DE102005040119A1

DE102005040119A1 - Piezoaktor mit innenliegender Kontaktierung

Info

Publication number: DE102005040119A1
Application number: DE102005040119A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Heinz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-03-01

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise für einen Piezoinjektor oder zur Betätigung eines sonstigen mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen eines Piezoelements mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind. Eine wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) erfolgt mit Kontaktelementen, bestehend aus jeweils einer Kernelektrode (7, 8; 11; 14) und einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial (9; 12; 15), die in inneren Ausnehmungen (5, 6) des Piezoaktors (1) liegen. Die Kernelektroden (7, 8; 11; 14) sind aus einem Material gebildet, das den annähernd gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten (alpha) aufweist wie zumindest teilweise das Keramikmaterial der Piezolagen, um Rissbildung aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung zu vermeiden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit innenliegender Kontaktierung, beispielsweise für einen Piezoinjektor oder 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.

Der Aufbau eines solchen Piezoaktors für einen Piezoinjektor erfolgt beim Stand der Technik in mehreren Schichten als sogenannter Multilayer-Aktor, wobei Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils in Wirkrichtung zwischen den Schichten angeordnet werden und jeweils außen oder innen kontaktiert werden.

Aus der DE 103 35 019 A1 ist ein solcher Piezoaktor bekannt, der einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen eines Piezoelements mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden aufweist, die alternierend 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 herangeführt werden.

Zur äußeren Kontaktierung 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.

Weiterhin ist beim Stand der Technik zu beachten, dass das Keramikmaterial der Piezolagen beispielsweise Bleizirkonattitanat ist und die Kernelektrode des Kontaktelements in der Regel aus Metall besteht. Hierbei entstehen bei der Anwendung der zuvor beschriebenen Piezoaktoren durch hohe Temperaturen oder starken Temperaturschwankungen Wärmedehnungen, so dass auch zwischen den im Lagenaufbau gegenüberliegenden Innenelektroden Dehnkräfte auftreten, die auch unterschiedliche Größen im Bereich der Flächenausdehnung der Innenelektroden aufweisen können.

Je nach Anbindung der Innenelektroden an das Keramikmaterial der Piezolagen können damit zwischen den Innenelektroden und dem Keramikmaterial und insbesondere auch im Bereich der Kontaktierungen der Kontaktelemente für die von außen aufzubringende elektrische Spannung mechanische Kräfte auftreten, die hier zu Ablösungen der Innenelektroden und zu Rissen im Kontaktbereich der Innenelektroden bzw. an den Kontaktelementen führen können.

Aus der WO 00179608 A1 ist ein weiterer Piezoaktor mit einer ausschließlich äußeren Kontaktierung der Innelektroden bekannt, bei der leitende Flächen auf jeweils einer Seitenfläche des Piezoelements 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.

Offenbarung der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen eines Piezoelements mit in Wirkrichtung zwischen den Piezolagen angeordneten Innenelektroden, die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind, weist jeweils als Kontaktelemente für die Innenelektroden eine Kernelektrode und umliegend ein elektrisch leitfähiges Kontaktmaterial auf. Die gesamte Anordnung ist beispielsweise zur Nadelhubsteuerung für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug einsetzbar. Um die aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung auftretenden mechanischen Spannungen zu vermindern, sind erfindungsgemäß die Kernelektroden vorteilhaft aus einem Material gebildet, das den annähernd gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist wie zumindest teilweise das Keramikmaterial der Piezolagen.

Beim erfindungsgemäßen Piezoaktor kann beispielsweise der Temperaturausdehnungskoeffizient der unpolarisierten Piezolagen in der Größenordnung von 3 bis 4·10^–6·1/K und der Temperaturausdehnungskoeffizient der Kernelektroden im Bereich von 0 bis 10·10^–6·1/K liegen. Bevorzugt sind dabei die Piezolagen aus Bleizirkonattitanat und die erfindungsgemäßen Kernelektroden aus Invar oder einer Eisen-Nickel-Legierung hergestellt. Die Temperaturausdehnungskoeffizienten können damit so gewählt werden, dass zumindest im passiven Bereich der Piezolagen, in denen die unpolarisierten Innenelektroden abwechselnd nicht bis an die Ausnehmungen oder Bohrungen zur Aufnahme der Kontaktelemente herangeführt sind, eine Angleichung der Temperaturausdehnungskoeffizienten erfolgt.

Mit der Erfindung ist somit erreicht, dass trotz einer Wärmedehnung des keramischen Materials der Piezolagen auch dann keine dehnungsbedingten mechanischen Spannungen zwischen den Kernelektroden und der jeweiligen Wand der innenliegenden Bohrung zur Aufnahme der Kontaktelemente entstehen wenn die jeweilige Kernelektrode relativ fest mit der jeweiligen Wand der Bohrung, zum Beispiel durch Löten oder Kleben, verbunden ist.

Vorteilhaft ist es hierbei auch, wenn die Wände der Bohrungen metallisiert sind, zum Beispiel mit einer Paste aus AgPd oder einer anderen elektrisch leitfähigen Dichtschicht. Die Wände der Bohrungen können auch beim Sintern des Piezoaktors durch Einbrennen einer leitenden Paste metallisiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind an den Kernelektroden zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit den Wänden der Bohrungen Bürsten oder Fasern vorhanden. Selbst bei dieser Ausführungsform ist die Verwendung von Materialien für die Kernelektroden vorteilhaft, das den annähernd gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist wie zumindest teilweise das Keramikmaterial der Piezolagen. Hier ist der Spalt zwischen der jeweiligen Kernelektrode und der Wand sehr klein, so dass bei einer anderen Materialwahl die Bürsten oder Fasern bei unterschiedlicher Dehnung sonst stark verbogen würden oder auch Bruchgefahr bestehen würde.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an den Kernelektroden zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit den Wänden der Bohrungen jeweils eine Siebelektrode vorhanden, die sich sieb- oder netzartig an die metallisierte Wand der jeweiligen Bohrung anfügt. Die Siebelektrode kann auf einfache Weise zumindest teilweise mit der Wand durch Löten mechanisch und elektrisch verbunden werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Piezoaktor mit einem prinzipiellen geometrischen Aufbau nach dem Stand der Technik mit innenliegender Kontaktierung der Innenelektroden,
2 einen Teillängsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors mit innenliegender Kontaktierung, bei dem eine Kernelektrode mit dem gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten wie beim Keramikmaterial der Piezolagen zwischen den Innenelektroden vorhanden ist und eine Kontaktierung über Bürsten erfolgt und
3 einen Teillängsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors mit innenliegender Kontaktierung, bei dem die Kontaktierung in Abwandlung zum Ausführungsbeispiel nach der 2 über ein angelötetes Sieb erfolgt.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein als sogenannter Multilayer aufgebauter Piezoaktor 1 nach dem Stand der Technik DE 103 35 019 A1 gezeigt, der mit einem Piezoelement 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 Kernelektroden 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 Innenelektroden 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.
Bei einer erfindungsgemäßen Abwandlung des aus der 1 zu entnehmenden Piezoaktors 1 ist die Kernelektrode 7 oder 8 aus einem Material hergestellt, das den annähernd gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist wie beim Keramikmaterial der Piezolagen zwischen den Innenelektroden 2 und 3. Dies sollte zumindest im Verhältnis zu den passiven Be reichen 10 der Piezolagen der Fall sein, die sich in dem Bereich befinden, in dem die Innenelektroden 2 oder 3 nicht bis an die Ausnehmungen bzw. Bohrungen 5 und 6 für die Kontaktierung heranreichen. Wie eingangs erwähnt ist das Keramikmaterial der Piezolagen beispielsweise Bleizirkonattitanat, so dass beispielsweise die Kernelektroden 7 und 8 aus einer Eisen-Nickel-Legierung, zum Beispiel aus Invar, hergestellt sein können.
Im passiven Bereich 10 der Piezolagen kann der Temperaturausdehnungskoeffizient α_PZT in der Größenordnung von 3 bis 4·10^–6·1/K liegen. Der Temperaturausdehnungskoeffizient α_Strahl bei einer herkömmlichen Kernelektrode 7 oder 8 aus Stahl würde bei 12·10^–6·1/K liegen. Bei einer Verwendung von Invar als Kernelektrode würde sich jedoch ein Temperaturausdehnungskoeffizient α_Invar von 0 bis 10·10^–6·1/K ergeben, der in der Nähe des Temperaturausdehnungskoeffizienten α_PZT der Piezolagen liegt.
Der Übergang von der Kernelektrode 7 und 8 zur jeweiligen Wand der Bohrungen 5 und 6 erfolgt eventuell über einen leitenden Kleber, Leitsilikon oder ähnlichem. Die Wände der Bohrungen 5 und 6 können beispielsweise noch mit einer leitenden Paste, zum Beispiel aus AgPd oder einer anderen elektrisch leitfähigen leitenden Dichtungspaste, metallisiert sein, wobei dies beispielweise auch beim Sintern des Piezoelements eingebrannt werden kann.
Aus 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem als Teillängsschnitt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer metallischen Kernelektrode 11, zum Beispiel aus Invar, dargestellt ist. Zur elastischen Kontaktierung sind hier Bürsten oder Fasern 12 beispielsweise wendelförmig in die jeweilige Kernelektrode 11 eingeflochten, die sich an die Wand 13 der Bohrung 5 anlehnen, welche beispielsweise auch mit einem Belag aus einer AgPd-Paste oder einer anderen elektrisch leitfähigen leitenden Dichtungspaste metallisiert sein kann.
Beim Ausführungsbeispiel nach 3 ist zur Kontaktierung der Kernelektrode 14 mit den Innenelektroden 2 und 3 eine Siebelektrode 15 vorhanden, die sich netzartige an die metallisierte Wand 13 der Bohrung 5 anfügt, wie es für eine entsprechende Anbringung an der Außenfläche eines Piezoaktors schon aus der eingangs erwähnten WO 00/79608 A1 bekannt ist. Zwischen der Siebelektrode 15 und der Wand 13 befindet sich ein Lot 16, mit dem sich eine elektrisch leitende und feste Verbindung der Siebelektrode 15 zur Bohrung 5 ergibt. Die Kernelektrode 14 als Stift oder Draht kann hier beispielsweise einfach in einer axialen nach außen geführten Verlängerung der Siebelektrode befestigt werden, z.B. durch Löten oder Leitkleben, so dass ein guter mechanischer und elektrischer Kontakt gewährleistet ist, der auch mechanischen Beanspruchungen im Betrieb des Piezoaktors 1 standhält.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung ist beispielsweise zur Nadelhubsteuerung für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor einsetzbar.

Claims

Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen eines Piezoelements mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind, und mit – einer wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3), die mit Kontaktelementen, bestehend aus jeweils einer Kernelektrode (7, 8; 11; 14) und eines elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials (9; 12; 15), erfolgt, die in inneren Ausnehmung oder Bohrungen (5, 6) des Piezoaktors (1) liegen und dabei senkrecht zum Lagenaufbau nach außen geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kernelektroden (7, 8; 11; 14) aus einem Material gebildet sind, das den annähernd gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten (α) aufweist wie zumindest teilweise das Keramikmaterial der Piezolagen.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Temperaturausdehnungskoeffizient (α_PZT) der Piezolagen in der Größenordnung von 3 bis 4·10^–6·1/K und der Temperaturausdehnungskoeffizient (α) der Kernelektroden (7, 8; 11; 14) im Bereich von 0 bis 10·10^–6·1/K liegt.
Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Piezolagen aus Bleizirkonattitanat und die Kernelektroden (7, 8; 11; 14) aus Invar oder einer Eisen-Nickel-Legierung hergestellt sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest im passiven Bereich (10) der Piezolagen, in denen die Innenelektroden nicht bis an die Ausnehmungen oder Bohrungen (5, 6) zur Aufnahme der Kontaktelemente herangeführt sind ein Temperaturausdehnungskoeffizienten (α) vorhanden ist an den der Temperaturausdehnungskoeffizienten (α) der Kernelektroden (7, 8; 11; 14) angeglichen ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wände (13) der Bohrungen (5, 6) metallisiert sind.
Piezoaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wände (13) der Bohrungen (5, 6) mit einer Paste aus AgPd metallisiert sind.
Piezoaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wände (13) der Bohrungen (5, 6) beim Sintern des Piezoaktors (1) durch Einbrennen einer elektrisch leitenden Paste metallisiert sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – an den Kernelektroden (11) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit den Wänden (13) der Bohrungen (5, 6) Bürsten oder Fasern (12) vorhanden sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – an den Kernelektroden (11) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit den Wänden (13) der Bohrungen (5, 6) jeweils eine Siebelektrode (15) vorhanden ist, die sich netzartig an die metallisierte Wand (13) der jeweiligen Bohrung (5, 6) anfügt und dass – sich zwischen der Siebelektrode (15) und der Wand (13) sich zumindest teilweise ein Lot (16) befindet.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die gesamte Anordnung zur Nadelhubsteuerung für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist.