DE19909452C1 - Piezoelektrischer Aktor - Google Patents

Piezoelektrischer Aktor

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen, mit einem Aktorkörper (10) in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials (11) und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten (12, 13), die abwechselnd durch an der Mantelseite in Längsrichtung des Aktorkörpers (10) liegende gemeinsame Elektrodenbahnen (14, 15) kontaktiert sind und mit elektrischen Anschlussleitern (16, 17), die, um dem piezoelektrischen Aktor (10) Betriebsspannung zuzuführen, jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) elektrisch in Kontakt stehen. Der Aktorkörper (10) weist an wenigstens einer der Ventilseite gegenüberliegenden Stirnseite (9) eine Deckschicht (18) aus piezo-inaktivem Keramikmaterial auf, und die Anschlussleiter (16, 17) stehen nur im Bereich dieser Deckschicht (18) jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) in Kontakt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen, mit einem Aktorkörper in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, die abwechselnd durch an der Mantelseite in Längsrichtung des Aktorkörpers liegende gemeinsame Elektrodenbahnen kontaktiert sind und mit elektrischen Anschlussleitern, die, um dem piezoelektrischen Aktor Betriebsspannung zuzuführen, jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen elektrisch in Kontakt stehen.
Ein solcher piezoelektrischer Aktor ist z. B. aus der DE 196 50 900 A1 der Robert Bosch GmbH bekannt.
Derartige piezoelektrische Mehrlagenaktoren führen, wenn sie mit einer pulsierenden elektrischen Spannung an ihren Elektrodenschichten beaufschlagt werden, analog pulsierende Hübe unter Änderung des Abstandes zwischen ihren beiden Stirnseiten aus. Die zu dem Steuer- oder Einspritzventil weisende Stirnseite besitzt ein stößelartiges Organ, das den Aktorhub auf das Ventil überträgt.
Bei der oben zitierten DE 196 50 900 A1 erfolgt der Anschluss des piezoelektrischen Aktors im aktiven Bereich des Aktorkörpers. Dabei überdecken die die elektrische Spannung zu den Elektrodenschichten übertragenden, zu beiden Seiten des Aktorkörpers liegenden Elektrodenbahnen die volle Länge des aktiven Bereichs des Aktorkörpers, und es entsteht der Nachteil, dass die elektrischen Anschlussleiter den Hub des Aktors mitmachen müssen. Zusätzlich ist die Kontaktierung derselben mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen problematisch, da eine solche durch eine Lötverbindung ausgeführte Kontaktierung während des Betriebs des Aktors zur Rissbildung neigt.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Ein gattungsgemäßer piezoelektrischer Aktor soll so ausgeführt werden, dass eine über die Lebensdauer des piezoelektrischen Aktors bzw. des mit ihm ausgerüsteten Ventils sichere Kontaktierung der Anschlussleiter mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen erreicht wird und dass gleichzeitig die üblichen gelöteten Verbindungen durch Klemmverbindungen ersetzt werden können.
Der Kern der Erfindung liegt darin, die Kontaktierung der Anschlussleiter mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen aus dem aktiven Bereich des piezoelektrischen Aktors herauszunehmen.
Verwirklicht wird dies vorteilhaft dadurch, dass der Aktorkörper an wenigstens einer der Ventilseite gegenüberliegenden Stirnseite eine Deckschicht aus piezo­ inaktivem Keramikmaterial aufweist, und dass die Anschlussleiter nur im Bereich dieser Deckschicht jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen elektrisch kontaktiert sind.
Obwohl für die in dieser Anmeldung in Rede stehende Kontaktierung des piezoelektrischen Aktors nur die an der der Ventilseite gegenüberliegende Stirnseite des Aktorkörpers vorhandene piezo-inaktive Deckschicht wesentlich ist, kann der piezoelektrische Aktorkörper selbstverständlich auch eine piezo-inaktive Deckschicht an seiner ventilseitigen Stirnseite aufweisen.
Dadurch, dass die Kontaktierung der Anschlussleiter mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen im Bereich der nicht dem Aktorhub unterworfenen piezo-inaktiven Deckschicht des Aktorkörpers liegt, befinden sich keine Anschlüsse mehr im aktiven Bereich des piezoelektrischen Aktors, und Rissbildungen an Lötstellen und Kontaktprobleme während seines Betriebs sind vermieden.
Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors stehend die gemeinsamen Elektrodenbahnen mit den Anschlussleitern an der Mantelseite der Deckschicht in Kontakt.
Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Aktors sind die gemeinsamen Elektrodenbahnen bis zur Stirnseite der Deckschicht geführt und stehen dort mit den Anschlussleitern in Kontakt.
Die Kontaktierung der gemeinsamen Elektrodenbahnen mit den Anschlussleitern kann entweder gelötet oder geklemmt sein.
Für die Zuführung der Anschlussleiter zum Aktorkörper durch ein Ventilgehäuse hindurch kann es von Vorteil sein, wenn die Kontaktstellen, wo die Anschlussleiter mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen an der piezo-inaktiven Deckschicht in Kontakt stehen, einander diametral gegenüberliegen. Dies gilt sowohl für piezoelektrische Aktoren mit kreisrundem Querschnitt als auch für solche mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt.
Es sei erwähnt, dass die Gestaltung der gemeinsamen Elektrodenbahnen entlang des Aktorkörpers nicht Gegenstand dieser Anmeldung ist, so dass in den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen einfach angenommen wird, dass diese Elektrodenbahnen die Form flacher an der Mantelfläche des Aktorkörpers anliegender Bänder oder Stege haben.
Die nachfolgende Beschreibung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnung zwei verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors.
Zeichnung
Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil eines Längsschnitts durch einen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gestalteten piezoelektrischen Aktor, und
Fig. 2 zeigt in derselben Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors.
Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt in Form eines abgebrochenen Längsschnitts ein erstes Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Aktors, der einen Aktorkörper 10 in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials 11 und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten 12, 13, die abwechselnd durch an der Mantelseite des Aktorkörpers in Längsrichtung liegende gemeinsame Elektrodenbahnen 14, 15 elektrisch kontaktiert sind und abgebrochen dargestellte) elektrische Anschlussleiter 16, 17 aufweist, die jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen 14, 15 elektrisch in Kontakt stehen, um dem piezoelektrischen Aktor Betriebsspannung zuzuführen. Wie gezeigt, liegen die gemeinsamen Elektrodenbahnen 14, 15 an diametral gegenüberliegenden Seiten auf der Mantelfläche des piezoelektrischen Aktorkörpers 10, dort wo die einander abwechselnden Elektrodenschichten 12 und 13 abwechselnd an der Mantelfläche des Aktorkörpers 10 freiliegen. Die Elektrodenbahnen 14 und 15 können eine andere Form haben, als sie in Fig. 1 dargestellt ist und haben hier nur beispielhaft die Form von geradlinigen ebenen Streifen oder Stegen in Axialrichtung des Aktorkörpers 10.
Der Aktorkörper 10 hat an seiner (in der Fig. 1 oberen) Stirnseite, die der den Aktorhüben unterworfenen zum Ventil weisenden Stirnseite gegenüberliegt, eine Deckschicht 18 aus piezo-inaktivem Keramikmaterial, und die Anschlussleiter 16 und 17 stehen mit den Elektrodenbahnen 14 und 15 nur im Bereich dieser Deckschicht 18 in elektrischem Kontakt. Gemäß Fig. 1 liegen die Kontaktstellen der Anschlussleiter 16 und 17 mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen 14, 15 an der Mantelfläche der Deckschicht 18. Jeder Anschlussleiter 16 und 17 kann mit der jeweiligen gemeinsamen Elektrodenbahn 14 und 15 entweder verlötet oder mit einer Klemmverbindung angeschlossen sein. Selbstverständlich kann auch einer der Anschlussleiter 16 oder 17 gelötet und der andere geklemmt sein.
Werden gemäß Fig. 2 die gemeinsamen Elektrodenbahnen 14, 15 auf die Deckfläche der piezo-inaktiven Deckschicht 18 umgeleitet, ist mit der Verspannung des Aktorkörpers auch eine geklemmte Kontaktierung der gemeinsamen Elektrodenbahnen mit den Anschlussleitern 16 und 17 vorteilhaft. Hier ist zu erwähnen, dass ein piezoelektrischer Mehrlagenaktor, wie er hier beschrieben wird, unter einer mechanischen Vorspannung eingebaut werden muss, da er sonst bei einer Betätigung auseinanderreißen würde. Die mechanische Vorspannung wird durch geeignete (nicht gezeigte) Vorspannungsglieder auf die Stirnseiten des Aktorkörpers 10 aufgebracht, so dass die Aktorhübe auf der in den Figuren nicht gezeigten zum Ventil weisenden Stirnseite gegen die von den Vorspannungsgliedern aufgebrachte Vorspannung ausgeführt werden.
Selbstverständlich kann auch die zum Ventil weisende Stirnseite des Aktorkörpers 10 eine piezo-inaktive Deckschicht, ähnlich wie die Deckschicht 18 haben.
Außerdem können die Kontaktstellen der Anschlussleiter 16, 17 sowohl auf der Mantel- als auch auf der Stirnfläche 9 der Deckschicht 18 vorgesehen sein, was eine Kombination der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 und 2 bedeutet.
Zusammengenommen bietet der oben beispielhaft unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschriebene piezoelektrische Aktor eine einfache und sichere Kontaktierung mit hoher Dauerfestigkeit und geringer Neigung zur Rissbildung im Kontaktierungslot über die Lebensdauer des Aktors, da die Kontaktierung der gemeinsamen Elektrodenbahnen mit den spannungszuführenden Anschlussleitern aus dem piezoaktivem Bereich des Aktors herausgenommen ist.

Claims (6)

1. Piezoelektrischer Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen, mit einem Aktorkörper (10) in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials (11) und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten (12, 13), die abwechselnd durch an der Mantelseite in Längsrichtung des Aktorkörpers (10) liegende gemeinsame Elektrodenbahnen (14, 15) kontaktiert sind und mit elektrischen Anschlussleitern (16, 17), die, um dem piezoelektrischen Aktor (10) Betriebsspannung zuzuführen, jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) elektrisch in Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (10) an wenigstens einer der Ventilseite gegenüberliegenden Stirnseite (9) eine Deckschicht (18) aus piezo-inaktivem Keramikmaterial aufweist, und dass die Anschlussleiter (16, 17) nur im Bereich dieser Deckschicht (18) jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) elektrisch kontaktiert sind.
2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) an der Mantelseite der Deckschicht (18) mit den Anschlussleitern (16, 17) elektrisch kontaktiert sind.
3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) jeweils bis zur Stirnseite (9) der Deckschicht (18) führen und dort mit den Anschlussleitern (16, 17) in Kontakt stehen.
4. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleiter (16, 17) mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (12, 13) verlötet sind.
5. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleiter (16, 17) durch eine Klemmverbindung mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen elektrisch kontaktiert sind.
6. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass die Elektrodenschichten (12, 13) abwechselnd an zwei einander diametral gegenüberliegenden Seiten der Mantelfläche des Aktorkörpers (10) jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) elektrisch kontaktiert sind und dass die Kontaktstellen der Anschlussleiter (16, 17) mit der jeweiligen Elektrodenbahn ebenfalls an diesen einander diametral gegenüberliegenden Positionen liegen.
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