DE102005033400A1

DE102005033400A1 - Piezoaktor mit innenliegender Kontaktierung

Info

Publication number: DE102005033400A1
Application number: DE102005033400A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schoor
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-07-18
Filing date: 2005-07-18
Publication date: 2005-12-22

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3; 12), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind, und mit einer wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3; 12), die mit Kontaktelementen erfolgt, die in inneren metallisierten Ausnehmungen (5, 6; 11) des Piezoaktors (1; 10) liegen und dabei senkrecht zum Lagenaufbau nach außen geführt sind. Die Kontaktelemente sind aus Spiral- oder Schraubenfedern (13, 14) gebildet, die zumindest eine elektrisch leitende Oberfläche aufweisen und unter Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Oberfläche des Federdrahtes der jeweiligen Spiral- oder Schraubenfedern (13, 14) und der jeweiligen metallisierten Ausnehmung (11) des Piezoaktors (10) in die Ausnehmungen (11) des Piezoaktors (10) einschraubbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit innenliegender Kontaktierung, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors ein Piezoelement so eingesetzt werden kann, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann, wobei das Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist. 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. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.

Aus der DE 103 35 019 A1 ist ein solcher Piezoaktor bekannt, der einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden aufweist, die wechselseitig mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind. Die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden mit Kontaktelementen erfolgt hier derart, dass diese Kontaktelemente jeweils in einer inneren Ausnehmung des Piezoelements liegen und dann mit den jeweiligen Innenelektroden in geeigneter Weise kontaktiert werden. Zum Beispiel kann dies durch ein entsprechendes Design der jeweiligen Innenelektroden erfolgen, die abhängig von der jeweiligen Polarität jeweils ein unterschiedliches Designmuster aufweisen, und dabei wechselseitig an die inneren Ausnehmungen und damit an die Kontaktelemente herangeführt werden.

Aufgrund der über die Innenelektroden an jede piezokeramische Schicht als Piezolage angelegten elektrischen Spannung führen die piezokeramischen Schichten dann jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potentialgefälles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren. Dieser Gesamthub ist über die Höhe der angelegten Spannung veränderbar und kann auf ein mechanisches Stellglied übertragen werden.

Für einen äußeren Anschlusskontakt werden die innenliegenden Stifte dabei senkrecht zum Lagenaufbau nach außen geführt. Beim Piezoaktor nach dem Stand der Technik sind die Kontaktelemente dabei elektrisch leitende Stifte, die mit einem leitfähigen Stoff, z.B. ein Polymer, derart vergossen sind, dass die jeweilige Kontaktierung der Innenelektroden mit dem positiven und dem negativen Anschluss einer Spannungsquelle über die jeweils zugeordneten Stifte durchführbar ist. Die Innenwände der Bohrungen als innere Ausnehmungen können dabei auch mit einer Grundmetallisierung versehen sein.

Weiterhin ist bei den gattungsgemäßen Piezoaktoren zu beachten, dass durch die Hubbewegung des Piezoaktors eine gewollte Dehnung des Piezoelements in der Längsrichtung erfolgt. Weiterhin entstehen durch die wechselseitigen Freisparungen im Innenelektrodendesign zu den Kontaktelementen, die jeweils nicht kontaktiert werden sollen, mechanische Spannungen, die durch die hier auftretende relativ geringe Dehnung verursacht werden. In der Regel entstehen zudem bei der Anwendung der zuvor beschriebenen Piezoaktoren durch hohe Temperaturen oder starken Temperaturschwankungen Wärmedehnungen durch unterschiedliche Materialien insbesondere auch im Bereich der Kontaktierungen der Kontaktelemente, so dass Dehnkräfte auftreten, die auch unterschiedliche Größen im Bereich der Flächenausdehnung der Innenelektroden aufweisen können und nicht immer in der Keramik aufgenommen werden können. Es können somit Risse als Unterbrechungen in der Leiterführung entstehen, die sicher überbrückt werden müssen.

Aus der WO 00/79608 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, bei dem leitende Flächen auf jeweils einer Seitenfläche des Piezoelements als äußere Kontaktelemente angebracht sind, die mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind und dabei jeweils eine netz-, sieb-, gewebeartige oder gewellte Außenelektrode auf der jeweiligen leitenden Fläche angeordnet ist. Diese Außenelektrode ist zumindest punktweise mit der leitenden Fläche kontaktiert, wobei zwischen den Kontaktierungen dehnbare Bereiche zu liegen kommen, die Dehnkräfte aufnehmen können.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor weist einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit einer wechselseitigen Kontaktierung von Innenelektroden mit Kontaktelementen auf, die in inneren metallisierten Ausnehmung des Piezoaktors liegen. Erfindungsgemäß sind in vorteilhafter Weise die Kontaktelemente aus Spiral- oder Schraubenfedern gebildet, die zumindest eine elektrisch leitende Oberfläche aufweisen und unter Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Oberfläche des Federdrahtes der jeweiligen Spiral- oder Schraubenfedern und der jeweiligen metallisierten Ausneh mung des Piezoaktors in die Ausnehmungen, bzw. Bohrungen des Piezoaktors einschraubbar sind.

Im allgemeinen ist hierbei die innenliegende elektrische Anbindung der Innenelektroden insbesondere bei der Verwendung in Einspritzsystemen für Kraftstoff, zum Beispiel Diesel, bei einem Kraftfahrzeug vorteilhaft, da hier eine bessere Hochdruckabdichtung gegen den außen am Piezoaktor anliegenden Kraftstoffdruck ermöglicht wird. Für sich gesehen ist es auch bekannt, dass leitende Kontaktierung in Bohrungen, zum Beispiel als Durchkontaktierungen von Leiterplatten (Epoxy oder Keramik-Mehrlagentechnik) für elektronische Schaltungen vorgenommen werden. Mit der Erfindung wird eine solche Kontaktierung in den besonders tiefen Bohrungen des Piezoelements mit Innenleitflächen vorgeschlagen, die gleichzeitig eine Überbrückung von Unterbrechungen oder Rissen durch ein geeignetes elastisches Medium ermöglichen.

Die Bohrungen gemäß der Erfindung werden in vorteilhafter Weise zunächst mit einer Grundmetallisierungen versehen und dann eventuell zusätzlich leitfähig beschichtet, so dass damit die wechselseitig an die Bohrungen herangeführten Innenelektroden kontaktiert sind. Wenn sich der Piezoaktor im Betrieb dann in seiner Längs-Achse ausdehnt, kann es vorkommen, dass die Kontaktierungsbahnen unterbrochen werden. Außerdem muss ein relativ hoher Strom in dünnen Schichten geleitet werden, so dass eine sichere Kühlung der Kontaktierungsbahnen vorteilhaft ist.

Die erfindungsgemäßen Spiral- oder Schraubenfedern wirken als in die jeweilige Bohrung eingelegte Drahtstege oder Brücken, da sie mit der leitenden Wand der jeweiligen Bohrung leitend verbunden sind. Dabei muss lediglich sichergestellt werden, dass die Dehnung der Spiral- oder Schraubenfedern ohne oder mit geringem Kraftaufwand erfolgen kann. Eine Spiral- oder Schraubenfedern aus geeignetem Werkstoff und leitfähiger Oberfläche ist dazu in der Lage, weil die Dehnung auf den Umfang der Bohrung und die Steigung der Feder gestreckt wird, es entstehen hier überwiegend Torsionskräfte anstatt einer Dehnung.

Mit einem geeigneten Herstellungswerkzeug kann die erfindungsgemäße Spiral- oder Schraubenfedern, die vorzugsweise im entspannten Zustand einen größeren Durchmesser als die Bohrung aufweist, durch Drehen in dem Sinne, in dem sich bei Reibung der Durchmesser verringert, eingebracht werden. Dies kann entweder durch Halten an dem inneren Ende oder eine Führung am äußeren Ende geschehen. Das Ende der Feder kann dann so ausgeführt sein, dass mit dem Einfügewerkzeug die Drehung leicht eingeleitet und somit eingeschraubt werden kann. Hierzu ist auch ein Abwinkeln des Endes des Federdrahtes quer zur Mittelachse vorteilhaft.

Der Draht der Spiral- oder Schraubenfedern stützt sich somit an vielen Stellen an der Wand der Bohrung ab, so dass ein leitender Kontakt mit vielen Stellen der Bohrung hergestellt ist und gleichzeitig ist eine gute Stromleitung im Draht längs der Bohrung sichergestellt.

Die erfindungsgemäßen Spiral- oder Schraubenfedern können mit dem in Einschraubrichtung anderen Ende nach dem Einschrauben einen vorgegebenen Bereich aus der Ausnehmung oder Bohrung herausragen, so dass durch leichten Überstand der Spiral- oder Schraubenfedern von außen ein Kontakt mit einem Anschluss hergestellt werden kann.

Vervielfacht werden können die Kontaktstellen in der jeweiligen Bohrung auch durch ein Ineinanderschrauben von mehreren Spiral- oder Schraubenfedern, zwei- oder mehrgängig. Der elektrische Kontakt kann auch noch damit verstärkt werden, dass die Spiral- oder Schraubenfeder eine mechanische Vorspannung erhalten oder eine feste galvanische Verbindung mit der Wand der Bohrung durch Löten oder Kleben, zum Beispiel mit einem Leitkleber, hergestellt wird.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Piezoaktor nach dem Stand der Technik mit innenliegender Kontaktierung der Innenelektroden,
2 einen Teillängsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors mit innenliegender Kontaktierung, bei dem die Kontaktierung mittels einer Spiralfeder durchgeführt wird und
3 einen Teillängsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors mit innenliegender Kontaktierung, bei dem zwei Spiralfedern vorhanden sind.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein als sogenannter Multilayer aufgebauter Piezoaktor 1 nach dem Stand der Technik DE 103 35 019 A1 gezeigt, der aus Piezofolien eines Quarzmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts, bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an hier nur beispielhaft mit Bezugszeichen versehene Innenelektroden 2 und 3, eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Wirkrichtung 4 erfolgt. Im Inneren des Piezoaktors 1 befinden sich zwei in Längsrichtung erstreckte Ausnehmungen bzw. Bohrungen 5 und 6, wobei die Innenelektroden 2 und 3 mit einem entsprechenden Oberflächendesign je nach Polarität an die linke Bohrung 5 oder an die rechte Bohrung 6 herangeführt sind.
In den Bohrungen 5 und 6 sind Kontaktelemente, hier runde Stifte als Kernelektrode 7 und 8 vorhanden, die in einem leitfähigen aber flexiblen Stoff 9, z.B. ein Polymer, durch Vergießen fest eingebettet sind. Die Kernelektroden 7 und 8 und der leitfähige Stoff 9 kontaktieren die jeweiligen Innenelektroden 2 oder 3 nach außen, so dass mit der Anlage einer elektrischen Spannung an Kontaktbereiche (in der 1 unten angeordnet) der Kernelektroden 7 und 8 die zuvor beschriebene Wirkung hervorgerufen werden kann. Eine Anbringung der in der Regel metallischen Kernelektroden 7 und 8 ist beim Stand der Technik ebenso wie bei den erfindungsgemäßen Ausführungen notwendig, da die elektrische Leitfähigkeit nur des flexiblen Stoffes in der Regel nicht groß genug ist um den Gesamtstrom zur Ansteuerung der Innenelektroden 2 und 3 zu leiten.
In 2 ist ein Teillängsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Piezoaktor 10 als erstes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem hier schematisch der Bereich einer Bohrung 11 für das innere Kontaktelement gezeigt ist. Innenelektroden 12 sind hier nur schematisch angedeutet. Die Innenwände der Bohrung 11 sind hier mit einer Grundmetallisierung versehen und das Kontaktelement für die innere Kontaktierungen der Innenelektroden 12 besteht jeweils aus einer Spiralfeder 13 oder einer Schraubenfeder. Beim Ausführungsbeispiel nach 3 ist zusätzlich noch eine zweite Spiralfeder 14 in die Spiralfeder 13 eingedreht worden, wodurch durch das Ineinanderschrauben von Federn eine zwei- oder mehrgängige Federanordnung gebildet werden kann.
Die Bohrungen 11 können hier nicht nur mit einer Grundmetallisierungen versehen werden sondern zusätzlich auch noch leitfähig beschichtet werden, damit die wechselseitig an die Bohrungen 11 herangeführten Innenelektroden 12 gut kontaktiert werden. Wie eingangs erwähnt, dehnt sich der Piezoaktor 10 während des Betriebs in seiner Längsachse, so dass es zu Unterbrechungen in der Kontaktierung zwischen der Grundmetallisierung oder der leitenden Schicht kommen kann. Hierbei ist auch noch zu beachten, dass ein relativ hoher Strom in die dünnen Schichten der Innenelektroden 12 geleitet werden muss, was auch eine sichere Kühlung der Leiterbahn erfordert.
Die erfindungsgemäßen Spiral- oder Schraubenfedern 13, 14 wirken hier als mehrere in die Bohrung 11 eingelegte Drahtstege und somit als leitende Brücken. Die Spiralfedern 13, 14 können auch mit einer Vorspannung in die Bohrung 11 eingebracht werden und auch zusätzlich galvanisch mit der leitenden Wand der Bohrung 11 galvanisch verbunden werden, zum Beispiel durch Löten oder Kleben mittels eines Leitklebers.
Mit einem geeigneten Werkzeugen kann die Spiralfeder 13, 14 bei der Herstellung des Piezoaktors 10 in die Bohrung 11 eingeführt werden. Dabei kann die Spiralfeder 13, 14 im entspannten Zustand einen größeren Durchmesser als die Bohrung 11 aufweisen und durch Drehen in dem Sinne, in dem sich bei der Reibung an der Wand der Bohrung 11 der Durchmesser verringert, eingebracht werden; entweder durch Halten an dem inneren Ende oder geführt am äußeren Ende. Das Ende der Spiralfeder 13, 14 sollte dann so ausgeführt sein, dass leicht mit dem Einfügewerkzeug die Drehung eingeleitet und somit eingeschraubt werden kann, zum Beispiel durch Abwinkeln des Endes des Federdrahtes quer zur Mittelachse.
Nach dem Einschrauben der Spiralfeder 13, 14 stützt sich der Federdraht an vielen Stellen an der Wand der Bohrung 11 ab, so dass ein Kontakt mit vielen Stellen der Bohrung 11 hergestellt wird und somit eine gute Stromleitung längs der Bohrung 11 sichergestellt ist. Durch einen leichten Überstand der Spiralfedern 13, 14 kann außerdem ein Kontakt mit einem äußeren Anschlusskontakt oder einer Anschlusskontaktfläche hergestellt werden.

Claims

Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3; 12), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind, und mit – einer wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3; 12), die mit Kontaktelementen, erfolgt, die in inneren metallisierten Ausnehmung (5, 6; 11) des Piezoaktors (1; 10) liegen und dabei senkrecht zum Lagenaufbau nach außen geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente aus Spiral- oder Schraubenfedern (13, 14) gebildet sind, die zumindest eine elektrisch leitende Oberfläche aufweisen und unter Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Oberfläche des Federdrahtes der jeweiligen Spiral- oder Schraubenfedern (13, 14) und der jeweiligen metallisierten Ausnehmung (11) des Piezoaktors (10) in die Ausnehmungen (11) des Piezoaktors (10) einschraubbar sind.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Spiral- oder Schraubenfedern (13, 14) vor dem Einschrauben in die Bohrungen (11) als Ausnehmungen eine um einen vorgegebenen Betrag größeren Durchmesser aufweisen als der Innendurchmesser der Bohrungen (11).
Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – eine einzige Spiral- oder Schraubenfeder (13) eingeschraubt ist.
Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – zusätzlich zu einer ersten Spiral- oder Schraubenfeder (13) mindestens eine weitere Spiral- oder Schraubenfedern (14) zur Herstellung einer zwei oder mehrgängigen Schraubenanordnung in die erste Spiral- oder Schraubenfeder (13) eingeschraubt ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Spiral- oder Schraubenfedern (13) aus einem Metalldraht hergestellt sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Spiral- oder Schraubenfedern (13) aus einem federnden Werkstoff mit einer elektrisch leitenden Beschichtung hergestellt sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine elektrisch leitende Beschichtung mittels einer galvanischen Verbindung, vorzugsweise mit Lot, herstellbar ist.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – entlang der Spiral- oder Schraubenfedern (13) ein Leitpolymer zur Kontaktflächenvergrößerung angebracht ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Spiral- oder Schraubenfedern (13) am in Einschraubrichtung liegenden Ende zur Mittelachse hin abgewinkelt sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ausnehmungen (11) zusätzlich zu einer Grundmetallisierung mit einer leitenden Schicht versehen sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Spiral- oder Schraubenfedern (13) mit dem in Einschraubrichtung anderen Ende nach dem Einschrauben einen vorgegebenen Bereich aus der Ausnehmung (11) herausragen und dort elektrisch kontaktierbar sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Piezoaktor (10) zur Nadelhubsteuerung für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist.