DE102010063385A1

DE102010063385A1 - piezo actuator

Info

Publication number: DE102010063385A1
Application number: DE102010063385A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hedrich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-06-21
Also published as: WO2012080381A1

Abstract

Piezoaktor (1) mit einer Vielzahl von Piezolagen (3), zwischen denen jeweils eine Schichtelektrode (5) angeordnet ist, die alternierend entweder mit einer ersten Außenelektrode (4) oder einer zweiten Außenelektrode (4') elektrisch verbunden sind, wobei sich über die Außenelektroden (4; 4') eine elektrische Spannung an die Schichtelektroden (5) anlegen lässt. Die Außenelektroden (4; 4') umfassen eine Metallbeschichtung (7), die auf die Oberfläche des Piezoaktors (1) aufgebracht ist, wobei die Metallbeschichtung (7; 7') wenigstens einer Außenelektrode (4) zwei Teilbeschichtungen (17) umfasst, die durch elektrisch leitende Drähte (20) elektrisch miteinander verbunden sind. In einem Verfahren zur Herstellung des Piezoaktors (1) wird der Piezoaktor mit den Teilbeschichtungen (17) versehen und die Drähte zwischen den Teilbeschichtungen (17) durch Umwickeln des Piezoaktors mit dem Draht (20) hergestellt, wobei der Draht (20) mit den Teilbeschichtungen (17) verlötet wird und anschließend so durchtrennt, dass nur die Verbindungen zwischen den Teilbeschichtungen (17) verbleiben.Piezo actuator (1) with a plurality of piezo layers (3), between each of which a layer electrode (5) is arranged, which are alternately electrically connected to either a first outer electrode (4) or a second outer electrode (4 ') Outer electrodes (4; 4 ') can apply an electrical voltage to the layer electrodes (5). The outer electrodes (4; 4 ') comprise a metal coating (7) which is applied to the surface of the piezo actuator (1), the metal coating (7; 7') comprising at least one outer electrode (4) two partial coatings (17) which are electrically connected to one another by electrically conductive wires (20). In a method for producing the piezo actuator (1), the piezo actuator is provided with the partial coatings (17) and the wires between the partial coatings (17) are produced by wrapping the piezo actuator with the wire (20), the wire (20) with the partial coatings (17) is soldered and then severed so that only the connections between the partial coatings (17) remain.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, wie er insbesondere zum Stellen von Ventilen und sonstigen beweglichen Elementen in der Kraftfahrzeugtechnik Verwendung findet.The invention relates to a piezoelectric actuator, as used in particular for the placement of valves and other movable elements in automotive technology.

Stand der TechnikState of the art

In der gesamten Kraftfahrzeugtechnik und insbesondere in der Einspritztechnik von Kraftstoff sind Piezoaktoren ein wichtiges Bauteil, um Schließelemente oder Ventilelemente sehr schnell bewegen zu können. Hierbei wird der sogenannte piezoelektrische Effekt ausgenutzt, d. h. dass bei einer bestimmten Klasse von Kristallen durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ein Zusammenziehen oder Ausdehnen des Kristalls in einer bestimmten Richtung stattfindet. Diese Bewegung vollzieht sich äußerst schnell und kann große Kräfte aufbringen.In the entire automotive technology and in particular in the injection of fuel piezo actuators are an important component to move closing elements or valve elements can move very quickly. Here, the so-called piezoelectric effect is exploited, d. H. that, for a given class of crystals, the application of electrical voltage causes a contraction or expansion of the crystal in a particular direction. This movement is extremely fast and can bring great forces.

Bei der Nutzung in einem Steuerventil eines Kraftstoffeinspritzventils, das ein mit einem beweglichen Ventilglied beinhaltet, muss der Piezoaktor einen bestimmten Mindesthub ausführen können. Da der Hub des Piezoaktors in der Regel nicht mehr als ein bis zwei Promille der Gesamtlänge des Piezokristalls beträgt, muss ein relativ langer Piezoaktor eingesetzt werden. Für die optimale Auslenkung ist es dann allerdings nötig, eine relativ hohe elektrische Spannung anzulegen, da die mechanische Ausdehnung des Piezoaktors im Wesentlichen linear mit der elektrischen Spannung steigt. Um die benötigten elektrischen Feldstärken innerhalb des Piezoaktors zu erreichen, ohne dass die elektrische Spannung zu hoch wird, wird der Piezoaktor zumeist aus mehreren Schichten aufgebaut. Hierbei können bei modernen Piezoaktoren mehrere hundert Schichten vorhanden sein, zwischen denen sich jeweils eine Schichtelektrode, also eine metallische Elektrodenschicht, befindet. Die Schichtelektroden werden wechselseitig elektrisch kontaktiert und eine entgegengesetzte elektrische Spannung angelegt, so dass zwischen je zwei benachbarten Schichtelektroden ein elektrisches Feld entsteht, das die dazwischen liegende Piezoschicht durchdringt und so zu einer Ausdehnung führt.When used in a control valve of a fuel injection valve that includes a with a movable valve member, the piezoelectric actuator must be able to perform a certain minimum stroke. Since the stroke of the piezoelectric actuator is usually not more than one to two parts per thousand of the total length of the piezoelectric crystal, a relatively long piezoelectric actuator must be used. However, for the optimum deflection, it is then necessary to apply a relatively high electrical voltage, since the mechanical expansion of the piezoelectric actuator increases substantially linearly with the electrical voltage. In order to achieve the required electric field strengths within the piezoelectric actuator, without the electrical voltage is too high, the piezoelectric actuator is usually composed of several layers. In this case, several hundred layers may be present in modern piezo actuators, between each of which there is a layer electrode, that is to say a metallic electrode layer. The layer electrodes are mutually contacted electrically and applied an opposite electrical voltage, so that between each two adjacent layer electrodes, an electric field is formed, which penetrates the intervening piezoelectric layer and thus leads to an expansion.

Die Kontaktierung dieser Schichtelektroden erfolgt in der Weise, dass die Schichtelektroden abwechselnd an gegenüberliegende Oberflächen des Piezoaktors geführt sind, wo jeweils eine Metallbeschichtung aufgebracht wird. Die Metallbeschichtung stellt einen elektrischen Kontakt zu den jeweiligen Schichtelektroden her. Eine elektrische Kontaktierung ausschließlich über diese Metallschicht ist jedoch nicht möglich, da durch die Längenänderung des Piezoaktors beim Betrieb diese Metallbeschichtung zerreißt, so dass mehrere, gegeneinander isolierte Bereiche der Metallbeschichtung entstehen. Um trotzdem sämtliche Schichtelektroden mit einer externen Spannungsquelle verbinden zu können, ist bei den bekannten Piezoaktoren auf die Metallschicht eine Gewebeelektrode aufgelötet, die flexibel gestaltet ist und die der Bewegung des Piezoaktors folgt, ohne dass die elektrische Kontaktierung zur Metallbeschichtung zerstört wird. Über diese Gewebeelektrode wird nun eine äußere Spannungsquelle angelegt, so dass sämtliche Bereiche der Metallbeschichtung mit der elektrischen Spannung versorgt werden und damit auch die entsprechenden Innenelektroden.The contacting of these layer electrodes takes place in such a way that the layer electrodes are alternately guided on opposite surfaces of the piezoelectric actuator, where in each case a metal coating is applied. The metal coating establishes electrical contact with the respective layer electrodes. However, an electrical contacting exclusively via this metal layer is not possible since the change in length of the piezoelectric actuator during operation tears this metal coating, so that a plurality of mutually insulated regions of the metal coating arise. In order nevertheless to be able to connect all the layer electrodes to an external voltage source, in the known piezo actuators a metal electrode is soldered to the metal layer, which is flexible and follows the movement of the piezoelectric actuator without destroying the electrical contact with the metal coating. An external voltage source is now applied via this tissue electrode, so that all areas of the metal coating are supplied with the electrical voltage and thus also the corresponding internal electrodes.

Zur Ausbildung dieser Gewebeelektrode sind verschiedene Designs vorgeschlagen worden. So ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2006 026 643 A1 ein piezoelektrischer Aktor bekannt, der aus einer Vielzahl von keramischen Schichten besteht mit dazwischen angeordneten Schichtelektroden. Die Außenelektroden weisen neben einer Metallbeschichtung mehrere in Längsrichtung des Aktorkörpers verlaufende Längsdrähte und mehrere Schussdrähte auf, wobei ein Schussdraht so durch die Längsdrähte geführt ist, dass ein Teil der Längsdrähte oberhalb und ein anderer Teil der Längsdrähte unterhalb des Schussdrahtes verläuft.Various designs have been proposed for forming this tissue electrode. So is from the disclosure DE 10 2006 026 643 A1 a piezoelectric actuator is known, which consists of a plurality of ceramic layers with interposed layer electrodes. The outer electrodes have in addition to a metal coating a plurality of longitudinal wires extending in the longitudinal direction of the actuator body and a plurality of weft wires, wherein a weft wire is guided through the longitudinal wires, that a part of the longitudinal wires above and another part of the longitudinal wires extends below the weft wire.

Aus der Schrift WO 2005/035971 A1 ist darüber hinaus ein piezoelektrischer Aktor bekannt, bei dem der zu kontaktierende Piezoaktor in eine Montageaufnahme eingesetzt wird und diese Montageeinheit dann mit einem elektrisch leitfähigen Draht bewickelt wird. Anschließend wird der Draht mit Anschlussstiften verbunden, so dass eine elektrische Verbindung zum Piezostapel hergestellt wird.From the Scriptures WO 2005/035971 A1 In addition, a piezoelectric actuator is known in which the piezoelectric actuator to be contacted is inserted into a mounting receptacle and this assembly unit is then wound with an electrically conductive wire. Subsequently, the wire is connected to pins, so that an electrical connection is made to the piezo stack.

Aus der Offenlegungsschrift DE 199 30 585 A1 ist weiterhin ein Piezoaktor bekannt, der zur elektrischen Kontaktierung einer Elektrode eines Aktorkörpers eine Kontaktfahne aufweist. Die in der Kontaktfahne auftretende mechanische Spannung durch die Expansionen und Kontraktionen des Piezoaktors wird dadurch minimiert, dass in der Kontaktaufnahme ein Verformungsmaterial in Form eines Drahtgeflechts vorgesehen ist.From the publication DE 199 30 585 A1 Furthermore, a piezoactuator is known, which has a contact lug for making electrical contact with an electrode of an actuator body. The mechanical stress occurring in the contact lug by the expansions and contractions of the piezoelectric actuator is minimized by providing a deformation material in the form of a wire mesh in the contact.

Die bekannten Lösungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Metallbeschichtung, die auf dem Piezoaktor aufzubringen ist, relativ groß ist und darüber hinaus die Drahtelektrode bzw. Gewebeelektrode zur Kontaktierung der Metallbeschichtung ebenfalls groß ist, um die elektrische Kontaktierung der gesamten Metallbeschichtung sicherzustellen. Sowohl die metallischen Beschichtungen als auch die Gewebelektroden bestehen aus hochwertigen Materialien, was den Piezoaktor beträchtlich verteuert.However, the known solutions have the disadvantage that the metal coating which is to be applied to the piezoelectric actuator is relatively large and, moreover, the wire electrode or tissue electrode for contacting the metal coating is also large in order to ensure the electrical contacting of the entire metal coating. Both the metallic coatings and the woven electrodes are made of high-quality materials, which considerably increases the cost of the piezoelectric actuator.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Der erfindungsgemäße Piezoaktor weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Kontaktierung der Schichtelektroden in relativ kostengünstiger und wenig aufwendiger Weise erfolgt. Hierzu weist der Piezoaktor eine Außenelektrode zur Kontaktierung der Schichtelektroden auf, wobei die Außenelektrode eine Metallbeschichtung umfasst und die Metallbeschichtung aus wenigstens zwei Teilbeschichtungen besteht, die durch elektrisch leitende Drähte elektrisch miteinander verbunden sind. Die Drähte, die zwischen den zwei Teilbeschichtungen verlaufen, ermöglichen dadurch eine sehr große Flexibilität, so dass eine sichere Verbindung der gesamten Metallbeschichtung mit den elektrischen Anschlüssen des Piezoaktors und damit mit den Schichtelektroden stets sichergestellt ist. Durch die Ausbildung der Metallbeschichtung in Form von zwei Teilbeschichtungen wird darüber hinaus die zur Kontaktierung notwendige Beschichtungsfläche reduziert, so dass die Kosten entsprechend sinken. Durch die hohe Flexibilität der elektrisch leitenden Drähte zwischen den beiden Teilbeschichtungen kann darüber hinaus ein relativ günstiger Werkstoff verwendet werden, was die Kosten weiterhin senkt.In contrast, the piezoelectric actuator according to the invention has the advantage that the contacting of the layer electrodes takes place in a relatively inexpensive and less expensive manner. For this purpose, the piezoelectric actuator has an outer electrode for contacting the layer electrodes, wherein the outer electrode comprises a metal coating and the metal coating consists of at least two partial coatings, which are electrically connected to one another by electrically conductive wires. The wires that run between the two part coatings, thereby allowing a very large flexibility, so that a secure connection of the entire metal coating with the electrical connections of the piezoelectric actuator and thus with the layer electrodes is always ensured. Moreover, the formation of the metal coating in the form of two partial coatings reduces the coating area necessary for contacting, so that the costs drop correspondingly. Due to the high flexibility of the electrically conductive wires between the two part coatings can also be used a relatively cheaper material, which further reduces the cost.

In vorteilhafter Weise sind dabei beide Außenelektroden, die die Schichtelektroden kontaktieren, in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Ausbildung der Teilbeschichtungen in Form von zwei metallischen Streifen, die senkrecht zu den Piezolagen verlaufen und auf die Oberfläche des Piezoaktors aufgebracht sind. Die Teilbeschichtungen werden dabei durch eine Vielzahl von elektrisch leitenden Drähten verbunden, so dass auch bei vielen Rissen in der metallischen Beschichtung durch die Bewegung des Piezoaktors jede Schichtelektrode mit den Anschlussdrähten verbunden wird.In an advantageous manner, both external electrodes which contact the layer electrodes are formed in the manner according to the invention. Particularly advantageous here is the formation of the partial coatings in the form of two metallic strips, which run perpendicular to the piezoelectric layers and are applied to the surface of the piezoelectric actuator. The part coatings are connected by a plurality of electrically conductive wires, so that even with many cracks in the metallic coating by the movement of the piezoelectric actuator each layer electrode is connected to the lead wires.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors, der eine Vielzahl von Piezolagen mit jeweils einer dazwischen angeordneten Schichtelektrode, die alternierend mit einer ersten oder einer zweiten Außenelektrode elektrisch verbunden sind, erfolgt die Herstellung in einem ersten Schritt durch das zur Verfügung stellen des Piezostapels mit einer Vielzahl von Piezolagen mit jeweils einer Schichtelektrode zwischen den einzelnen Piezolagen. In einem zweiten Schritt werden zwei Teilbeschichtungen auf die Oberfläche des Piezoaktors aufgebracht, wobei die Schichtelektroden wechselseitig mit den Teilbeschichtungen verbunden sind, und schließlich in einem letzten Schritt dem Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen den beiden Teilbeschichtungen durch elektrisch leitende Drähte, die zwischen den Teilbeschichtungen verlaufen.In a method according to the invention for the production of a piezoelectric actuator having a plurality of piezoelectric layers, each with a layer electrode arranged therebetween, which are alternately connected to a first or a second external electrode in an alternating manner, the production takes place in a first step by providing the piezoelectric stack with a piezoelectric actuator Variety of piezo layers, each with a layer electrode between the individual piezo layers. In a second step, two partial coatings are applied to the surface of the piezoactuator, wherein the layer electrodes are mutually connected to the partial coatings, and finally in a final step to establish an electrical connection between the two partial coatings by electrically conductive wires extending between the partial coatings.

Hierbei wird der Prozessschritt des Herstellens einer elektrischen Verbindung zwischen den beiden Teilschichten durch elektrisch leitende Drähte in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass der Piezoaktor in eine Zentriereinheit eingespannt und dadurch fixiert wird, wobei an der Zentriereinheit Formelemente zur Führung eines Drahtes angebracht sind, Einführen eines Drahtes in das Formelement und Drehen des Piezoaktors um eine Achse, so dass sich der Draht um den Piezoaktor wickelt und dabei von den Formelementen geführt wird, wobei der Draht die Metallbeschichtungen kontaktiert. Dem Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Draht und der Metallbeschichtung und schließlich das Zerschneiden des Drahtes so, dass nur eine elektrische Verbindung zwischen den Teilbeschichtungen der Metallbeschichtung verbleibt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Piezoaktor kostengünstig und schnell hergestellt werden, wobei eine hohe Produktionssicherheit erreicht wird. In vorteilhafter Weise wird dabei die elektrische Verbindung zwischen dem Draht und der Teilbeschichtung durch ein Lötprozess hergestellt, etwa durch Thermoden- oder Dampfphasenlöten.Here, the process step of producing an electrical connection between the two sub-layers by electrically conductive wires is advantageously achieved in that the piezoelectric actuator is clamped in a centering unit and thereby fixed, being attached to the centering unit form elements for guiding a wire, inserting a wire into the former and rotating the piezoactuator about an axis such that the wire wraps around the piezoactuator while being guided by the mold members, the wire contacting the metal coatings. Establishing an electrical connection between the wire and the metal coating and finally cutting the wire so that only an electrical connection remains between the partial coatings of the metal coating. By the method according to the invention, the piezoelectric actuator can be produced inexpensively and quickly, with a high production reliability is achieved. In this case, the electrical connection between the wire and the partial coating is advantageously produced by a soldering process, for example by thermode or vapor phase soldering.

Zeichnungendrawings

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Piezoaktor und eine Illustration des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt. Es zeigtIn the drawing, a piezoelectric actuator according to the invention and an illustration of the manufacturing method according to the invention is shown. It shows

1 einen Piezoaktor, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, 1 a piezoelectric actuator, as known from the prior art,

2a bis 2d die Herstellungsprozessschritte und einen fertigen Piezoaktor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und 2a to 2d the manufacturing process steps and a finished piezoelectric actuator according to the inventive method and

3a bis 3c verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Piezoaktoren. 3a to 3c various embodiments of piezoelectric actuators according to the invention.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

In 1 ist ein Piezoaktor dargestellt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Piezoaktor 1 umfasst einen Piezostapel, der aus einer Vielzahl von Piezolagen 3 zusammengesetzt ist. Zwischen je zwei Piezolagen 3 befindet sich eine Schichtelektrode 5, die aus einer dünnen Metallschicht besteht, während die Piezoschichten selbst aus einem piezoaktiven Material, vorzugsweise einer Keramik, bestehen. Die Schichtelektroden 5 sind wechselseitig auf die Oberfläche des Piezostapels geführt, in dem hier gezeigten Beispiel abwechselnd auf die rechte vordere Seite und die gegenüberliegende, in der Zeichnung nicht dargestellte Seite des Piezoaktors. Zur Kontaktierung der Schichtelektroden 5 ist auf die Oberfläche des Piezostapels eine erste Außenelektrode 4 und auf der gegenüberliegenden Seite des Piezostapels eine zweite Außenelektrode 4' aufgebracht. Die Außenelektrode 4 besteht dabei aus einer Metallbeschichtung 7, die direkt auf den Piezostapel aufgebracht ist und die den elektrischen Kontakt zu den Schichtelektroden 5, die auf dieser Seite des Piezostapels an die Oberfläche geführt sind, herstellt. Die Metallbeschichtung 7 besteht dabei aus einer gut elektrisch leitenden metallischen Legierung, weist jedoch nur eine geringe Dicke auf, so dass die Bewegung des Piezoaktors hierdurch nicht eingeschränkt wird.In 1 a piezoactuator is shown as it is known from the prior art. The piezo actuator 1 includes a piezo stack consisting of a variety of piezo layers 3 is composed. Between every two piezolayers 3 there is a layer electrode 5 , which consists of a thin metal layer, while the piezoelectric layers themselves consist of a piezoactive material, preferably a ceramic. The layer electrodes 5 are mutually guided on the surface of the piezo stack, in the example shown here alternately on the right front side and the opposite side, not shown in the drawing of the piezoelectric actuator. For contacting the layer electrodes 5 is on the surface of the piezo stack a first outer electrode 4 and on the opposite side of the piezo stack, a second outer electrode 4 ' applied. The outer electrode 4 consists of a metal coating 7 , which is applied directly to the piezo stack and the electrical contact to the layer electrodes 5 , which are led to the surface on this side of the piezo stack, manufactures. The metal coating 7 consists of a highly electrically conductive metallic alloy, but has only a small thickness, so that the movement of the piezoelectric actuator is not limited thereby.

Da die Metallbeschichtung 7 beim Ausdehnen und Zusammenziehen des Piezoaktors 1 parallel zu den Piezolagen 3 einreißt, ist zur elektrischen Kontaktierung mit elektrischen Anschlüssen 8, 9 zusätzlich eine Gewebeelektrode 10 notwendig. Diese besteht aus einem Drahtgeflecht, das mit den elektrischen Anschlüssen 8, 9 verbunden ist und durch Löten oder durch eine sonstige Verbindung elektrisch mit der Metallbeschichtung 7 verbunden ist. Die Gewebeelektrode 10 weist hierbei eine ausreichende Flexibilität aus, um der Bewegung des Piezoaktors 1 beim Zusammenziehen und Ausdehnen zu folgen.Because the metal coating 7 during expansion and contraction of the piezoelectric actuator 1 parallel to the piezo layers 3 tears, is for electrical contact with electrical connections 8th . 9 additionally a tissue electrode 10 necessary. This consists of a wire mesh, with the electrical connections 8th . 9 is connected and by soldering or by another connection electrically to the metal coating 7 connected is. The tissue electrode 10 here has sufficient flexibility to the movement of the piezoelectric actuator 1 to follow when contracting and stretching.

Zur Betätigung des Piezoaktors 1 wird an die elektrischen Anschlüsse 8, 9 eine elektrische Spannung angelegt. Über die Gewebeelektroden 10, 10' und die Außenelektroden 4, 4' wird jeweils eine Hälfte der Schichtelektroden 5 mit jeweils einem der elektrischen Anschlüsse 8, 9 verbunden, so dass zwischen je zwei benachbarten Schichtelektroden 5 eine elektrische Spannung herrscht. Diese führt zu einem elektrischen Feld zwischen den benachbarten Schichtelektroden 5, welches die zwischen den Schichtelektroden 5 befindliche Piezolage 3 durchdringt und so zu einer Ausdehnung oder einem Zusammenziehen der Piezolage 3 in Richtung des elektrischen Feldes führt, so dass sich der Piezostapel insgesamt verlängert oder verkürzt.For actuating the piezo actuator 1 gets to the electrical connections 8th . 9 an electrical voltage applied. About the tissue electrodes 10 . 10 ' and the outer electrodes 4 . 4 ' in each case one half of the layer electrodes 5 each with one of the electrical connections 8th . 9 connected so that between each two adjacent layer electrodes 5 an electrical voltage prevails. This leads to an electric field between the adjacent layer electrodes 5 which is the between the layer electrodes 5 located piezoelectric layer 3 penetrates and so to an expansion or contraction of the piezoelectric layer 3 leads in the direction of the electric field, so that the piezo stack is lengthened or shortened.

Um die Metallbeschichtung 7 möglichst klein zu halten, ist in 2a bis 2d ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren und ein erfindungsgemäßer Piezoaktor 1 dargestellt, bei dem die Metallbeschichtung 7 minimiert ist, ohne dass dadurch die Betriebssicherheit beeinträchtigt wird. Hierzu wird der Piezostapel mit zwei Teilbeschichtungen 17 versehen, die eine streifenförmige Form haben und parallel zueinander verlaufen, wie in 2a dargestellt. Die Teilbeschichtungen 17 stellen hierbei, wie die Metallbeschichtung 7 bei dem in 1 gezeigten Piezoaktor, den elektrischen Kontakt zu den jeweiligen Schichtelektroden her, die in der 2a der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.To the metal coating 7 to keep as small as possible is in 2a to 2d an inventive manufacturing method and a piezoelectric actuator according to the invention 1 shown in which the metal coating 7 is minimized without affecting operational safety. For this purpose, the piezo stack with two part coatings 17 provided, which have a strip-like shape and parallel to each other, as in 2a shown. The partial coatings 17 in this case, like the metal coating 7 at the in 1 shown piezoelectric actuator, the electrical contact to the respective layer electrodes ago, in the 2a are not shown for clarity.

Um die beiden Teilbeschichtungen 17 sowohl untereinander als auch über ihre gesamte Länge mit einem elektrischen Anschluss zu verbinden, so dass alle damit verbundenen Schichtelektroden mit einer elektrischen Spannung beaufschlagen zu können, wird der Piezoaktor 1 in eine Zentriereinheit 12 eingespannt. Diese umfasst den Piezoaktor 1 und sorgt dafür, dass der Piezoaktor 1 stabil bewegt werden kann. Die Zentriereinheit 12 weist Führungselemente 14 auf, die an der Außenseite der Zentriereinheit 12 angebracht sind und die der Führung eines Drahtes dienen, über den die elektrische Verbindung hergestellt wird. Hierzu wird wie 2b zeigt, der Draht in das Führungselement 14 eingefädelt und die Zentriereinheit 12 anschließend um eine Längsachse 13 gedreht. Dabei wird die Zentriereinheit 12 gemäß der Bewegungsrichtung 22 der 2b bewegt, so dass der Draht 20 den Piezoaktor 1 umwickelt. Nach Beendigung dieses Prozessschritts ist der Zustand erreicht, der in 2c dargestellt ist.To the two partial coatings 17 To connect with each other and over its entire length with an electrical connection, so that all the associated layer electrodes to be able to apply an electrical voltage, is the piezoelectric actuator 1 in a centering unit 12 clamped. This includes the piezoelectric actuator 1 and ensures that the piezoelectric actuator 1 can be moved stably. The centering unit 12 has guide elements 14 on, on the outside of the centering unit 12 are attached and serve to guide a wire over which the electrical connection is made. This will be like 2 B shows the wire in the guide element 14 threaded and the centering unit 12 subsequently around a longitudinal axis 13 turned. This is the centering unit 12 according to the direction of movement 22 of the 2 B moved, leaving the wire 20 the piezoelectric actuator 1 wrapped. Upon completion of this process step, the state reached in 2c is shown.

In einem anschließenden Prozessschritt muss der Draht 20 mit den Teilbeschichtungen 17 elektrisch verbunden werden. Dies geschieht beispielsweise über einen Lötprozess, etwa durch Termodenlöten, Laserlöten oder auch andere Lötprozesse, durch die eine elektrische Verbindung zwischen dem Draht 20 und den Teilbeschichtungen 17 hergestellt werden kann. Ist dies geschehen, so wird der Draht 20 durchtrennt, so dass nur die elektrischen Verbindungen zwischen den Teilbeschichtungen 17 verbleiben. Somit werden sowohl die Teilbeschichtungen 17 untereinander, als auch die verschiedenen Teile der Teilbeschichtungen 17, die beim Betrieb des Piezoaktors durch zwangsläufig auftretende Risse entstehen, untereinander elektrisch verbunden. Dies wird auf beiden Seiten des Piezoaktors durchgeführt, wie in 2d dargestellt, so dass letztendlich zwei Außenelektroden 4, 4' gebildet werden.In a subsequent process step, the wire must 20 with the part coatings 17 be electrically connected. This happens for example via a soldering process, such as Termodenlöten, laser soldering or other soldering processes, through which an electrical connection between the wire 20 and the part coatings 17 can be produced. When this is done, the wire becomes 20 severed, leaving only the electrical connections between the part coatings 17 remain. Thus, both the part coatings 17 among themselves, as well as the different parts of the partial coatings 17 , which arise during operation of the piezoelectric actuator by inevitably occurring cracks, electrically connected to each other. This is done on both sides of the piezo actuator, as in 2d so that ultimately two outer electrodes 4 . 4 ' be formed.

Zur Befestigung des elektrischen Anschlusses 8 kann der Draht in einem Anschlussbereich 21 dichter gewickelt sein, um so das Befestigen des elektrischen Anschlusses zu erleichtern. In 2d ist dieser Bereich im unteren Bereich des Piezoaktors 1 dargestellt, wo die Drähte besonders dicht gewickelt sind.For fixing the electrical connection 8th can the wire in a connection area 21 be wrapped tightly so as to facilitate the attachment of the electrical connection. In 2d this area is in the lower area of the piezoelectric actuator 1 shown where the wires are wound particularly tight.

In welcher Form die Drähte um den Piezoaktor 1 gewickelt werden, richtet sich nach der Länge des Piezoaktors und den technischen Anforderungen, insbesondere danach, wie viele Risse innerhalb der Teilbeschichtung 17 beim Betrieb des Piezoaktors zu erwarten sind. In 3a ist eine erste Möglichkeit dargestellt, wie der Draht 20 um den Piezoaktor gewickelt werden kann, um letztendlich die elektrische Verbindung zwischen den Teilbeschichtungen 17 herzustellen. Hierbei ist der Draht 20 in relativ großen Abständen zwischen den Teilbeschichtungen 17 gespannt. In 3b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Drähte 20 dichter gewickelt sind und 3c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Drähte noch dichter um den Piezoaktor gewickelt sind, um eine sichere Verbindung der Teilbeschichtungen mit dem elektrischen Anschluss zu erreichen.In what form the wires around the piezoelectric actuator 1 Depending on the length of the piezoelectric actuator and the technical requirements, in particular how many cracks within the sub-coating 17 to be expected during operation of the piezoelectric actuator. In 3a is presented a first way, like the wire 20 can be wound around the piezoelectric actuator, to ultimately the electrical connection between the sub-coatings 17 manufacture. Here's the wire 20 in relatively large distances between the part coatings 17 curious; excited. In 3b another embodiment is shown in which the wires 20 are tightly wrapped and 3c shows a further embodiment in which the wires are wound even closer to the piezoelectric actuator to a secure connection of the Partial coatings with the electrical connection to achieve.

Der Draht 20 der zur Verbindung der Teilelektroden 17 verwendet wird, muss elektrisch leitend sein und kann beispielsweise aus Stahl, Messing, Kupfer oder aus Invar bestehen. Besonders Invar ist hierbei von Vorteil, da dessen Wärmeausdehnungskoeffizient die geringste Abweichung zum Wärmeausdehnungskoeffizienten der typischen Piezokeramiken aufweist. Der Draht kann auch mit verschiedenen Beschichtungen versehen sein, z. B. Kupfer oder Zinn, wobei auch verschiedene Zinnlegierungen, z. B. SnAg, verwendet werden können.The wire 20 for connecting the sub-electrodes 17 must be electrically conductive and may for example consist of steel, brass, copper or Invar. In particular Invar is advantageous in this case since its thermal expansion coefficient has the smallest deviation from the thermal expansion coefficient of the typical piezoceramics. The wire may also be provided with various coatings, e.g. As copper or tin, wherein also various tin alloys, for. As SnAg, can be used.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006026643 A1 [0005] DE 102006026643 A1 [0005]
WO 2005/035971 A1 [0006] WO 2005/035971 A1 [0006]
DE 19930585 A1 [0007] DE 19930585 A1 [0007]

Claims

Piezoaktor (1) mit einer Vielzahl von Piezolagen (3), zwischen denen jeweils eine Schichtelektrode (5) angeordnet ist, die alternierend entweder mit einer ersten Außenelektrode (4) oder einer zweiten Außenelektrode (4') elektrisch verbunden sind, wobei sich über die Außenelektroden (4; 4') eine elektrische Spannung an die Schichtelektroden (5) anlegen lässt und die Außenelektroden (4; 4') jeweils eine Metallbeschichtung (7) umfassen, die auf die Oberfläche des Piezoaktors (1) aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeschichtung (7; 7') wenigstens einer Außenelektrode (4; 4') zwei Teilbeschichtungen (17) umfasst, die durch elektrisch leitende Drähte (20) elektrisch miteinander verbunden sind.Piezoelectric actuator ( 1 ) with a plurality of piezo layers ( 3 ), between each of which a layer electrode ( 5 ) arranged alternately either with a first outer electrode ( 4 ) or a second outer electrode ( 4 ' ) are electrically connected, wherein via the outer electrodes ( 4 ; 4 ' ) an electrical voltage to the layer electrodes ( 5 ) and the outer electrodes ( 4 ; 4 ' ) each have a metal coating ( 7 ) on the surface of the piezoelectric actuator ( 1 ), characterized in that the metal coating ( 7 ; 7 ' ) at least one outer electrode ( 4 ; 4 ' ) two partial coatings ( 17 ) by electrically conductive wires ( 20 ) are electrically connected together.

Piezoaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Außenelektroden (4; 4') jeweils zwei Teilbeschichtungen (17) umfassen, die durch elektrisch leitende Drähte (20) elektrisch miteinander verbunden sind.Piezoelectric actuator ( 1 ) according to claim 1, characterized in that both outer electrodes ( 4 ; 4 ' ) two partial coatings ( 17 ) by electrically conductive wires ( 20 ) are electrically connected together.

Piezoaktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbeschichtungen (17) aus metallischen Streifen bestehen, die senkrecht zu den Piezolagen (5) verlaufen und auf die Oberfläche des Piezoaktors (1) aufgebracht sind.Piezoelectric actuator ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the partial coatings ( 17 ) consist of metallic strips which are perpendicular to the piezoelectric layers ( 5 ) and on the surface of the piezoelectric actuator ( 1 ) are applied.

Piezoaktor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilbeschichtungen (17) durch eine Vielzahl von im Verhältnis zu der Streifenbreite dünnen elektrisch leitenden Drähten (20) elektrisch verbunden sind, vorzugsweise durch metallische Drähte.Piezoelectric actuator ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the two partial coatings ( 17 ) by a plurality of thin electrically conductive wires in relation to the strip width ( 20 ) are electrically connected, preferably by metallic wires.

Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors (1) mit einer Vielzahl von Piezolagen (3), zwischen denen jeweils eine Schichtelektrode (5) angeordnet ist, die alternierend entweder mit einer ersten Außenelektrode (4) oder einer zweiten Außenelektrode (4') elektrisch verbunden sind, wobei sich über die Außenelektroden (4; 4') eine elektrische Spannung an die Schichtelektroden (5) anlegen lässt, so dass zwischen jeweils benachbarten Schichtelektroden (5) ein die dazwischen liegende Piezolage (3) durchdringendes elektrisches Feld entsteht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Herstellung eines Piezostapels aus einer Vielzahl von Piezolagen (3) mit jeweils einer Schichtelektrode (5) zwischen den einzelnen Piezolagen (3), – Aufbringen einer Metallbeschichtung (7) bestehend aus zwei Teilbeschichtungen (17) auf die Oberfläche des Piezostapels, wobei jede zweite Schichtelektrode (5) mit der Metallbeschichtung (7) verbunden ist, – Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen den beiden Teilbeschichtungen (17) durch elektrisch leitende Drähte (20), die zwischen den Teilbeschichtungen (17) verlaufen.Method for producing a piezoelectric actuator ( 1 ) with a plurality of piezo layers ( 3 ), between each of which a layer electrode ( 5 ) arranged alternately either with a first outer electrode ( 4 ) or a second outer electrode ( 4 ' ) are electrically connected, wherein via the outer electrodes ( 4 ; 4 ' ) an electrical voltage to the layer electrodes ( 5 ), so that between adjacent layer electrodes ( 5 ) an intermediate piezoelectric layer ( 3 ) penetrating electric field, characterized by the following process steps: - Production of a piezo stack from a plurality of piezo layers ( 3 ) each with a layer electrode ( 5 ) between the individual piezo layers ( 3 ), - application of a metal coating ( 7 ) consisting of two partial coatings ( 17 ) on the surface of the piezo stack, each second layer electrode ( 5 ) with the metal coating ( 7 ), - establishing an electrical connection between the two partial coatings ( 17 ) by electrically conductive wires ( 20 ) between the part coatings ( 17 ).

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Metallbeschichtungen (7; 7') aus, jeweils zwei Teilbeschichtungen (17; 17') bestehen, die durch elektrisch leitende Drähte (20) elektrisch verbunden sind.Method according to claim 5, characterized in that both metal coatings ( 7 ; 7 ' ), two partial coatings ( 17 ; 17 ' ), which are protected by electrically conductive wires ( 20 ) are electrically connected.

Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Drähte (20) zur elektrischen Verbindung der Teilbeschichtungen (17; 17') durch folgende Verfahrensschritte aufgebracht werden: – Fixieren des Piezoaktors (1) in einer Zentriereinheit (12), welche Führungselemente (14) zur Führung des elektrisch leitenden Drahts (20) umfasst, – Einführen des elektrisch leitenden Drahts (20) in die Führungselemente (14), – Drehen der Zentriereinheit (12) samt Piezoaktor (1) um eine Achse, so dass sich der Draht (20) um den Piezoaktor (1) wickelt und dabei von den Führungselementen (14) geführt wird, – Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Draht (20) und der Metallbeschichtung (7; 7'), – Zerschneiden des Drahts (20) so, dass nur eine elektrische Verbindung zwischen den Teilbeschichtungen (17; 17') der jeweiligen Metallbeschichtung (7; 7') verbleibt.Method according to claim 5 or 6, characterized in that the electrically conductive wires ( 20 ) for the electrical connection of the partial coatings ( 17 ; 17 ' ) can be applied by the following method steps: - fixing the piezoelectric actuator ( 1 ) in a centering unit ( 12 ), which guiding elements ( 14 ) for guiding the electrically conductive wire ( 20 ), - introducing the electrically conductive wire ( 20 ) in the guide elements ( 14 ), - turning the centering unit ( 12 ) together with piezoelectric actuator ( 1 ) around an axis so that the wire ( 20 ) around the piezoelectric actuator ( 1 ) and thereby by the guide elements ( 14 ), - establishing an electrical connection between the wire ( 20 ) and the metal coating ( 7 ; 7 ' ), - cutting the wire ( 20 ) so that only one electrical connection between the partial coatings ( 17 ; 17 ' ) of the respective metal coating ( 7 ; 7 ' ) remains.

Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Draht (20) und der Metallbeschichtung (7) durch Thermoden- oder Dampfphasenlöten hergestellt wird.Method according to claim 7, characterized in that the electrical connection between the wire ( 20 ) and the metal coating ( 7 ) is produced by thermode or vapor phase soldering.