WO2001089002A1 - Piezo actuator - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.
  • a piezo element can be constructed from a material with a suitable crystal structure.
  • an external electrical voltage is applied, there is a mechanical reaction of the piezo element which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a push or pull in a predeterminable direction.
  • this piezo actuator is constructed here in several layers from stacked metallized piezo ceramics to a so-called multilayer actuator. For this purpose, there are internal electrodes between the layers, for example with a Printing processes are applied, and there are external electrodes through which the electrical voltage is applied. Because of this extremely fast and precisely controllable stroke effect, such piezo actuators can be provided for the construction of actuators, for example for driving switching valves in fuel injection systems in motor vehicles. The voltage or charge-controlled deflection of the piezo actuator is used to position a control valve, which in turn regulates the stroke of a nozzle needle.
  • Such a piezo actuator is known, for example, from EP 0 844 678 AI, in which two outer electrodes of different polarity are provided, which are attached to opposite sides of the piezo actuator block.
  • the respective contact takes place in the area in which no inner electrode is brought to the outside in the respectively adjacent layer.
  • the generic piezo actuator described at the outset is constructed with a multilayer structure of piezo layers and internal electrodes arranged in a piezoelectrically active region between the layers, and is provided with contacting of the internal electrodes which changes from layer to layer and is subjected to an electrical voltage.
  • the characteristic Features are advantageously electrically connected to one another in the piezolayers by the internal electrodes which are contacted in each case via internal vias, which are mutually insulated from the other internal electrodes, for example in a so-called via technology.
  • the inner electrodes are covered except for the outer connection contacts by sintering.
  • connection contacts for supplying the electrical voltage are arranged on the end faces of the piezo actuator, the connection contacts preferably being metallized surfaces which are contacted by means of terminals. Thanks to the contact on the front, different actuator shapes, e.g. cuboid, any polygon, cylindrical or hollow cylindrical, the installation space can be minimized. A possibly necessary pretensioning force when installing the piezo actuator in an assembly can be used simultaneously as a contacting force. It is also advantageous if one or more piezoelectrically neutral foils are arranged on the regions lying at the end in the layer structure, the outer connection contacts being attached to these foils. Because the connections are thus not arranged in the active area of the piezo actuator, no mechanical stresses occur in the connection contacts due to the actuator stroke.
  • the plated-through holes can be arranged in a simple manner offset from one another in the layer structure from layer to layer on a bolt circle diameter.
  • Figure 1 is a view of a cylindrical piezo actuator with a multilayer structure of layers of piezoceramic
  • Figure 2 is a view of a cuboid piezo actuator with a multilayer structure of layers of piezoceramic
  • FIG. 3 shows a view of a hollow cylindrical piezo actuator with a multilayer structure of layers made of piezo ceramic and
  • Figure 4 shows a section through a piezo actuator with a detailed view of internal electrodes and plated-through holes in the piezo layers.
  • FIG. 1 shows a piezo actuator 1 which, in a manner known per se, consists of layers 2 of a piezoelectric or electrostrictive ceramic material is constructed with a suitable crystal structure, so that, for example, using the so-called piezo effect when an external electrical direct voltage is applied to inner electrodes, which are not recognizable here in detail between the layers 2, a piezo actuator 1 reacts.
  • the electrical voltage is applied via front-side connection contacts 3 and 4 and passed on to the internal electrodes via through contacts 5 and 6, which can only be seen here schematically.
  • an electrical field is applied to the internal electrodes, e.g. there is a change in length in the range of approximately 0.1-0.3% of the length of the piezo actuator 1.
  • the field strengths required for this must be several kV / mm, so that in order to use moderate control voltages of approx. 100 - 300 V, the so-called multilayer structure with the alternating ceramic and inner electrode layers was selected.
  • FIG. 2 shows an alternative design of a piezo actuator 7 as a cuboid, which accordingly has correspondingly adapted piezo layers 2 and connection contacts 3 and 4.
  • Figure 3 shows a further variant of a piezo actuator 8 with a hollow cylindrical structure.
  • FIG. 4 shows an enlarged section through one of the piezo actuators 1, 7 or 8.
  • the connection contact 3 for the positive pole of the voltage is connected to an internal electrode 10 via the via 5 through the piezo layer 2.
  • an insulation on to internal electrodes 11 of the other polarity an electrical connection to the other internal electrodes of the same polarity is established.
  • the through arrangement 6 applies the adequate arrangement.
  • the upper piezo layer 2, which carries the connection contacts 3 and 4 is a non-active layer here, since there is no field strength between the layer sides due to differently polarized inner electrodes 10 and 11.
  • a lower ceramic layer 12 is also passively constructed here and can support the mechanical attachment of the piezo actuator 1, 7 or 8 as a foot part.
  • the plated-through holes 5 and 6 can not be arranged directly one above the other, as can be seen in FIG. 4, but also advantageously offset in the structure of the layers 2 from layer to layer on a bolt circle diameter in order to increase the mechanical stability of the piezo actuator 1, 7 or 8.

Abstract

The invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component. Said piezo actuator comprises a multiple construction of piezo layers (2), internal electrodes (10, 11), which are arranged between the layers and can be impinged by an electrical voltage, and an alternate contacting of the internal electrodes (10, 11) by means of external connection contacts (3, 4), via which an electrical voltage can be supplied. The respectively allied, contacted internal electrodes (10, 11) are electrically interconnected in the piezo layers (2) via through contacts (5, 6), which are reciprocally insulated against the respective opposing internal electrodes (10, 11).

Description

Piezoaktorpiezo actuator
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.The invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des so- genannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezo- elements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.It is generally known that, using the so-called piezo effect, a piezo element can be constructed from a material with a suitable crystal structure. When an external electrical voltage is applied, there is a mechanical reaction of the piezo element which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a push or pull in a predeterminable direction.
Da die erforderlichen elektrischen Feldstärken zur Betätigung des Piezoaktors im Bereich von mehreren kV/mm liegen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, erfolgt der Aufbau dieses Piezoaktors hier in mehreren Schichten von überein- andergestapelten metallisierten Piezokeramiken zu einem sog. Multilayer-Aktor. Hierzu sind jeweils zwischen den Schichten Innenelektroden vorhanden, die z.B. mit einem Druckverfahren aufgebracht werden, und es sind Außenelektroden vorhanden, über die die elektrische Spannung angelegt wird. Aufgrund dieses extrem schnellen und genau regelbaren Hubeffektes können solche Piezoaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Steuerventils genutzt, das wiederum den Hub einer Düsennadel regelt.Since the required electric field strengths for actuating the piezo actuator are in the range of several kV / mm and generally moderate electrical voltages are required for activation, this piezo actuator is constructed here in several layers from stacked metallized piezo ceramics to a so-called multilayer actuator. For this purpose, there are internal electrodes between the layers, for example with a Printing processes are applied, and there are external electrodes through which the electrical voltage is applied. Because of this extremely fast and precisely controllable stroke effect, such piezo actuators can be provided for the construction of actuators, for example for driving switching valves in fuel injection systems in motor vehicles. The voltage or charge-controlled deflection of the piezo actuator is used to position a control valve, which in turn regulates the stroke of a nozzle needle.
Beispielsweise ist aus der EP 0 844 678 AI ein solcher Piezoaktor bekannt, bei dem zwei, an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Piezoaktorblocks angebrachte, Außenelektroden unterschiedlicher Polarität vorhanden sind. Bei einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innenelektroden mit den seitlichen Außenelektroden erfolgt die jeweilige Kontaktierung in dem Bereich, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innenelektrode an die Außenseite herangeführt ist.Such a piezo actuator is known, for example, from EP 0 844 678 AI, in which two outer electrodes of different polarity are provided, which are attached to opposite sides of the piezo actuator block. When contacting the inner electrodes with the lateral outer electrodes changes from layer to layer, the respective contact takes place in the area in which no inner electrode is brought to the outside in the respectively adjacent layer.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der eingangs beschriebene gattungsgemäße Piezoaktor ist mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und in einem piezoelektrisch aktiven Bereich zwischen den Lagen angeordneten Innenelektroden aufgebaut und mit einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innenelektroden, zur Beaufschlagung mit einer elektri- sehen Spannung, versehen. Gemäß der kennzeichnenden Merkmale sind in vorteilhafter Weise die jeweils zusammengehörig kontaktierten Innenelektroden über wechselseitig zu den jeweils anderen Innenelektroden isoliert angeordnete innenliegende Durchkontaktierungen, z.B. in einer sogenannten Via-Technik, in den Piezolagen elektrisch miteinander verbunden. Die Innenelektroden sind dabei bis auf die äußeren Anschlusskontakte durch Einsintern abgedeckt.The generic piezo actuator described at the outset is constructed with a multilayer structure of piezo layers and internal electrodes arranged in a piezoelectrically active region between the layers, and is provided with contacting of the internal electrodes which changes from layer to layer and is subjected to an electrical voltage. According to the characteristic Features are advantageously electrically connected to one another in the piezolayers by the internal electrodes which are contacted in each case via internal vias, which are mutually insulated from the other internal electrodes, for example in a so-called via technology. The inner electrodes are covered except for the outer connection contacts by sintering.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anschlusskontak- te für die Zuführung der elektrischen Spannung an den Stirnseiten des Piezoaktors angeordnet sind, wobei die Anschlusskontakte bevorzugt metallisierte Flächen sind, die mittels Klemmen kontaktiert werden. Durch die stirnseitige Kontaktierung kann mit verschiedenen Ak- torformen, z.B. quaderförmig, beliebiges Vieleck, zylindrisch oder hohlzylindrisch, der Einbauraum minimiert werden. Eine eventuell notwendige Vorspannkraft beim Einbau des Piezoaktors in ein Aggregat kann hierbei gleichzeitg als Kontaktierkraft verwendet werden. Vorteilhaft ist es außerdem, wenn an den im Lagenaufbau am Ende liegenden Bereiche eine oder mehrere piezoelektrisch neutrale Folien angeordnet sind, wobei die äußeren Anschlusskontakte auf diesen Folien angebracht sind. Dadurch, dass die Anschlüsse damit nicht im akti- ven Bereich des Piezoaktors angeordnet sind, treten keine mechanischen Spannungen durch den Aktorhub in den Anschlusskontakten auf.It is particularly advantageous if the connection contacts for supplying the electrical voltage are arranged on the end faces of the piezo actuator, the connection contacts preferably being metallized surfaces which are contacted by means of terminals. Thanks to the contact on the front, different actuator shapes, e.g. cuboid, any polygon, cylindrical or hollow cylindrical, the installation space can be minimized. A possibly necessary pretensioning force when installing the piezo actuator in an assembly can be used simultaneously as a contacting force. It is also advantageous if one or more piezoelectrically neutral foils are arranged on the regions lying at the end in the layer structure, the outer connection contacts being attached to these foils. Because the connections are thus not arranged in the active area of the piezo actuator, no mechanical stresses occur in the connection contacts due to the actuator stroke.
Um eine mechanische Schwächung des Piezoaktors durch eventuell übereinanderliegende Durchkontaktierungen zu reduzieren, können die Durchkontaktierungen auf einfache Weise im Lagenaufbau von Schicht zu Schicht an einem Lochkreisdurchmesser versetzt zueinander angeordnet werden. Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.In order to reduce mechanical weakening of the piezo actuator by possibly superimposed plated-through holes, the plated-through holes can be arranged in a simple manner offset from one another in the layer structure from layer to layer on a bolt circle diameter. These and further features of preferred developments of the invention are evident from the claims and also from the description and the drawings, the individual features being implemented individually or in groups in the form of subcombinations in the embodiment of the invention and in other fields, and can represent advantageous and protectable designs for which protection is claimed here.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the piezo actuator according to the invention are explained with reference to the drawing. Show it:
Figur 1 eine Ansicht eines zylindrischen Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik;Figure 1 is a view of a cylindrical piezo actuator with a multilayer structure of layers of piezoceramic;
Figur 2 eine Ansicht eines quaderförmigen Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus PiezokeramikFigure 2 is a view of a cuboid piezo actuator with a multilayer structure of layers of piezoceramic
Figur 3 eine Ansicht eines hohlzylindrischen Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezoke- ramik und3 shows a view of a hollow cylindrical piezo actuator with a multilayer structure of layers made of piezo ceramic and
Figur 4 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit einer Detailansicht von Innenelektroden und Durchkontaktierungen in den Piezolagen.Figure 4 shows a section through a piezo actuator with a detailed view of internal electrodes and plated-through holes in the piezo layers.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In Figur 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Lagen 2 eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Keramikmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass beispielsweise unter Ausnutzung des sogenannten Pie- zoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Gleich- Spannung an hier im Detail zwischen den Lagen 2 nicht erkennbare Innenelektroden eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt. Die elektrische Spannung wird über stirnseitige Anschlusskontakte 3 und 4 angelegt und über hier nur schematisch erkennbare Durchkon- taktierungen 5 und 6 auf die Innenelektroden weitergeleitet .FIG. 1 shows a piezo actuator 1 which, in a manner known per se, consists of layers 2 of a piezoelectric or electrostrictive ceramic material is constructed with a suitable crystal structure, so that, for example, using the so-called piezo effect when an external electrical direct voltage is applied to inner electrodes, which are not recognizable here in detail between the layers 2, a piezo actuator 1 reacts. The electrical voltage is applied via front-side connection contacts 3 and 4 and passed on to the internal electrodes via through contacts 5 and 6, which can only be seen here schematically.
Bei Anlage eines elektrischen Feldes an den Innenelektroden kann z.B. eine Längenänderung im Bereich von ca. 0,1 - 0,3 % der Länge des Piezoaktors 1 erfolgen. Die dafür benötigten Feldstärken müssen mehrere kV/mm betragen, so dass, um moderate Ansteuerspannungen von ca. 100 - 300 V zu benutzen, der sog. Multilayeraufbau mit den alternierenden Keramik- und Innenelektrodenschich- ten gewählt wurde.If an electrical field is applied to the internal electrodes, e.g. there is a change in length in the range of approximately 0.1-0.3% of the length of the piezo actuator 1. The field strengths required for this must be several kV / mm, so that in order to use moderate control voltages of approx. 100 - 300 V, the so-called multilayer structure with the alternating ceramic and inner electrode layers was selected.
Aus Figur 2 ist eine alternative Bauform eines Piezoaktors 7 als Quader entnehmbar, der demzufolge entsprechen angepasste Piezolagen 2 und Anschlusskontakte 3 und 4 aufweist. Figur 3 zeigt eine weitere Variante eines Piezoaktors 8 mit einem hohlzylindrischen Aufbau.FIG. 2 shows an alternative design of a piezo actuator 7 as a cuboid, which accordingly has correspondingly adapted piezo layers 2 and connection contacts 3 and 4. Figure 3 shows a further variant of a piezo actuator 8 with a hollow cylindrical structure.
In der Figur 4 ist ein vergrößerter Schnitt durch einen der Piezoaktoren 1, 7 oder 8 gezeigt. Beispielsweise ist auf der linken Seite der Anschlusskontakt 3 für den Positiven Pol der Spannung über die Durchkontaktierung 5 durch die Piezolage 2 mit einer Innenelektrode 10 verbunden. Mit weiteren Durchkontaktierungen 5 ist beim Zusammenbau jeweils unter Gewährleistung einer Isolati- on zu Innenelektroden 11 der anderen Polarität eine elektrische Verbindung zu den anderen Innenelektroden gleicher Polarität hergestellt.FIG. 4 shows an enlarged section through one of the piezo actuators 1, 7 or 8. For example, on the left-hand side, the connection contact 3 for the positive pole of the voltage is connected to an internal electrode 10 via the via 5 through the piezo layer 2. With further plated-through holes 5, an insulation on to internal electrodes 11 of the other polarity, an electrical connection to the other internal electrodes of the same polarity is established.
Für den andern negativen Pol der Spannung am Anschluss- kontakt 4 gilt mit den Durchkontaktierungen 6 die adäquate Anordnung. Die obere Piezolage 2, die die Anschlusskontakte 3 und 4 trägt, ist hier eine nichtaktive Schicht, da zwischen den Schichtseiten keine Feldstärke aufgrund von verschieden gepolten Innenelektro- den 10 und 11 auftritt. Eine untere Keramikschicht 12 ist hier ebenfalls passiv aufgebaut und kann als Fußteil die mechanische Anbringung des Piezoaktors 1, 7 oder 8 unterstützen.For the other negative pole of the voltage at the connection contact 4, the through arrangement 6 applies the adequate arrangement. The upper piezo layer 2, which carries the connection contacts 3 and 4, is a non-active layer here, since there is no field strength between the layer sides due to differently polarized inner electrodes 10 and 11. A lower ceramic layer 12 is also passively constructed here and can support the mechanical attachment of the piezo actuator 1, 7 or 8 as a foot part.
Die Durchkontaktierungen 5 und 6 können dabei nicht wie aus der Figur 4 erkennbar direkt übereinander, sondern vorteilhaft auch im Aufbau der Lagen 2 von Schicht zu Schicht an einem Lochkreisdurchmesser versetzt zueinander angeordnet werden um die mechanische Stabilität des Piezoaktors 1, 7 oder 8 zu erhöhen. The plated-through holes 5 and 6 can not be arranged directly one above the other, as can be seen in FIG. 4, but also advantageously offset in the structure of the layers 2 from layer to layer on a bolt circle diameter in order to increase the mechanical stability of the piezo actuator 1, 7 or 8.

Claims

Patentansprücheclaims
1) Piezoaktor, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und zwischen den Lagen angeordneten Innenelektroden1) Piezo actuator, with a multi-layer structure of piezo layers (2) and internal electrodes arranged between the layers
(10,11), die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und mit einer wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektroden (10,11) mittels äußeren Anschlusskontakten (3,4), über die eine elektrische Spannung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zusammengehörig kontaktierten Innenelektroden (10,11) über wechselseitig zu den jeweils anderen Innenelektroden (10,11) isoliert angeordneten Durchkontaktierungen (5,6) in den Piezolagen (2) elektrisch miteinander verbunden sind.(10, 11) which can be supplied with an electrical voltage and with mutual contacting of the inner electrodes (10, 11) by means of external connection contacts (3, 4) via which an electrical voltage can be supplied, characterized in that the contacts in each case belong together Inner electrodes (10, 11) are electrically connected to one another via plated-through holes (5, 6) in the piezoelectric layers (2), which are mutually insulated from the other inner electrodes (10, 11).
2) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass -die Anschlusskontakte (3,4) für die Zuführung der elektrischen Spannung an den Stirnseiten des Piezoaktors (1;7;8) angeordnet sind. 3) Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass2) Piezo actuator according to claim 1, characterized in that the connection contacts (3, 4) for supplying the electrical voltage are arranged on the end faces of the piezo actuator (1; 7; 8). 3) Piezo actuator according to claim 2, characterized in that
-die Anschlusskontakte (3,4) metallisierte Flächen sind, die mittels Klemmen kontaktierbar sind.-The connection contacts (3,4) are metallized surfaces that can be contacted by means of terminals.
4) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass4) Piezo actuator according to one of the preceding claims, characterized in that
- an den im Lagenaufbau am Ende liegenden Bereichen piezoelektrisch neutrale Bereiche (2,12) angeordnet sind, wobei die äußeren Anschlusskontakte (3,4) an den neutralen Bereichen angebracht sind.- Piezoelectrically neutral areas (2, 12) are arranged on the areas lying at the end of the layer structure, the outer connection contacts (3, 4) being attached to the neutral areas.
5) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass -die Durchkontaktierungen (5,6) im Lagenaufbau von5) Piezo actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the vias (5, 6) in the layer structure of
Schicht zu Schicht an einem Lochkreisdurchmesser versetzt zueinander angeordnet sind. Layer to layer on a bolt circle diameter are arranged offset to one another.
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