DE10343997A1

DE10343997A1 - Piezoelektrisches Element

Info

Publication number: DE10343997A1
Application number: DE10343997A
Authority: DE
Inventors: Bertram Sugg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2005-04-14
Also published as: WO2005031885A1

Abstract

Es wird ein piezoelektrisches Element vorgeschlagen, das eine Vielzahl von übereinander angeordneten Schichten (11.1 bis 11.n) aus einem piezoelektrischen Keramikwerkstoff aufweist, die jeweils auf einer Oberfläche mit mindestens einer Elektrode (12.1 bis 12.n) beschichtet sind. Die Elektroden (12.1 bis 12.n) sind alternierend elektrisch miteinander verbunden, wobei die Verbindung mittels einer durch die Schichten (11.1 bis 11.n) geführten Durchkontaktierung (13, 14) realisiert ist. Das piezoelektrische Element ist aus Modulen (10.1, 10.2, 10.3) zusammengesetzt, wobei die elektrische Verbindung zwischen den Modulen (10.1, 10.2, 10.3) mittels einer Steckverbindung (21, 22, 23, 24) realisiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Element für einen piezoelektrischen Aktor, der insbesondere zur Betätigung eines Brennstoffeinspritzventils verwendbar ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Piezoelektrische Aktoren, insbesondere zur Betätigung von Brennstoffeinspritzventilen, sind in vielfältigen Bauformen, beispielsweise aus der DE 195 00 706 A1 bekannt. Die piezoelektrischen Aktoren bestehen aus mehreren übereinander gestapelten piezoelektrischen Schichten, die jeweils an einer Oberfläche mit einer Elektrode beschichtet sind. Dabei bestehen die Piezoaktoren aus mehreren hundert derartig übereinander geschichteten piezoelektrischen Schichten, wobei die zwischen den Schichten ausgebildeten Elektroden alternierend miteinander kontaktiert sind, um in den einzelnen Schichten ein in gleicher Richtung ausgerichtetes elektrisches Feld zu erzeugen. Auf diese Weise wird ein relativ großer Betätigungshub des piezoelektrischen Aktors erreicht.

Aus der DE 197 57 877 A1 ist bereits bekannt, an Stelle einer außenliegenden Kontaktierung der Elektroden eine innenliegende Elektrodenkontaktierung vorzunehmen, wobei in den piezoelektrischen Schichten eine Verbindungsöffnung von Elektrode zu Elektrode vorgesehen ist und wobei alternierend nur in jeder zweiten Schicht mittels einer in die Verbindungsöffnungen eingebrachten elektrisch leitenden Paste eine alternierende Kontaktierung der in der entsprechenden Schicht ausgebildeten Elektrode erfolgt. Die durch die piezoelektrischen Schichten geführte Durchkontaktierung ist jedoch auf eine Anzahl von Schichten beschränkt, so dass mit dieser Ausführungsform kein großer Aktorhub realisierbar ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine piezoelektrisches Element mit innenliegender Kontaktierung der Elektroden für einen piezoelektrischen Aktor zu schaffen, das einen Aktorhub erzeugen, der insbesondere geeignet ist, um Brennstoffeinspritzventile zu betätigen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße piezoelektrische Element mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein piezoelektrischer Aktor mit einer sehr großen Gesamtlänge modular zusammengesetzt werden kann. Dadurch lässt sich ein den jeweiligen Anforderungen angepasster Aktorhub realisieren, der den Einsatz des piezoelektrischen Aktors, insbesondere zur Betätigung von Brennstoffventilen ermöglicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Besonders vorteilhaft ist es, eine geeignete Loch-Pin-Anordnung an den Modulen des piezoelektrischen Aktors auszubilden und die elektrische Kontaktierung der Module über eine entsprechende Loch-Pin-Steckverbindung zu realisieren. Dabei können die Kontaktierlöcher beispielsweise in den Grünkörper des keramischen Körpers oder durch eine geeignete Bearbeitung des gesinterten keramischen Körpers eingebracht werden.

Die elektrische Kontaktierung der Module wird durch Einstecken der Kontaktierpins bzw. Kontaktstifte in die entsprechenden Kontaktierlöcher des benachbarten Moduls realisiert. Die Kontaktierpins sind dabei entweder in den keramischen Körper eingesintert oder in den fertiggesinterten keramischen Körper in entsprechend vorbereitete Aufnahmelöcher mit geeigneten Maßnahmen elektrisch leitend eingesetzt. Ein elektrischer Kontakt der Kontaktierpins in den Aufnahmelöchern zu der entsprechenden innenliegenden Elektrode oder der Durchkontaktierung kann dabei insbesondere bei der letztgenannten Ausführung zum Beispiel durch einen elektrisch leitenden Kleber hergestellt werden oder durch eine entsprechende Pressverbindung in den Aufnahmelöchern, wobei die Aufnahmelöcher, dann wie die Kontaktierlöcher für die Steckverbindung mit elektrisch leitendem Material ausgekleidet sein können und/oder eine Kontaktstelle über die Stirnfläche der Kontaktierpins erzeugen. Um mechanische Schädigungen, die durch die thermische Ausdehnung auftreten können, zu vermeiden, empfiehlt es sich, sehr duktile, elektrisch leitende Materialien für die Kontaktierpins zu verwenden.

Damit eine elektrisch leitende Kontaktierung zwischen den Modulen über die Loch-Pin-Steckverbindung sichergestellt ist, kann die Zylinderwand der Kontaktierlöcher und/oder die Endfläche der Kontaktierlöcher mit elektrisch leitendem Material ausgekleidet sein, so dass der elektrische Kontakt zwischen Kontaktierpin und Kontaktierloch über die zylindrische Mantelfläche und/oder über die Stirnfläche des eingeführten Pins hergestellt wird. Eine weitere alternative Möglichkeit besteht darin, die Kontaktierung zwischen Kontaktierpin und Kontaktierloch mittels eines elektrisch leitenden Klebers herzustellen.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 einen aus einzelnen Modulen aufgebautes piezoelektrische Element und
2 zwei einzelne Module des piezoelektrischen Elements gemäß 1.
Ausführungsbeispiel
1 zeigt ein piezoelektrisches Element, das aus beispielsweise drei Modulen 10.1, 10.2 und 10.3 zusammengesetzt ist. Jeder Modul 10.1, 10.2, 10.3 besitzt mehrere übereinander gestapelte piezoelektrische Schichten 11.1 bis 11.n., die einen piezoelektrischen, keramischen Körper bilden. Zwischen den piezoelektrischen Schichten 11.1 bis 11.n sind Elektroden 12.1 bis 12.n angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzt jeder Modul 10.1 und 10.2 als Beispiel jeweils zehn piezoelektrische Schichten und jeweils zehn Elektrodenschichten. Die schichtweise angeordneten Elektroden 12.1 bis 12.n sind alternierend mittels einer ersten Durchkontaktierung 13 und einer zweiten Durchkontaktierung 14 elektrisch miteinander verbunden. Die erste Kontaktierung 13 verbindet dabei die ungeradzahligen Elektroden die zweite Durchkontaktierung 14 die geradzahligen Elektroden.
Zur Herstellung der alternierenden Kontaktierung zwischen den Elektrodenschichten sind in die piezoelektrischen Schichten 11.1 bis 11.n eine erste Verbindungsöffnung 15 und eine zweite Verbindungsöffnung 16 eingebracht. Zur Ausbildung der alternierenden Kontaktierung ist die jeweils benachbarte Elektrode mit einer ersten Aussparung 17 im Bereich der ersten Verbindungsöffnungen 15 und von einer zweiten Aussparung 18 im Bereich der zweiten Verbindungsöffnungen 16 umgeben. Die Verbindungsöffnungen 15, 16 sind durch die zu kontaktierenden Elektroden derart geführt, dass eine elektrische Verbindung der jeweiligen Elektrodenschicht mittels der jeweiligen Durchkontaktierung 13, 14 realisiert wird.
Die Module 10.1 und 10.2 weisen gemäß 2 eine erste Stirnfläche 20.1 und eine zweite Stirnfläche 20.2 auf. In die erste Stirnfläche 20.1 ist ein erstes Kontaktierloch 21 und ein zweites Kontaktierloch 22 eingebracht. Das erste Kontaktierloch 21 führt zu der in der ersten Schichtebene angeordneten ersten Elektrode 12.1 und das zweite Kontaktierloch 22 zu der in der zweiten Schichtebene angeordneten zweiten Elektrode 12.2. An der zweiten Stirnfläche 20.2 sind ein erster Kontaktierpin 23 und ein zweiter Kontaktierpin 24 ausgebildet. Der erste Kontaktierpin 23 ist mit der ersten Durchkontaktierung 13 und der zweite Kontaktierpin mit der zweiten Durchkontaktierung 14 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktierpins 23, 24 sind aus metallischem Materialien ausgeführt und sind beispielsweise in den Grünkörper der Module 10.1, 10.2, 10.3 eingesintert. Es ist aber genauso möglich, die Kontaktierpins 23, 24 nach dem Sintern in die Module 10.1, 10.2 einzusetzen. Um mechanische Schädigungen auf Grund thermischer Ausdehnung zu vermeiden, ist es zweckmäßig, als Kontaktierpins 23, 24 sehr duktile, elektrischleitende Materialien zu verwenden. Ist jedoch auch denkbar, zur Realisierung der Kontaktierpins 23, 24 geeignete Keramik-Metall-Materialen (Cerinet-Material) zu verwenden.
Zum Einsetzen der Kontaktierpins 23, 24 in die Modul 10.1, 10.2 sind gemäß 2 an der Stirnfläche 20.2 ein erstes Aufnahmeloch 25 für den ersten Kontaktierpin 23 und ein zweites Aufnahmeloch 26 für den zweiten Kontaktierpin 24 vorgesehen. Die Kontaktierpins 23, 24 bilden eine elektrische Verbindung zu der entsprechenden Elektrodenschicht und/oder der entsprechenden Durchkontaktierung 13, 14 aus. Es ist aber genauso denkbar, beispielsweise den zweiten Kontaktierpin 24 in das tiefere, zweite Kontaktierloch 22 des zweiten Moduls 10.2 einzusetzen und im ersten Modul 10.1 das Aufnahmeloch 26 als entsprechendes Kontaktierloch 22 auszubilden.
Am Modul 10.2 führt das erste Kontaktierloch 21 auf eine Kontaktierfläche 21.1 an der in der ersten Schichtebene angeordneten ersten Elektrode 12.1 und das zweite Kontaktierloch 22 zu einer zweiten Kontaktierfläche 22.2 an der in der zweiten Schichtebene angeordneten zweiten Elektrode 12.2.
Zum Aufbau des piezoelektrischen Aktors werden gemäß 1 beispielsweise drei gleiche Module 10.1, 10.2 und 10.3 zusammengesetzt. Dabei bilden die Kontaktierpins 23, 24 eine elektrische Steckverbindung aus, die in die entsprechenden Kontaktierlöcher 21, 22 eingesteckt werden. Dazu wird der erste Kontaktierpin 23 des ersten Moduls 10.1 in das erste Kontaktierloch 21 des zweiten Moduls 10.2 und der zweite Kontaktierpin 24 des ersten Moduls 10.1 in das zweite Kontaktierloch 22 des zweiten Moduls 10.2 eingeführt. Die Verbindung zwischen dem zweiten Modul 10.2 und dem dritten Modul 10.3 erfolgt in gleicher Weise, wobei die Kontaktierpins 23, 24 des zweiten Moduls 10.2 in die entsprechenden Kontaktierlöcher 21, 22 des dritten Moduls 10.3 eingesteckt werden.
Zur Realisierung der elektrischen Verbindung zwischen den Elektroden der einzelnen Module 10.1, 10.2., 10.3 sind an den Kontaktierpins 23, 24 und den Kontaktierlöchern 21, 22 entsprechend zusammenwirkende, elektrisch leitende Kontaktflächen ausgebildet. Beispielsweise können die äußeren Stirnflächen der Kontaktierpins 23, 24 genutzt werden, die auf die entsprechenden Kontaktierflächen 22.1 und 22.2 der Kontaktierlöcher 21, 22 drücken. Der notwendige Druck zur Kontaktierung wird durch die unter Vorspannung gehaltene Module 10.1, 10.2 und 10.3 zur Ausbildung des piezoelektrischen Elements für die Aktoranordnung realisiert. Es ist aber genauso denkbar, die Kontaktierpins 23, 24 mittels eines elektrisch leitenden Klebers in die entsprechenden Kontaktierlöcher 21, 22 einzusetzen. Darüber hinaus ist es zur Realisierung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Kontaktierpins 23, 24 und den Kontaktierlöchern 21, 22 möglich, eine Auskleidung der Kontaktierlöcher 21, 22 mit einem elektrisch leitenden Material vorzusehen. Durch passgerechtes Einfügen der Kontaktierpins 23, 24 in die entsprechenden Kontaktierlöcher 21, 22 wird dann eine an der Zylinderfläche ausgebildete elektrische Verbindung realisiert. Bei dieser Ausführungsform ist es notwendig, dass die elektrisch leitende Auskleidung der Kontaktierlöcher 21, 22 eine elektrisch leitende Verbindung zur entsprechenden Durchkontaktierung 13, 14 und/oder der entsprechenden Elektrodenschicht realisiert. Es ist aber genauso denkbar, eine Kombination von Kontaktierung an der Zylinderfläche und an der Kontaktierfläche 21.1, 22.2 der Kontaktierlöcher 21, 22 vorzunehmen.

10.1 bis 10.3: Module
11.1 bis 11.n: piezoelektrische Schichten
12.1 bis 12.n: Elektroden
13: erste Durchkontaktierung
14: zweite Durchkontaktierung
15: erste Verbindungsöffnung
16: zweite Verbindungsöffnung
17: erste Aussparung
18: zweite Aussparung
20.1: erste Stirnfläche
20.2: zweite Stirnfläche
21: erstes Kontaktierloch
21.1: erste Kontaktierfläche
22: zweites Kontaktierloch
22.2: zweite Kontaktierfläche
23: erster Kontaktierpin
24: zweiter Kontaktierpin
25: erstes Aufnahmeloch
26: zweites Aufnahmeloch

Claims

Piezoelektrisches Element mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Schichten aus einem piezoelektrischen Keramikwerkstoff, die jeweils auf einer Oberfläche mit mindestens einer Elektrode beschichtet sind, wobei die Elektroden alternierend miteinander elektrisch verbunden sind, und wobei die elektrische Verbindung mittels einer durch die Schichten geführten Durchkontaktierung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schichten zu einem piezoelektrischen Modul (10.1, 10.2, 10.3) zusammengefasst sind und dass jeder Modul (10.1, 10.2, 10.3) Mittel zur elektrischen Kontaktierung des jeweils benachbarten Moduls (10.1, 10.2, 10.3) aufweist.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur elektrischen Kontaktierung der Module (10.1, 10.2, 10.3) mittels einer Steckverbindung realisiert sind.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverbindung mittels an gegenüberliegenden Stirnflächen der Module (10.1, 10.2, 10.3) ausgebildeten Kontaktierpins (23, 24) und Kontaktierlöchern (21, 22) realisiert ist.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einem in einer Stirnfläche (20.1 ,20.2) des einen Moduls (10.1, 10.2, 10.3) angeordneter Kontaktierpin (23, 24) ein in einer gegenüberliegenden Stirnfläche (20.1, 20.2) des benachbarten Moduls (10.1, 10.2, 10.3) ausgebildetes Kontaktierloch (21, 22) zugeordnet ist.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den benachbarten Modulen (10.1, 10.2, 10.3) an den Kontaktierpins (23, 24) und an den Kontaktierlöchern (21, 22) entsprechend zusammenwirkende, elektrisch leitende Kontaktflächen ausgebildet sind.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen zur Realisierung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den benachbarten Modulen (10.1, 10.2, 10.3) mittels an den Kontaktierpins (23, 24) ausgebildete Stirnflächen gebildet sind, die mit einer in den entsprechenden Kontaktierlöchern (21, 22) zusammenwirkenden Kontaktierflächen (21.1, 22.2) zusammenwirken.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen zur Realisierung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den benachbarten Modulen (10.1, 10.2, 10.3) durch eine Auskleidung der Kontaktierlöcher (21, 22) mit einem elektrisch leitenden Material gebildet sind und dass die entsprechenden Kontaktierpins (23, 24) passgerecht in die Kontaktierlöcher (21, 22) eingefügt sind.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen zur Realisierung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den benachbarten Modulen (10.1, 10.2, 10.3) durch einen elektrisch leitenden Kleber zwischen den Kontaktierpins (23, 24) und den Kontaktierlöchern (21, 22) ausgebildet sind.
Piezoelektrisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierpins (23, 24) aus einem duktilen, elektrisch leitenden Material bestehen.
Piezoelektrisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierpins (23, 24) in den keramischen Körper eingesintert sind.
Piezoelektrisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierpins (23, 24) in den keramischen Körper eingesetzt sind.