DE10113744A1 - Elektrische Anschlußanordnung für einen monolithischen Vielschicht-Piezoaktor - Google Patents

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.