DE10113744A1 - Elektrische Anschlußanordnung für einen monolithischen Vielschicht-Piezoaktor - Google Patents
Elektrische Anschlußanordnung für einen monolithischen Vielschicht-PiezoaktorInfo
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Abstract
Elektrische Anschlußanordnung für einen monolithischen Vielschicht-Piezoaktor (P) mit elektrischen Anschlußfahnen (A1, A2), die quer zur Höhe des den Piezoaktor (P) bildenden Piezoelementenstapels zur Bildung einzelner Finger (F) vielfach geschlitzt sind und mit den Fingern jeweils an der betreffenden Stapelseite anliegend mit den Innenelektroden des Piezoaktors verbunden sind.
Description
Monolothische Piezo-Aktoren sind bekannt (z. B.
DE-C 197 15 488). Sie bestehen aus einem Stapel von Piezoelemen
ten. Jedes dieser Elemente besteht seinerseits aus einer
Piezokeramikschicht, die beiderseits mit metallischen Elek
troden versehen ist. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung
dehnt sich die Piezokeramikschicht dickenmäßig aus. Durch die
Stapelanordnung einer Vielzahl solcher Piezoelemente in Form
einer monolithischen Vielschichtanordnung aus einem gesinter
ten Stapel von Piezokeramikschichten mit jeweils eingelager
ten metallischen Innenelektroden wird dieser Effekt ver
stärkt. Die Innenelektroden sind wechselseitig aus dem Stapel
herausgeführt und werden über äußere elektrische Anschlüsse
elektrisch parallel geschaltet. In mechanischer Hinsicht sind
die einzelnen Piezokeramikschichten in Reihe angeordnet.
Durch diese Anordnung wird durch Anlegen einer niedrigen
elektrischen Spannung die aufsummierte Nenndehnung der
gesamten Piezokeramik in Richtung der Stapelhöhe erreicht.
Aus der DE-C 197 15 488 ist es bekannt, die wechselseitig aus
dem Stapel herausgeführten Elektroden auf jeder Seite durch
Auflöten einer durchgehenden Kontaktfahne miteinander und mit
der Anschlußverdrahtung zu verbinden.
Diese Verbindung ist jedoch problematisch. Denn die Kontakt
fahnen verlaufen entlang der Stapelhöhe, liegen flach am
Stapel an und sind mit diesem bzw. dem zwischen den Piezo
keramikschichten herausgeführten Innenelektroden fest ver
bunden. Die Kontaktfahnen verlaufen damit in Richtung der
piezoelektrischen Ausdehnung des Piezoelementenstapels und
unterliegen somit bei jedem Ausdehnungsvorgang einer starken
Zugbeanspruchung. Bei höherfrequentem Betrieb eines solchen
Vielschicht-Piezoaktors führt diese Art des elektrischen An
schlusses unweigerlich zur Rißbildung in den elektrischen
Verbindungen zwischen der Kontaktfahne und den einzelnen
Innenelektroden und damit zum Ausfall bzw. der Zerstörung des
Piezoaktors.
Die EP-A-0 844 678 sucht dieses Rißbildungsproblem dadurch zu
beheben, daß die Anschlußelemente dreidimensional nach Art
eines Wellblechs ausgebildet werden, wobei die Wellentäler
mit den einzelnen herausgeführten Innenelektroden stoff
schlüssig verbunden werden und die dazwischen verlaufenden
Wellenberge die Funktion von Dehnungsbögen erhalten, so daß
auch bei höherfrequenten Dehnungsschwingungen des Piezoele
mentenstapels diese wellenförmigen Anschlußelemente diese
Dehnungsschwingungen zieharmonikaartig mitmachen können, ohne
daß es zur Rißbildungen an den Verbindungsstellen mit den
Innenelektroden kommt.
Damit stellt sich allerdings ein neues Problem, weil die
metallenen Anschlußfahnen dann nur noch punktuell und nicht
mehr vollflächig an der Außenseite des Piezoelementenstapels
anliegen. Denn bei höherfrequentem Betrieb des Piezoaktors
wird darin auch in beträchtlichem Maße Wärme erzeugt, und die
elektrischen Anschlußfahnen dienen nicht allein der Herstel
lung der elektrischen Anschlußverbindung, sondern außerdem
auch noch der Wärmeabführung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektri
sche Anschlußanordnung für einen monolithischen Vielschicht
piezoaktor zu schaffen, die eine auch bei hochfrequenten
Dehnungsschwingungen des Piezoaktors rißbildungsfeste Kontak
tierung gewährleistet und gleichzeitig in optimaler Weise der
Wärmeabfuhr dient.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch
1 angegebene Anordnung gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist jede Kontaktfahne quer zur Stapelhöhe des
Piezoaktors mehrfach geschlitzt und dadurch in eine Mehrzahl
von quer zur Stapelhöhe verlaufenden Fingern unterteilt, die
jeweils mit den betreffenden herausgeführten Innenelektroden
verbunden sind. Bei der Dehnungsbewegung des Piezoelementen
stapels können sich die Finger der Kontaktfahne in Richtung
der Stapelhöhe aufspreizen und werden deshalb durch die
Dehnungsschwingungen des Piezoaktors praktisch nicht mecha
nisch beansprucht. Zugleich können die Kontaktfahnen voll
flächig an der Stapelaußenfläche anliegen und als Wärmeablei
ter und Wärmeabstrahler dienen.
In bevorzugter Ausbildung der Erfindung sind die Kontaktfah
nen, die mit ihren Fingern an jeweils einer von zwei gegen
überliegenden Außenflächen des Piezoelementenstapels anlie
gend mit den dort herausgeführten Innenelektroden verbunden
sind, um eine angrenzende Eckkante des Piezoelementenstapels
herumgebogen und liegen auch noch an der benachbarten Stapel
außenfläche vollflächig an, um auch dort Wärme aufzunehmen
und abzuführen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den anliegenden
Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachstehend kurz
beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 in perspektivischer Darstellung
die elektrische Anschlußanord
nung nach der Erfindung, und
Fig. 2 im Schnitt eine Mehrfachanord
nung von Piezo-Aktoren mit einer
Anschlußanordnung nach der Er
findung in einem Kühlblock.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer schematisierter Darstellung
das Prinzip der elektrischen Anschlußanordnung nach der
Erfindung.
Ein monolithischer Vielschicht-Piezoaktor in Gestalt einer
Vielzahl von stapelförmig angeordneten Piezokeramikschichten
mit jeweils dazwischen angeordneten Innenelektroden ist nur
als quaderförmiger Block P dargestellt, ohne daß die einzel
nen Piezokeramikschichten bzw. Piezoelemente des Stapels und
die herausgeführten Innenelektroden dargestellt wären, da
diese Anordnung an sich bekannt ist.
Die Innenelektroden zwischen den Piezokeramikschichten können
entweder jeweils zu einer Stapelseite hin oder auch jeweils
zu einem Stapeleckbereich hin herausgeführt sein, wie eben
falls an sich bekannt ist.
Zum elektrischen Anschluß der elektrisch parallel geschalte
ten Piezoelemente des Piezoaktors P dienen zwei Anschlußfah
nen A1 und A2. Die Anschlußfahne A1 ist mit dem Piezoaktor P
verbunden dargestellt, da sie in der Darstellung vorne liegt,
und die Anschlußfahne A2 ist, weil sie mit den in der Zeich
nung hinten liegenden Stapelseitenflächen des Piezoaktors P
zu verbinden ist, gesondert darüber gezeichnet, und ein Pfeil
deutet an, wie sie mit dem Piezoaktor P zu verbinden ist.
Wie man sieht, sind die beiden Anschlußfahnen A1 und A2 in
ihrem mit dem Piezoaktor P verbundenen bzw. zu verbindenden
Bereich quer zur Stapelhöhe vielfach geschlitzt, wobei die
Schlitze als Einschnitte 5 angedeutet sind. Dadurch ist an
dem mit dem Piezoaktor P verbundenen Teil der betreffenden
Anschlußfahne A1, A2 jeweils eine entsprechende Vielzahl von
quer zur Stapelhöhe verlaufenden Fingern F gebildet, die
einzeln jeweils stoffschlüssig mit den herausgeführten Innen
elektroden des Piezoaktors P verbunden sind.
Bei Dehnungsbewegungen des Piezoaktors in Richtung der Sta
pelhöhe können also diese Finger F der Anschußfahnen A1, A2
die Dehnungsbewegungen ohne weiteres mitmachen, indem sie
sich geringfügig aufspreizen, ohne daß die Anschlußfahnen A1,
A2 einer nennenswerten mechanischen Beanspruchung unterlie
gen.
Die Finger F der Anschlußfahnen A1, A2 liegen, wie darge
stellt, flach und vollflächig an der betreffenden Stapelseite
des Piezoaktors P an, und wie man außerdem in der Zeichnung
sieht, ist jede Anschlußfahne A1, A2 über ein Stapeleck so
gebogen, daß die betreffende Anschlußfahne an insgesamt zwei
Stapelflächen vollflächig bzw. fast vollflächig anliegt. Da
durch ergibt sich eine sehr gute Wärmeabführung aus dem
Piezoaktor P durch die Anschlußfahnen A1, A2.
Die Anschlußfahnen A1, A2 bestehen zweckmäßigerweise aus Kup
ferfolie.
Es versteht sich, daß jeder Finger F der Anschlußfahnen A1,
A2 mit einer Gruppe von beispielsweise zwei oder drei Innen
elektroden des Piezoelementenstapels verbunden sein kann, was
die in der Praxis zweckmäßige Ausführungsform darstellt.
Fig. 2 zeigt in schematischer Schnittdarstellung einen Piezo
aktorenblock mit vier parallel angeordneten Piezoaktoren P1,
P2, P3 und P4, die jeweils mit elektrischen Anschlußanord
nungen nach der vorstehenden Beschreibung ausgestattet sind.
Diese vier Piezoaktoren sind an ihren vier Seiten (die
Schnittebene liegt quer zur Stapelhöhe der einzelnen Piezo
aktoren) von einem vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Kühl
block B umgeben, der mit einem die Anordnung haltenden Träger
T verschraubt ist, wie man aus der Darstellung sieht. Die den
einzelnen Piezoaktoren zugeordneten Anschlußfahnen A sind an
einer Stelle des Blocks B herausgeführt. Der Kühlblock B um
gibt die Piezoaktoren mit geringem Spiel, jedoch so, daß die
Piezoaktoren in den sie aufnehmenden Öffnungen des Blocks
verschiebbar sind und damit ihre in Stapelhöhe erfolgenden
Dehnungs- und Kontraktionsbewegungen ausführen können, ohne
zu klemmen. Die verbleibenden Spalträume sind vorzugsweise
mit Wärmeleitgel ausgefüllt.
Die im Betrieb erzeugte Wärme wird also von dem jeweiligen
Piezoelementenstapel zunächst auf die gut wärmeleitenden An
schlußfahnen der elektrischen Anschlußanordnung übertragen
und von diesen durch den kupfernen, ebenfalls gut wärmeleit
fähigen Kühlblock B abgeführt, der seinerseits von außen ge
kühlt werden kann.
Claims (5)
1. Elektrische Anschlußanordnung für einen monolithischen
Vielschicht-Piezoaktor (P), der aus einer Vielzahl von
stapelförmig angeordneten Piezokeramikschichten mit jeweils
dazwischen angeordneten, wechselseitig aus dem Stapel heraus
geführten Innenelektroden besteht, mit zwei metallenen elek
trischen Anschlußfahnen (A1, A2), von denen jede stoffschlüs
sig mit einer der beiden Gruppen von wechselseitig heraus
geführten Innenelektroden verbunden ist, dadurch gekennzeich
net, daß jede Anschlußfahne quer zur Stapelhöhe zur Bildung
einer Vielzahl einzelner Finger (F) geschlitzt (s) ist, die
jeweils mit den auf der betreffenden Seite des Stapels
herausgeführten Innenelektroden stoffschlüssig verbunden sind
und flächig an der betreffenden Stapelseite anliegen.
2. Anschlußanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Finger (F) mit einer eine geringe Anzahl von Innen
elektroden umfassenden Innenelektrodengruppe des Vielschicht-
Piezoaktors (P) verbunden ist.
3. Anschlußanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß jede Anschlußfahne (A1, A2) um eine benachbarte
Stapelkante herumgebogen ist und auch noch an der angrenzen
den Stapelseite flächig anliegt.
4. Elektrische Anschlußanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der monolithische Viel
schicht-Piezoaktor (P) samt der elektrischen Anschlußfahnen
(A1, A2) in einem metallenen Kühlblock (B) eingesetzt ist,
der den Piezoaktor mit den Anschlußfahnen an seinen Seiten
umschließt und den Piezoaktor gleitfähig aufnimmt, und daß
die elektrischen Anschlußfahnen an einer Seite des Blocks (B)
herausgeführt sind.
5. Anschlußanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spalt zwischen dem Kühlblock (B) und dem mit den An
schlußfahnen versehenen Piezoaktor (P) mit einem Wärmeleitgel
ausgefüllt ist.
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