DE102004005943A1

DE102004005943A1 - Elektrisches Bauteil mit einem elekrisch leitfähigen Draht und Verwendung des Bauteils

Info

Publication number: DE102004005943A1
Application number: DE102004005943A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr. Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2024-02-07
Also published as: DE102004005943B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil mit mindestens einem elektrischen Bauelement und mindestens einem elektrisch leitfähigen Draht, wobei der Draht und das Bauelement mit Hilfe eines Verbindungsmittels kraftschlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden ist. Das elektrische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass der Draht derart ausgestaltet ist, dass eine während eines dynamischen Betriebs des Bauteils im Draht auftretende mechanische Spannung homogen über den Draht verteilt ist. Das elektrische Bauteil ist insbesondere ein piezoelektrischer Aktor mit einem monolithischen Aktorkörper in Vielschichtbauweise. Das elektrische Bauelement ist eine Elektrodenschicht des Aktorkörpers. Durch die homogene Verteilung werden mechanische Spannungsspitzen im Draht abgebaut. Die Drähte zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten des Aktorkörpers zeichnen sich durch eine hohe Stabilität aus. Durch den effizienten Abbau der Spannungsspitzen können relativ kurze Drähte zur Kontaktierung verwendet werden. Ein Platzbedarf des elektrischen Bauteils wird reduziert. Vorzugsweise wird das elektrische Bauteil in Form des piezoelektrischen Aktors zum Ansteuern eines Einspritzventils eines Motors eines Kraftfahrzeuges eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil mit mindestens einem elektrischen Bauelement und mindestens einem elektrisch leitfähigen Draht, wobei der Draht und das Bauelement mit Hilfe eines Verbindungsmittels kraftschlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Daneben wird eine Verwendung des Bauteils angegeben.

Das elektrische Bauteil ist beispielsweise ein piezoelektrischer Aktor (Piezoaktor). Der piezoelektrische Aktor besteht beispielsweise aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen. Ein Piezoelement besteht aus mindestens zwei übereinander angeordneten Elektrodenschichten und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht.

Die piezoelektrische Schicht und die Elektrodenschichten des Piezoelements sind derart miteinander verbunden, dass durch eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten ein elektrisches Feld in die piezoelektrische Schicht eingekoppelt wird. Aufgrund des eingekoppelten elektrischen Feldes kommt es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht und damit zur Auslenkung des Piezoelementes.

Ein derartiger piezoelektrischer Aktor ist beispielsweise aus der DE 100 26 635 A1 bekannt. Bei dem piezoelektrischen Aktor sind die Piezoelemente in einer Stapelrichtung übereinander zu einem monolithischen Aktorkörper angeordnet. Dabei sind eine Vielzahl von Elektrodenschichten, die als Innenelektroden bezeichnet werden, und eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten aus einer Piezokeramik (Piezokeramikschichten) abwechselnd übereinander gestapelt und gemeinsam zu dem monolithischen Aktorkörper gesintert.

Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten sind in Stapelrichtung benachbarte Elektrodenschichten abwechselnd an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt. An diesen Oberflächenabschnitten weist der Aktorkörper jeweils eine streifenförmige Metallisierung auf.

Im Bereich der beschriebenen Oberflächenabschnitte ist jedes der Piezoelemente piezoelektrisch inaktiv. Aufgrund der abwechselnden Führung der Elektrodenschichten an die Oberflächenabschnitte wird in einem piezoelektrisch inaktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht ein elektrisches Feld eingekoppelt, das sich deutlich von dem elektrischen Feld unterscheidet, das in einem piezoelektrisch aktiven Bereich der Piezokeramikschicht eingekoppelt wird. Der piezoelektrisch aktive Bereich der Piezokeramikschicht befindet sich direkt zwischen den Elektrodenschichten des Piezoelements. Bei der elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten, also beim Polarisieren und/oder im Betrieb des Piezoaktors, kommt es aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder zu unterschiedlichen Auslenkungen der Piezokeramikschicht im piezoelektrisch aktiven Bereich und im piezoelektrisch inaktiven Bereich. Als Folge davon treten mechanische Spannungen im Piezoelement auf, die zu einem sogenannten Polungsriss quer zur Stapelrichtung führen können. Dieser Polungsriss kann sich in die an dem Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers angebrachte Metallisierung fortsetzen. Dies führt zu einer Unterbrechung der elektrischen Kontaktierung zumindest eines Teils der Elektrodenschichten des Aktorkörpers.

Damit ein vorhandener Polungsriss im Aktorkörper nicht zu einem Ausfall des Piezoaktors führt, ist bei dem bekannten Piezoaktor an den Metallisierungen jeweils eine flexible elektrische Außenkontaktierung angebracht. Die Außenkontaktierung besteht jeweils aus einem starren elektrischen Anschlussstift und einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Drähten, die an einer Verbindungsfläche des Anschlussstiftes mit dem Anschlussstift verlötet sind. Entlang der Stapelrichtung des Aktorkörpers sind die Drähte an der jeweiligen Metallisierung und dem jeweiligen Anschlussstift derart angelötet, dass sich die Drähte zwischen der jeweiligen Metallisierung und dem jeweiligen Anschlussstift befinden und der Anschlussstift entlang der Stapelrichtung des Aktorkörpers ausgerichtet ist. Der Anschlussstift sorgt für die elektrische Kontaktierung der Drähte. Die Drähte sorgen für die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten des Aktorkörpers (mittelbar über die jeweilige Metallisierung). Die Kontaktierung ist auch dann gewährleistet, wenn es durch die Auslenkung des Aktorkörpers (Expansion und Kontraktion entlang der Stapelrichtung) zu einem Polungsriss kommt.

Der bekannte Piezoaktor wird beispielsweise zur Ansteuerung eines Einspritzventils eines Motors eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Für diesen Einsatz wird von der Automobilindustrie eine Zyklenzahl von über 10⁹ gefordert. Innerhalb eines Zyklusses kommt es durch die Ansteuerung der Elektrodenschichten zur Expansion und Kontraktion des Aktorkörpers.

Als problematisch erweist sich beim beschriebenen Einsatz des bekannten Piezoaktors, dass im Betrieb des Piezoaktors, also bei der Auslenkung des Aktorkörpers, in einem Draht eine sehr hohe mechanische Spannung auftreten kann. Die mechanische Spannung ist beispielsweise eine Zugspannung. Die Zugspannung wird dadurch verursacht, dass der dynamische Aktorkörper mit dem starren Anschlussstift verbunden ist. Eine besonders hohe Zugspannung tritt in den Drähten auf, die mit einem Bereich des Aktorkörpers verbunden sind, der sich durch eine relativ große Auslenkung auszeichnet. Dieser Bereich ist beispielsweise ein nicht fixierter, also frei beweglicher Teil des Aktorkörpers. Eine besonders große Auslenkung tritt auch im Bereich eines Polungsrisses auf. Aufgrund der hohen mechanischen Spannung kann es zu einem Bruch des Drahts kommen. Wenn viele Drähte davon betroffen sind, kann dies zu einem Ausfall des piezoelektrischen Aktors führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Bauteil anzugeben, das mit Hilfe von Drähten elektrisch kontaktiert ist und das im dynamischen Betrieb des Bauteils eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein elektrisches Bauteil mit mindestens einem elektrischen Bauelement und mindestens einem elektrisch leitfähigen Draht angegeben, wobei der Draht und das Bauelement mit Hilfe eines Verbindungsmittels kraftschlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Das elektrische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass der Draht derart ausgestaltet ist, dass eine während eines dynamischen Betriebs des Bauteils im Draht auftretende mechanische Spannung homogen über den Draht verteilt ist. In der mechanischen Spannung kommt eine mechanische Belastung des Drahts zum Ausdruck, die durch ihre Größe und ihre Wirkungsrichtung festgelegt ist. Die mechanische Belastung ist beispielsweise eine Zug- oder Druckbelastung. Ebenso kann die Belastung eine Biege-, Scher- oder Torsionsbelastung sein. Der Draht ist so ausgelegt, dass es aufgrund der mechanischen Belastung nicht zu solchen Spannungsspitzen im Draht kommt, die zu einem Bruch des Drahts führen können. Die Spannungsspitzen werden durch die Ausgestaltung des Drahts effizient abgebaut. Die im Draht über die Länge des Drahts auftretenden Spannungen werden einander angeglichen.

Das Angleichen der im Draht auftretenden Spannungen erfolgt beispielsweise dadurch, dass verschiedene Spannungen beziehungsweise Spannungsarten ineinander überführt werden. Durch die Form des Drahtes kann beispielsweise eine Zugspannung in eine Scherspannung überführt werden. Dadurch gelingt es, Spannungsspitzen bezüglich der Zugspannung abzubauen. Im Ergebnis tritt eine homogenere, annähernd gleiche Zugspannung entlang des Drahts auf. Denkbar ist auch das Abbauen von Spannungsspitzen durch Maßnahmen, die nicht zu einer Überführung der Spannungsarten ineinander führen, sondern zu einer Dämpfung der Spannung. Die Spannung wird effizient abgebaut. So kann beispielsweise der Draht an den Stellen, an denen die Belastung des Drahts im Betrieb sehr hoch ist, anders ausgestaltet sein, als an solchen Stellen, an denen die Belastung des Drahts niedriger ist. Es wird für einen gewissen Ausgleich der im Draht auftretenden Spannungen gesorgt.

Im Folgenden werden Maßnahmen vorgestellt, die einzeln oder in Kombination miteinander zu einer annähernd homogenen Verteilung der mechanischen Spannung über die Länge des Drahts führen:
In einer besonderen Ausgestaltung weist der Draht entlang einer Länge des Drahts einen Gradienten mindestens einer Drahteigenschaft des Drahts auf, so dass die während des dynamischen Betriebs des Bauteils im Draht auftretende mechanische Spannung homogen über den Draht verteilt ist. Die Drahteigenschaft betrifft insbesondere eine Drahtform und/oder ein Drahtmaterial des Drahts. Drahtform und Drahtmaterial beeinflussen eine Elastizität des Drahts. Es resultiert ein Gradient der Elastizität des Drahts. Der Gradient der Elastizität führt zu einer homogenen Verteilung der mechanischen Spannung über die Länge des Drahts.

Um zu einer homogen verteilten Spannung zu kommen, kann beispielsweise ein Drahtquerschnitt des Drahts an die mechanische Belastung des Drahts angepasst werden. Die Anpassung betrifft insbesondere eine Form und/oder eine Größe des Querschnitts. Beides spiegelt sich im Durchmesser des Drahts wider (quer zur Längsrichtung des Drahts). Die Anpassung des Querschnitts kann gezielt an bestimmten Stellen des Drahts erfolgen. Die Anpassung kann aber auch gradiert erfolgen. In einer besonderen Ausgestaltung ist daher die Drahteigenschaft des Drahts, die den Gradienten aufweist, ein Durchmesser des Drahts. Der Drahtquerschnitt wird entlang der Länge des Drahts mit einem Gradienten verändert.

Eine homogen verteilte Spannung kann auch durch eine Anpassung eines Drahtmaterials des Drahts beziehungsweise einer Materialzusammensetzung des Drahts an die mechanische Belastung des Drahts erreicht werden. Das Drahtmaterial betrifft den Draht selbst oder ein Beschichtungsmaterial einer Beschichtung des Drahts beziehungsweise ein Umhüllungsmaterial einer Umhüllung des Drahts. Das Drahtmaterial kann punktuell an bestimmten Stellen unterschiedlich sein. Beispielsweise wird der Draht an den Stellen, an denen die Belastung des Drahts relativ hoch ist, mit einem Drahtmaterial ausgestaltet, das über eine relativ hohe Elastizität verfügt. An den Stellen, an denen die Belastung des Drahts niedriger ist, wird der Draht mit einem Drahtmaterial ausgestaltet, das weniger elastisch ist. Es resultiert ein Draht, der an verschiedenen Stellen unterschiedlich mechanisch belastbar ist. Aufgrund der unterschiedlichen Belastbarkeit kommt es bezüglich der Spannungen im Draht zu Ausgleichsvorgängen. Es resultiert eine im Wesentlichen homogen verteilte Spannung im Draht. Insbesondere kann auch das Drahtmaterial gradiert verändert werden. In einer besonderen Ausgestaltung ist daher die Drahteigenschaft des Drahts, die den Gradienten aufweist, ein Drahtmaterial des Drahts.

Das Anpassen der mechanischen Spannungen kann auch über eine Beschichtung des Drahts erfolgen. Das Beschichtungsmaterial der Beschichtung kann dabei elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend sein. Die Beschichtung des Drahts wird beispielsweise derart ausgestaltet, dass der Draht an den Stellen hoher Belastung verstärkt wird. Dazu weist die Beschichtung beispielsweise unterschiedliche Schichtdicken auf. Unterschiedliche Beschichtungsmaterialien an verschiedenen Stellen des Drahts sind ebenfalls denkbar. Genauso können mehrschichtige Beschichtung aus mehreren Beschichtungen eingesetzt werden. Auch die Beschichtung kann gradiert vorliegen. In einer besonderen Ausgestaltung ist daher die Drahteigenschaft des Drahts, die den Gradienten aufweist, mindestens eine Beschichtung des Drahts.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist der Draht eine Verformung auf. Mit Hilfe einer Verformung lassen sich Spannungsspitzen abbauen. Eine derartige Verformung kann irreversibel sein. Die irreversible Verformung ist eine plastische Verformung, die nach Wegfall einer verformenden Kraft bleibt. Denkbar ist insbesondere auch eine reversible Verformung. Die reversible Verformung ist eine elastische Verformung, die nach Wegfall der verformenden Kraft zurückgebildet wird. Es wird wieder die ursprüngliche Drahtgeometrie erhalten.

Die Verformung führt dazu, dass verschiedene Spannungsarten im Draht ineinander überführt werden. So kann beispielsweise eine Zugspannung in eine Scherspannung oder teilweise in die Scherspannung überführt werden. Die Verformung des Drahts führt zu einer Umverteilung der Spannung. Infolge davon treten kleinere Spannungsspitzen auf. Die Verformung des Drahts ist beispielsweise ein Knick oder eine Umbiegung des Drahts. Ebenso kann der Draht zu einer Spirale geformt sein. Die Verformung ist besonderes für den Fall vorteilhaft, dass für das Bauteil mit elektrischen Bauelement und Draht nur ein geringer Platz zur Verfügung steht. Mit der Verformung des Drahts können Spannungsspitzen über eine relativ kleine Drahtlänge effizient abgebaut werden.

In einer weiteren Ausgestaltung weist der Draht eine mechanische Vorspannung auf. Die Vorspannung ist beispielsweise eine Zugspannung. Die Zugspannung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der Draht mit einer Zugbelastung beaufschlagt wird. Der Draht wird mit einer mechanischen Belastung beaufschlagt, die der im Betrieb des elektrischen Bauteils auftretenden mechanischen Spannung entgegenwirkt. In Folge davon treten kleinere Spannungsspitzen auf. Es kommt zu einer Homogenisierung der im Draht auftretenden mechanischen Spannung.

In einer besonderen Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Drähten vorhanden und jeder der Drähte ist derart ausgestaltet, dass die während des dynamischen Betriebs des Bauteils im Draht auftretende mechanische Spannung homogen über den Draht verteilt ist. Im Beispiel des oben beschriebenen piezoelektrischen Aktors bedeutet dies, dass zur elektrischen Kontaktierung der Innenelektroden des Aktorkörpers eine Vielzahl von Drähten verwenden werden. Jeder der Drähte ist dabei so ausgestaltet, dass innerhalb der Drähte mechanische Spitzenspannungen abgebaut werden. Die mechanischen Spannungen werden jeweils möglichst homogen entlang der Länge des jeweiligen Drahts verteilt.

Wie eingangs beschrieben, können die mechanischen Spannungen sehr verschieden sein, die in den einzelnen Drähten im Betrieb des elektrischen Bauteils, beispielsweise des Aktors, auftreten. In einem Draht, der mit einem Bereich des Aktorkörpers verbunden ist, der im Betrieb des Aktors nahezu ruht oder kaum ausgelenkt wird, treten relativ kleine mechanische Spannungen auf. Ein derartiger Bereich ist beispielsweise ein mit einer Bodenplatte fixierter Bereich des Aktorkörpers. Dagegen sind in einem Draht, der mit einem Bereich des Aktorkörpers verbunden ist, der im Betrieb des Aktors große Auslenkungen erfährt, relativ große mechanische Spannungen zu erwarten.

Sowohl für den Fall großer mechanischer Spannung als auch für den Fall kleiner mechanischer Spannung wird dafür gesorgt, dass die Spannungen jeweils möglichst homogen über den jeweiligen Draht verteilt sind. Neben den oben beschriebenen Maßnahmen kann es für den Fall hoher mechanischer Spannungen vorteilhaft sein, zusätzlich die Länge des Drahts zu erhöhen.

Dies führt zu einer Homogenisierung der im Draht auftretenden mechanischen Spannungen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen daher einzelne Drähte der Vielzahl von Drähten unterschiedliche Drahtlängen auf. Im Bereich großer Auslenkung können nun die Drähte eine relativ große Länge aufweisen. In den Bereichen kleiner Auslenkung genügt es, Drähte mit kleinerer Länge zu verwenden.

Die Vielzahl von Drähten kann zueinander parallel ausgerichtet sein. Denkbar ist aber insbesondere, dass die Vielzahl von Drähten divergent angeordnet ist. Die Vielzahl von Drähten ist nicht parallel, also vielmehr auseinanderstrebend beziehungsweise fächerförmig angeordnet. Denkbar ist auch, dass die Drähte einander kreuzen. Mit dieser Maßnahme ist es beispielsweise möglich, trotz unterschiedlicher mechanischer Belastungen aufgrund unterschiedlicher Auslenkungen des Aktorkörpers in den einzelnen Drähten annähernd gleiche mechanische Spannungen zu erzielen. Weitere Maßnahmen, die zur homogenen Verteilung der Spannungen in den einzelnen Drähten führen, können dann für alle Drähte gleich sein.

In einer besonderen Ausgestaltung ist der Draht und ein starres elektrisches Anschlusselement zur elektrischen Kontaktierung des Drahts elektrisch leitend miteinander verbunden. Das starre elektrische Anschlusselement ist beispielsweise ein elektrisch leitendes Blech. Insbesondere ist dieses Anschlusselement ein Anschlussstift. Das starre elektrische Anschlusselement kann dabei mit dem Draht lose verbunden sein. Beispielsweise ist der Draht um einen Anschlussstift gewickelt. Es resultiert ein loser elektrischer Kontakt. Zudem weist der Draht eine Verformung auf, die zur Homogenisierung der Spannungen im Draht beiträgt.

In einer weiteren Ausgestaltung sind der Draht und das starre elektrische Anschlusselement mit Hilfe eines weiteren Verbindungsmittels kraftschlüssig miteinander verbunden. Der Draht und das starre Anschlusselement sind fest miteinander verbunden. Dieses weitere Verbindungsmittel und das Verbindungsmittel, mit dessen Hilfe der Draht und das elektrische Bauelement des elektrischen Bauteils kraftschlüssig und elektrisch leitend verbunden sind, können jeweils eine Klemme sein. Vorzugsweise ist das Verbindungsmittel und/oder das weitere Verbindungsmittel zumindest ein aus der Gruppe Leitklebstoff und/oder Lot ausgewähltes elektrisch leitfähiges Verbindungsmittel. Der Draht und das Anschlusselement oder der Draht und das elektrische Bauelement können miteinander verlötet oder verklebt sein. Das Lot ist beispielsweise ein Weichlot mit einer Arbeitstemperatur von unter 450° C. Ein Hartlot mit einer Arbeitstemperatur von über 450° C ist aber auch denkbar. Zum Verlöten eignen sich Drähte aus einem Metall (Metalldrähte). Ein Drahtdurchmesser der Drähte beträgt beispielsweise weniger als 500 μm. Das Metall ist beispielsweise aus der Gruppe Aluminium, Beryllium, Kobalt, Eisen, Kupfer, Nickel, Titan oder Zinn ausgewählt. Eine Legierung der genannten Metalle, beispielsweise Messing oder eine Kupfer-Bronze, ist ebenfalls denkbar. Drähte aus nichtmetallischen Werkstoffen, beispielsweise Drähte aus Kohlenstofffasern, eigenen sich zur Kontaktierung mit Hilfe eines Leitklebstoffs. Der Leitklebstoff weist neben einem Klebstoff ein elektrisch leitendes Material auf. Das elektrisch leitende Material liegt beispielsweise in Form von Kügelchen vor. Größe und Dichte der Kügelchen sind so gewählt, dass eine elektrische Kontaktierung mit einer notwendigen Stromtragfähigkeit gewährleistet ist.

Als elektrische Bauteil ist insbesondere ein piezoelektrisches Bauteil denkbar. Das piezoelektrische Bauteil ist beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewandler oder ein piezoelektrischer Aktor. In einem derartigen Bauteil kann es im Betrieb aufgrund dynamischer Prozesse zu einer besonderen mechanischen Beanspruchung der Drähte kommen.

Aufgrund des effizienten Abbaus von Spannungsspitzen sind die Drähte gemäß vorliegender Erfindung zur elektrischen Kontaktierung eines piezoelektrischen Bauteils geeignet. In einer besonderen Ausgestaltung wird daher ein elektrisches Bauteil angegeben, mit mindestens einem Piezoelement mit mindestens zwei übereinander angeordneten Elektrodenschichten mit mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht, wobei mindestens eine der Elektrodenschichten des Piezoelements das elektrische Bauelement des Bauteils aufweist, diese Elektrodenschicht an einem seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements geführt ist und dort mit dem Draht mit Hilfe des Verbindungsmittels verbunden ist.

Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Piezoelementen zu einem stapelförmigen Aktorkörper mit einer Stapelrichtung angeordnet. Der Aktorkörper kann aus miteinander verklebten Piezoelementen bestehen. Dabei bestehen die piezoelektrischen Schichten der Piezoelemente beispielsweise aus einem piezoelektrischen Kunststoff. Vorzugsweise ist der Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise hergestellt. Dabei bestehen die piezoelektrischen Schichten aus einer Piezokeramik. Die Piezokeramik ist beispielsweise ein Bleizirkonattitanat (PZT). Ein Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten ist beispielsweise eine Silber-Palladium-Legierung. Zum Herstellen dieses Aktorkörpers werden keramische Grünfolien mit der Piezokeramik und Elektrodenschichten aus dem elektrisch leitenden Material abwechselnd übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert. Denkbar ist auch das Stapeln von mit Elektrodenmaterial flächig bedruckten keramischen Grünfolien und anschließendes gemeinsames Sintern.

In einer besonderen Ausgestaltung sind die Piezoelemente derart zu dem stapelförmigen Aktorkörper angeordnet, dass benachbarte Piezoelemente eine gemeinsame Elektrodenschicht aufweisen, die Elektrodenschichten der Piezoelemente in Stapelrichtung des Aktorkörpers abwechselnd an mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt sind und mindestens eine der Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers und der Draht mit Hilfe des Verbindungsmittels verbunden sind.

Das elektrische Bauteil in Form des piezoelektrischen Aktors kann überall dort eingesetzt werden, wo eine relativ große Auslenkung bei einer gleichzeitig großen übertragbaren Kraft notwendig ist. Vorzugsweise wird der piezoelektrische Aktor zum Ansteuern eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Die Brennkraftmaschine ist insbesondere ein Motors eines Kraftfahrzeugs.

Zusammenfassend ergibt sich mit der Erfindung folgender wesentlicher Vorteil:

– Durch geeignete strukturelle und materielle Maßnahmen gelingt es, mechanische Spannungsspitzen in einem Draht, die durch den dynamischen Betrieb eines elektrischen Bauteils hervorgerufen werden können, effizient umzuverteilen und homogen entlang des Drahts zu verteilen.
– Aufgrund der homogenen Verteilung der mechanischen Spannungen resultiert eine geringe Wahrscheinlichkeit für einen Bruch des Drahts. Es liegt eine zuverlässige elektrische Kontaktierung des Bauelements des elektrischen Bauteils vor.
– Der effiziente Abbau von Spannungsspitzen ist auch bei geringem, für den Draht als Kontaktierung des elektrischen Bauelements des Bauteils zur Verfügung stehenden Platz möglich. Es resultiert ein elektrisches Bauteil mit einem relativ geringem Platzbedarf.

Anhand einiger Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt ein elektrisches Bauteil in Form eines Piezoaktors mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise und elektrischer Kontaktierung der Elektrodenschichten des Aktorkörpers von der Seite.
2 zeigt ein Piezoelement des Aktorkörpers aus 1 im seitlichen Querschnitt.
3A bis 3H zeigen jeweils im Querschnitt verschiedene Ausgestaltungen der Kontaktierung der Elektrodenschichten des Aktorkörpers über elektrisch leitende Drähte.
4 zeigt einen Draht mit sich änderndem Drahtdurchmesser in einem Längsschnitt.
5 zeigt einen Draht mit einer Beschichtung in einem Querschnitt.
Das elektrische Bauteil 1 ist ein piezoelektrischer Aktor mit einem Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise mit einer quadratischen Grundfläche (1). Bei diesem Aktorkörper 20 ist eine Vielzahl von Piezoelementen 10 entlang der Stapelrichtung 21 übereinander gestapelt und fest verbunden. Ein Piezoelement 10 besteht aus einer piezoelektrischen Schicht 13 aus einer Piezokeramik ( 2). Die Piezokeramik ist ein Bleizirkonattitanat. Die piezoelektrische Schicht 13 befindet sich zwischen einer Elektrodenschicht 11 und einer weiteren Elektrodenschicht 12 des Piezoelements 10. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten 11 und 12 ist eine Silber-Palladium- Legierung. Die Elektrodenschichten 11 und 12 sind derart an den Hauptflächen der piezoelektrischen Schicht 13 angeordnet, dass durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten 11 und 12 ein elektrisches Feld in der piezoelektrischen Schicht 13 erzeugt wird, so dass es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht 13 und damit zur Auslenkung des Piezoelements 10 kommt.
Zur elektrischen Kontaktierung sind die Elektrodenschichten 11 und 12 an zwei elektrisch voneinander isolierte Oberflächenabschnitte 14 und 15 geführt. An diesen Oberflächenabschnitten sind die beiden Elektrodenschichten 11 und 12 jeweils mit (in 2 nicht dargestellten) elektrisch leitenden Drähten 30 verbunden. Durch die Führung der Elektroden 11 und 12 an unterschiedliche Oberflächenabschnitte 14 und 15 verfügt jedes Piezoelement 10 über einen piezoelektrisch aktiven Bereich 16 und mindestens zwei piezoelektrisch inaktive Bereiche 17.
Benachbarte Piezoelemente 10 des Aktorkörpers 20 weisen jeweils eine gemeinsame Elektrodenschicht auf, so dass im Aktorkörper 20 Elektrodenschichten 22, 23 und piezoelektrische Schichten 24 abwechselnd übereinander angeordnet sind. Zum Herstellen des Aktorkörpers 20 werden keramische Grünfolien, die mit Elektrodenmaterial bedruckt sind, übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert. Dabei entsteht der Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise. Dabei sind mehrere hundert Einzelschichten übereinander gestapelt.
Die Elektrodenschichten 22 und 23 des resultierenden Aktorkörpers 20 sind an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte 25 und 26 geführt. An den beiden Oberflächenabschnitten 25 und 26 ist jeweils eine Metallisierung 27 und 28 angebracht, so dass die Elektrodenschichten 23 und 24 abwechselnd elektrisch kontaktiert sind. Die Metallisierungen 27 und 28 sind Einbrennmetallisierungen aus einer silberhaltigen Paste. Sie erstrecken sich über eine Höhe des Aktorkörpers 20, die sich aus den zu kontaktierenden Elektrodenschichten 22 und 23 ergibt. An den Metallisierungen 27 und 28 des Aktorkörpers 20 sind die Drähte 30 zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten 22 und 23 mit Hilfe des elektrisch leitenden Verbindungsmittels 29 befestigt. Die Drähte sind kraftschlüssig und elektrisch leitend am Aktorkörper angebracht. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Verbindungsmittel 29 ein Weichlot, mit dem die Drähte 30 an den Metallisierungen 27, 28 angelötet sind. In einer alternativen Ausführungsform ist das Verbindungsmittel 29 ein Leitklebstoff.
Zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten 22 und 23 sind zwei starre elektrische Anschlussstifte 32 und 33 vorhanden. Jeder der starren elektrischen Anschlussstifte 32 und 33 ist über Drähte 30 entweder mit den Elektrodenschichten 22 oder mit den Elektrodenschichten 23 elektrisch leitend verbunden. Die Anschlussstifte 32 und 33 sind jeweils mit einem weiteren elektrisch leitenden Verbindungsmittel 31 mit den Drähten elektrisch leitend und kraftschlüssig verbunden. Die Anschlussstifte 32 und 33 sind aus einer Kupfer-Bronze. Das weitere Verbindungsmittel 31 ist in einer ersten Ausführungsform ein Weichlot. In einer weiteren Ausführungsform ist das weitere Verbindungsmittel 31 ein Leitklebstoff.
Die Drähte 30 sind aus Messing. In den 3A bis 3H ist angedeutet, wie die Drähte 30 zu gestalten sind, dass eine mechanische Spannung in einem Draht, die durch den dynamischen Betrieb (Expansion und Kontraktion entlang der Stapelrichtung 21) des Aktorkörper 20 hervorgerufen wird, effizient umverteilt und somit homogen entlang des Drahts 30 verteilt wird.
In einer ersten Ausführungsform stehen die Drähte 30 unter Zugspannung. Auf die Drähte 30 wirkt eine Zugbelastung 34 in Richtung des jeweiligen starren elektrischen Anschlussstifts 32 und 33. Dabei verfügen die Drähte 30 über jeweils gleiche Drahtlängen. Die Drähte 30 sind annähernd parallel zu einander ausgerichtet.
Gemäß 3B bis 3F sind die Drahtlängen der Drähte 30 von Draht 30 zu Draht 30 unterschiedlich. Diesen Ausführungsformen gemeinsam ist eine relativ große Drahtlänge für die Drähte 30, die in einem auslenkenden Bereich 35 des Aktorkörper 20 mit den Elektrodenschichten 22 und 23 verbunden sind. Dagegen sind die Drähte 30 relativ kurz, die in einem ruhenden Bereich 36 des Aktorkörpers 20 mit den Elektrodenschichten 22 und 23 verbunden sind.
Gemäß der 3B werden unterschiedliche Länge der Drähte 30 durch einen gebogenes Anschlussstift 32 oder 33 erreicht. Die Drähte 30 sind annähernd parallel zu einander ausgerichtet.
Die 3C bis 3F zeigen weitere Ausführungsformen, bei denen die Drähte 30 divergent, also nicht parallel zueinander angeordnet sind. Die Drähte sind fächerförmig angeordnet. Es resultieren Drähte 30 mit unterschiedlichen Drahtlängen.
Gemäß 3G und 3H weisen die Drähte 30 unterschiedliche Umbiegungen auf. Die Umbiegungen sind Verformungen der Drähte 30, die dazu führen, dass verschiedene Spannungsarten ineinander überführt werden.
In 4 ist ein Draht 30 mit einer gradierten Drahteigenschaft dargestellt. Die gradierte Drahteigenschaft ist ein sich entlang einer Längsausrichtung 37 des Drahts 30 ändernder Drahtdurchmesser 38.
5 zeigt einen Draht 30 in einem Querschnitt quer zur Längsausrichtung 37 des Drahts 30 mit einer Beschichtung 39. Die Beschichtung 39 ist einer ersten Ausführungsform bezüglich einer Schichtdicke konstant, also nicht gradiert. In einer dazu alternativen Ausführungsform ist die Schichtdicke der Beschichtung 39 gradiert. Die Schichtdicke ändert sich entlang der Längsausrichtung 37 des Drahts 30.

Claims

Elektrisches Bauteil (1) mit – mindestens einem elektrischen Bauelement (11, 12, 22, 23) und – mindestens einem elektrisch leitfähigen Draht (30), wobei – der Draht (30) und das Bauelement (11, 12, 22, 23) mit Hilfe eines Verbindungsmittels (29) kraftschlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Draht (30) derart ausgestaltet ist, dass eine während eines dynamischen Betriebs des Bauteils (1) im Draht (30) auftretende mechanische Spannung homogen über den Draht (30) verteilt ist.
Elektrisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei der Draht (30) entlang einer Länge (37) des Drahts (30) einen Gradierten mindestens einer Drahteigenschaft des Drahts (30) aufweist.
Elektrisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei die Drahteigenschaft des Drahts (30) ein Durchmesser (38) des Drahts (30) ist.
Elektrisches Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Drahteigenschaft des Drahts (30) ein Drahtmaterial des Drahts (30) ist.
Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Drahteigenschaft des Drahts (30) mindestens eine Beschichtung (39) des Drahts (30) ist.
Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Draht (30) eine Verformung aufweist.
Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Draht (30) eine mechanische Vorspannung aufweist.
Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Vielzahl von Drähten (30) vorhanden ist und jeder der Drähte (30) derart ausgestaltet ist, dass die während des dynamischen Betriebs des Bauteils (1) im Draht (30) auftretende mechanische Spannung homogen über den Draht verteilt ist.
Elektrisches Bauteil nach Anspruch 8, wobei einzelne Drähte der Vielzahl von Drähten unterschiedliche Drahtlängen aufweisen.
Elektrisches Bauteil nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Vielzahl von Drähten divergent angeordnet ist.
Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Draht und ein starres elektrisches Anschlusselement (32, 33) zur elektrischen Kontaktierung des Drahts elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Elektrisches Bauteil nach Anspruch 11, wobei der Draht (30) und das starre elektrische Anschlusselement (32, 33) mit Hilfe eines weiteren Verbindungsmittels (31) kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Verbindungsmittel (29) und/oder das weitere Verbindungsmittel (31) zumindest ein aus der Gruppe Leitklebstoff und/oder Lot ausgewähltes elektrisch leitfähiges Verbindungsmittel ist.
Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit – mindestens einem Piezoelement mit mindestens zwei übereinander angeordneten Elektrodenschichten und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht, wobei – eine der Elektrodenschichten des Piezoelements das elektrische Bauelement des elektrischen Bauteils aufweist, – diese Elektrodenschicht an einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements geführt ist und – dort mit dem Draht mit Hilfe des Verbindungsmittels verbunden ist.
Elektrisches Bauteil nach Anspruch 14, bei dem eine Vielzahl von Piezoelementen (10) zu einem stapelförmigen Aktorkörper (20) mit einer Stapelrichtung (21) angeordnet ist.
Elektrisches Bauteil nach Anspruch 15, wobei die Piezoelemente (10) derart zu dem stapelförmigen Aktorkörper (20) angeordnet sind, dass – benachbarte Piezoelemente (10) eine gemeinsame Elektrodenschicht aufweisen, – die Elektrodenschichten (11, 12, 22, 23) der Piezoelemente (10) in Stapelrichtung (21) des Aktorkörpers (20) abwechselnd an mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte (25, 26) des Aktorkörpers (20) geführt sind und – mindestens einer der Oberflächenabschnitte (25, 26) des Aktorkörpers (20) und der Draht (30, 31) mit Hilfe des Verbindungsmittels (29) verbunden sind.
Verwendung des Elektrischen Bauteils zum Ansteuern eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.