess- und Ausfallrisiko an dieser Stelle reduziert. Vorteilhaft ist außerdem, dass auch auf einen, ev. sonst notwendigen zusätzlichen inaktiven Bereich am Mehrschichtaufbau zur Kontaktierung verzichtet werden kann, wodurch eine geringere Baulänge ermöglicht und weitere Kosten gespart werden können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verlängerungen elektrisch isoliert durch das Fußteil, z.B. aus Stahl oder Al₂O₃, des Piezoaktors geführt, an dem der Mehrschichtaufbau der Piezolagen befestigt ist. Hierbei ist es auch vorteilhaft, wenn die Verlängerungen zur Fixierung und zur Zugentlastung der Außenelektroden in einer Vergussmasse gehalten sind, welche in eine Ausnehmung des Fußteils, ggf. von einem Formteil aus Stahl oder Polymer umgeben, eingebracht sind.

Die Verlängerungen können in vorteilhafter Weise auch dadurch realisiert werden, dass die Außenelektroden im Bereich der Verlängerungen verjüngt sind. Weiterhin können die Außenelektroden auch im Bereich der Verlängerungen gefaltet oder gerollt sein.

Auf einfache Weise können die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden aus gekreuzten horizontal und vertikal verlegten oder unter 45° geneigt verlegten Drähten bestehen, die durch verkupfern oder verzinnen miteinander kontaktiert sind.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Pizokeramik und Innenelektroden sowie einer netzartigen durch ein Fußteil verlängerten Außenelektrode;
2 einen Schnitt an der Linie A-A im Ausführungsbeispiel nach der 1;
3 einen Detailschnitt im Bereich der Durchführung der verlängerten Außenelektrode durch das Fußteil;
4 eine Abwandlung des Beispiels nach den 1 bis 3 mit einem zusätzlichen Formteil im Bereich der Verlängerungen;
5 eine Abwandlung der vorhergehenden Beispiele mit einer in der Verlängerung verjüngten Außenelektrode;
6 ein Ausführungsbeispiel mit einer in der Verlängerung gefalteten Außenelektrode;
7 ein Ausführungsbeispiel mit einer in der Verlängerung gerollten Außenelektrode;
8 und 9 Ausführungsbeispiele der netz- oder gewebeartigen Außenelektroden und;
10 einen Detailschnitt durch die verkupferten oder verzinnten Drähte der netz- oder gewebeartigen Außenelektrode.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 und 2 ist in verschiedenen Schnitten ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezofolien eines Keramikmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden 2 und 3 jeweils über Außenelektroden 4 und 5 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in axialer Richtung erfolgt.
Der Piezoaktor ist über ein Fußteil 6 fest in ein Gehäuse 7, beispielsweise das Gehäuse eines Einspritzventils für Kraftfahrzeuge, eingebettet. Die Außenelektroden 4 und 5 weisen Verlängerungen 8 und 9 auf, an deren unterem Ende jeweils ein elektrischer Anschluss für eine Spannungsversorgung angebracht werden kann. Im Bereich der Durchführung der Verlängerungen 8 und 9 durch das Fußteil 6 und ggf. darüber hinaus sind die Verlängerungen 8 und 9 elektrisch isoliert, beispielsweise mittels eines Schrumpfschlauchs 10. Zur Fixierung und zur Zugentlastung der Außenelektroden 4 und 5 bzw. der Verlängerungen 8 und 9 sind diese in einer Ausnehmung 11 des Fußteils 6 mit einer Vergussmasse 12 umhüllt. In 3 ist der Bereich der Durchführung der Verlängerungen 8 oder 9 anhand eines Ausführungsbeispiels im Detail gezeigt.
Ein Ausführungsbeispiel nach 4 zeigt eine Abwandlung zur Fixierung und zur Zugentlastung der Außenelektroden 4 und 5 bzw. der Verlängerungen 8 und 9 mit einem, im Fußteil 6 liegenden, Formteil 13, in das die Vergussmasse 12 eingefügt ist.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Elektrodenverlängerungen 8 und 9 sind in den 5 bis 7 dargestellt. Nach der 5 sind die Verlängerungen 8 und 9 lediglich verjüngt, was auch dem unten gezeichneten Querschnitt der Verlängerung 9 zu entnehmen ist. Die 6 zeigt eine Verlängerung 9, die gefaltet ist und die 7 zeigt eine Verlängerung 9, die gerollt ist, was wiederum den darunter gezeichneten Querschnitten der Verlängerung 9 zu entnehmen ist.
Aus 8 ist ein netzartiger Aufbau der Außenelektrode 4 oder 5 mit horizontal und vertikal verlaufenden Drähten 14 und 15 und aus 9 ist ein vergleichbarer Aufbau mit 45° geneigten Drähten 14 und 15 zu entnehmen. Im Schnitt nach 10 ist die Lage der gekreuzten Drähte 14 und 15 mit Kontaktstellen 16, z.B. durch Verkupfern oder Verzinnen der Drähte 14 und 15, erkennbar.

Claims

Piezoaktor, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) über Außenelektroden (4, 5), über die eine elektrische Spannung zuführbar ist, wobei die Außenelektroden (4, 5) netz- oder gewebeartig auf jeweils einer Seitenfläche verteilt aufgebracht sind und zumindest punktweise mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert sind und zwischen den Kontaktierungen ein dehnbarer Bereich zu liegen kommt, wobei die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden (4, 5) derart über den Mehrschichtaufbau der Piezolagen hinaus verlängert sind, dass an den Verlängerungen (8, 9) die Zuführung der elektrischen Spannung erfolgt, und wobei die Verlängerungen (8, 9) elektrisch isoliert (10) durch ein Fußteil (6) des Piezoaktors (1) geführt sind.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verlängerungen (8, 9) in einer Vergussmasse (12) gehalten sind, welche in eine Ausnehmung (11) des Fußteils (6) eingebracht ist.
Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vergussmasse (12) von einem Formteil (13) umgeben ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Außenelektroden (4, 5) im Bereich der Verlängerungen (9, 10) verjüngt sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Außenelektroden (4, 5) im Bereich der Verlängerungen (8, 9) gefaltet sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Außenelektroden (4, 5) im Bereich der Verlängerungen (8, 9) gerollt sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden (4, 5) aus gekreuzten unter 45° geneigt verlegten Drähten (14, 15) bestehen.
Piezoaktor nach einem der Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass – die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden (4, 5) aus gekreuzten horizontal und vertikal verlegten Drähten (14, 15) bestehen.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass – die Drähte (14, 15) untereinander durch verkupfern oder verzinnen miteinander kontaktiert sind.