WO2005027235A1 - Kontaktierter piezoaktor - Google Patents

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WO2005027235A1
WO2005027235A1 PCT/EP2004/051015 EP2004051015W WO2005027235A1 WO 2005027235 A1 WO2005027235 A1 WO 2005027235A1 EP 2004051015 W EP2004051015 W EP 2004051015W WO 2005027235 A1 WO2005027235 A1 WO 2005027235A1
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WO
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piezoceramic
contact
piezo actuator
plastic cage
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PCT/EP2004/051015
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English (en)
French (fr)
Inventor
Willibald SCHÜRZ
Martin Simmet
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/875—Further connection or lead arrangements, e.g. flexible wiring boards, terminal pins
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the invention relates to a piezo actuator with a piezoceramic that can expand when a voltage is applied, and a contact that is applied to the piezoceramic, and a method for its production.
  • piezoelectric components which are made in particular from piezoceramics
  • the effect is used that they generate a voltage when a mechanical pressure or tension is applied, or vice versa, and an expansion of the actuator can be achieved when an electrical voltage is applied to the piezo actuator
  • monolithic multi-layer actuators which consist of a sintered stack of thin foils made of piezoceramic with embedded internal electrodes.
  • the inner electrodes are mutually led out of the stack and electrically connected in parallel via outer electrodes.
  • a strip-like or band-shaped continuous outer metallization is preferably applied to both contact sides of the stack.
  • the outer metallization is connected to all inner electrodes of the same polarity. Between the outer metallization and the electrical
  • connections are often provided in a form of wire contact that can be implemented in many forms. If you now apply an electrical voltage to the outer metallization, the piezo film stretches in the direction of the applied field. The mechanical series connection of the individual piezo films achieves the so-called nominal expansion of the entire stack even at relatively low voltages.
  • a contacting method is known from EP 0 844 678 A1, by means of which a piezo ceramic can be contacted in such a way that the piezo actuator is not destroyed even under high dynamic loads.
  • a three-dimensionally structured electrically conductive electrode is connected to the base metallization of the piezoceramic via partial contact points. It is designed to be stretchable between the contact points. This arrangement ensures that the operating current of the actuator is divided into secondary currents, these flowing from the contact points via the base metallization to the metallic island electrodes. This ensures that even dynamic loading of the piezo actuator does not lead to its destruction.
  • the contacting is technically complex and expensive to implement.
  • the object of the present invention is therefore to propose a piezo actuator and a method for its production, which can be contacted electrically easily and inexpensively.
  • the piezo actuator accordingly has a piezo ceramic which expands when a voltage is applied.
  • Contacts are provided to apply the voltage to the piezoceramic. These contacts are designed as curved shaped sheets, the shaped sheets having spaced-apart contact surfaces which form the contact.
  • the shaped sheet is bent.
  • the bending of the shaped sheets is designed such that the contact surfaces bear against the piezoceramic with a defined force.
  • the contact area Chen on the shaped plate can be designed so that they form two contact tracks extending in the longitudinal direction of the shaped plate, which are spaced apart. The contact tracks thus extend in the longitudinal direction of the piezoceramic.
  • the shaped sheets can be attached to the outer surface of a plastic cage.
  • the piezoceramic is positioned in the interior of the plastic cage in such a way that the contact surfaces of the shaped sheets touch a metallization of the piezoceramic.
  • the contact surfaces are formed on a bent shaped sheet.
  • the contact surfaces are spaced apart from one another.
  • the shaped sheet is attached to the outer surface of a plastic cage.
  • the piezoceramic is pushed into the interior of the plastic cage in such a way that the contact surfaces lie against a metallization of the piezoceramic.
  • the shaped sheets are preferably bent in such a way that the contact surfaces rest with a defined force after the piezoceramic has been inserted into the plastic cage.
  • the mold plates can be etched for better contact making.
  • the shaped sheets can be attached to the outside of the plastic cage in particular by caulking.
  • the shaped sheets are bent in such a way that the contact surfaces press against the metallization running laterally on the piezoceramic with a predetermined force.
  • the contact surfaces are preferably stationary with respect to the contact surfaces of the metallization, so that advantageously no frictional relative movement between contact surfaces (30, 32) and metallization occurs when the piezoceramic is deflected axially. which could lead to a temporary interruption of contact.
  • the piezoceramic With this modular structure of the contacting and the design as a sliding contact, the piezoceramic can be contacted without having to solder the individual contact points.
  • the modular structure and the insertion of the components into one another make it possible for the piezo actuator to be simple and inexpensive to produce, since complicated work steps can be dispensed with and simple materials can be used.
  • Fig. 1 a schematic view of the individual components of the piezo actuator
  • Fig. 2 a fully assembled piezo actuator
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual components of the piezo actuator 10 (FIG. 2).
  • two shaped plates 12 are made available.
  • the two shaped plates 12 are bent and preferably etched.
  • a plastic cage 14 having an outer surface 16 and a cavity 18 is also provided.
  • the bending of the shaped sheets 12 is carried out in such a way that the sheets 12 can be attached to the outer surface 16, the plastic cage 14 being encased.
  • attachment points 20 are preferably provided on the surface 16 of the plastic cage 14, with the aid of which the shaped sheets can be attached.
  • counterparts to the fastening points 20 are provided on the shaped sheets 12, for example in the form of cavities or holes 22. So that can the shaped sheets are, for example, caulked at the fastening points 20.
  • Contact wires 24 can also be attached to the shaped sheets 12, in particular soldered or welded on.
  • a piezoceramic 26 can be inserted into the cavity 18 of the plastic cage 14.
  • the outer shape of the piezoceramic 26 is adapted to the shape of the cavity 18. In order to be able to contact the piezoceramic 26, it has at least one partial area 28 which is metallized.
  • the piezo actuator 10 produced in this way has curved shaped plates 12 which are applied to the outside of the plastic cage 14.
  • the piezoceramic 26 is introduced into an inner cavity of the plastic cage 14.
  • contact wires 24 can be mounted on the outer surfaces of the shaped plates 12.
  • the piezo actuator produced in this way can then be wrapped with an insulating film and, if necessary, completed to form an actuator unit.
  • the contact surfaces 30 and 32 are preferably arranged such that the contact surfaces 30 form a first contact path 36 and the contact surfaces 32 form a second contact path 34.
  • the contact surfaces 30 and 32 In the direction of extension of the piezoceramic 26, the contact surfaces 30 and 32 have a certain overlap, so that there is a connection to the piezoceramic at every point in the metallization 28.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Zur Herstellung eines Piezoaktors (10) ist es erforderlich, Kontaktierungen vorzusehen. Üblicherweise werden diese Kontaktierungen angelötet. Um das Kontaktierungsverfahren zu vereinfachen werden die Kontaktierungen als Kontaktflächen (30,32) an einem Formblech (12) ausgebildet, wobei die Formbleche (12) an der Aussenfläche (16) eines Kunststoffkäfigs (14) befestigt werden. In einem Hohlraum (18) des Kunststoffkäfigs (14) wird die Piezokeramik (26) eingeschoben.

Description

Beschreibung
Kontaktierter Piezoaktor
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einer Piezokera- mik, die sich beim Anlegen einer Spannung ausdehnen kann und einer Kontaktierung, die an der Piezokeramik anliegt sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Beim Einsatz derartiger piezo-elektrischer Bauteile, die insbesondere aus Piezokeramiken hergestellt sind, wird der Effekt genutzt, dass diese beim Anlegen eines mechanischen Drucks oder Zuges eine Spannung erzeugen oder umgekehrt, beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezoaktor eine Ausdehnung des Aktors erreicht werden kann. Um die nutzbare Ausdehnungslänge zu vergrößern, werden monolithische Viel- schichtaktoren verwendet, die aus einem gesinterten Stapel dünner Folien aus Piezokeramik mit eingelagerten Innenelektroden bestehen. Die Innenelektroden sind wechselseitig aus dem Stapel herausgeführt und über Außenelektroden elektrisch parallel geschaltet. Bevorzugt wird auf beiden Kontaktseiten des Stapels jeweils eine streifen- oder bandförmige durchgehende Außenmetallisierung aufgebracht. Die Außenmetallisierung ist mit allen Innenelektroden gleicher Polarität verbun- den. Zwischen der Außenmetallisierung und den elektrischen
Anschlüssen wird häufig noch eine in vielen Formen ausführbare eiterkontaktierung vorgesehen. Legt man nun eine elektrische Spannung an die Außenmetallisierung an, so dehnt sich die Piezofolie in Richtung des angelegten Feldes. Durch die mechanische Serienschaltung der einzelnen Piezofolien wird die sogenannte Nenndehnung des gesamten Stapels schon bei relativ niedrigen Spannungen erreicht.
Aus der EP 0 844 678 AI ist ein Kontaktierungsverfahren be- kannt, mit dessen Hilfe eine Piezokeramik so kontaktiert werde kann, dass auch bei hohen dynamischen Belastungen keine Zerstörung des Piezoaktors eintritt. Hierzu wird zwischen der Grundmetallisierung der Piezokeramik und den Anschlusselementen eine dreidimensional strukturierte elektrisch leitende E- lektrode angeordnet. Diese Elektrode ist über partielle Kontaktstellen mit der Grundmetallisierung der Piezokeramik ver- bunden. Zwischen den Kontaktstellen ist sie dehnbar ausgebildet. Mit dieser Anordnung ist gewährleistet, dass der Betriebsstrom des Aktors in Nebenströme aufgeteilt wird, wobei diese von den Kontaktstellen über die Grundmetallisierung zu den metallischen Inselelektroden fließen. Somit kann gewähr- leistet werden, dass auch eine dynamische Belastung des Pie- zoaktors nicht zu seiner Zerstörung führt. Dabei ist die Kon- taktierung allerdings technisch komplex und teuer in seiner Ausführung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Piezoaktor und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, der einfach und kostengünstig elektrisch kontaktiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch diem Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der Piezoaktor weist entsprechend eine Piezokeramik auf, die sich beim Anlegen einer Spannung ausdehnt. Kontaktierungen sind vorgesehen, um die Spannung an der Piezokeramik anzulegen. Diese Kontaktierungen sind dabei als gebogene Formbleche ausgeführt, wobei die Formbleche voneinander beabstandete Kontaktflächen aufweisen, die die Kontaktierung bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Formblech gebogen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Biegung der Formbleche so ausgestaltet, dass die Kontaktflächen mit einer definierten Kraft an der Piezokeramik anliegen.
An der Piezokeramik ist eine Metallisierung vorgesehen, die mit den Kontaktflächen in Verbindung steh . Die Kontaktflä chen an dem Formblech können so ausgeführt sein, dass sie zwei in Längsrichtung des Formbleches verlaufende Kontaktbahnen bilden, die voneinander beabstandet sind. Damit erstrecken sich die Kontaktbahnen in Längsrichtung der Piezokera- mik.
Weiterhin können die Formbleche an der Außenfläche eines Kunststoffkäfigs befestigt werden. Die Piezokeramik wird in dieser Ausführungsform im Inneren des Kunststoffkäfigs so po- sitioniert, dass die Kontaktflächen der Formbleche eine Metallisierung der Piezokeramik berühren.
Zur Herstellung des Piezoaktors werden die Kontaktflächen an einem gebogenen Formblech ausgebildet. Die Kontaktflächen sind dabei voneinander beabstandet. Das Formblech wird an der Außenfläche eines Kunststoffkäfigs befestigt. Die Piezokeramik wird in das Innere des Kunststoffkäfigs so eingeschoben, dass die Kontaktflächen an einer Metallisierung der Piezokeramik anliegen.
Bevorzugt werden die Formbleche so gebogen, dass die Kontaktflächen nach dem Einschieben der Piezokeramik in den Kunststoffkäfig mit einer definierten Kraft anliegen.
Die Formbleche können zur besseren Kontaktherstellung geätzt werden. Die Befestigung der Formbleche an der Außenseite des Kunststoffkäfigs kann insbesondere durch Verstemmen erfolgen.
Die Formbleche sind so gebogen, dass sich die Kontaktflächen mit einer vorgegebenen Kraft an die seitlich an der Piezokeramik verlaufenden Metallisierung pressen. Die Kontaktflächen sind dabei vorzugsweise ortsfest im Bezug auf die Berührflächen der Metallisierung sind, so dass vorteilhaft bei axialer Auslenkung der Piezokeramik keine reibende Relativbewegung zwischen Kontaktflächen (30,32) und Metallisierung entsteht, was zur zeitweisen Unterbrechung der Kontaktierung führen könnte .
Mit diesem modularen Aufbau der Kontaktierung und der Ausführung als Schleifkontakt kann die Piezokeramik kontaktiert werden, ohne, dass eine Löten der einzelnen Kontaktstellen erforderlich ist. Der modulare Aufbau und das Einschieben der Komponenten ineinander ermöglicht es, dass der Piezoaktor einfach und kostengünstig herstellbar ist, da auf komplizierte Arbeitsschritte verzichtet und auf einfache Materialien zurückgegriffen werden kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibungsteile. Es zeigen im Einzelnen:
Fig. 1: eine schematische Ansicht der Einzelkomponenten des Piezoaktors
Fig. 2: einen fertig montierten Piezoaktor
Fig. 3: einen vergrößerten Ausschnitt der an den Piezoaktor anliegenden Kontaktflächen.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die einzelnen Komponenten des Piezoaktors 10 (Fig. 2) . Dabei werden zunächst zwei Formbleche 12 zur Verfügung gestellt. Die beiden Formbleche 12 sind gebogen und bevorzugt geätzt. Ein Kunststoffkäfig 14, der eine Außenfläche 16 und einen Hohlraum 18 aufweist, wird ebenfalls bereitgestellt. Die Biegung der Formbleche 12 wird dabei so ausgeführt, dass die Bleche 12 an der Außenfläche 16 angebracht werden können, wobei der Kunststoffkäfig 14 umhüllt wird. Zum Anbringen der Formbleche 12 sind an der Oberfläche 16 des Kunststoffkäfigs 14 bevorzugt Befestigungspunkte 20 vorgesehen, mit deren Hilfe die Form- bleche befestigt werden können. Hierzu sind an den Formblechen 12 Gegenstücke zu den Befestigungspunkten 20 etwa in Form von Hohlräumen oder Löchern 22 vorgesehen. Damit können die Formbleche an den Befestigungspunkten 20 beispielsweis- verstemmt werden. An den Formblechen 12 können weiterhin Kontaktdrähte 24 angebracht, insbesondere gelötet oder angeschweißt werden.
In den Hohlraum 18 des Kunststoffkäfigs 14 kann eine Piezokeramik 26 eingeschoben werden. Die äußere Form der Piezokeramik 26 ist dabei an die Form des Hohlraums 18 angepasst. Um die Piezokeramik 26 kontaktieren zu können weist sie zumin- dest einen Teilbereich 28 auf, der metallisiert ist.
Da die Biegung der Formbleche 12 so vorgesehen ist, dass die Kontaktflächen 30,32 mit einer definierten Kraft an der Metallisierung 28 anliegen, kann bereits mit dem Einschieben der Piezokeramik 26 eine Kontaktierung an der Metallisierung 28 hergestellt werden. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Kontaktierung durch Löten von einzelnen Kontaktstellen zustande gebracht wird.
Wie der Figur 2 zu entnehmen ist, weist der so hergestellte Piezoaktor 10 gebogene Formbleche 12 auf, die auf den Kunststoffkäfig 14 außen aufgebracht sind. In einem inneren Hohlraum des Kunststoff äfigs 14 ist die Piezokeramik 26 eingebracht. Zur Kontaktierung des Piezoaktors 10 können Kontakt- drahte 24 an den Außenflächen der Formbleche 12 montiert sein. Der so hergestellt Piezoaktor kann anschließend mit einer isolierenden Folie umwickelt und so weit erforderlich zu einer Aktoreinheit komplettiert werden.
Wie in der vergrößerten Darstellung der Figur 3 dargestellt ist, sind die Kontaktflächen 30 und 32 bevorzugt so angeordnet, dass die Kontaktflächen 30 eine erste Kontaktbahn 36 und die Kontaktflächen 32 eine zweite Kontaktbahn 34 bilden. In Erstreckungsrichtung der Piezokeramik 26 weisen die Kontakt- flächen 30 und 32 eine gewisse Überdeckung auf, sodass an jeder Stelle der Metallisierung 28 eine Verbindung zur Piezokeramik besteht.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoaktor (10) mit einer Piezokeramik (26), die sich beim Anlegen einer Spannung ausdehnen kann und Kontaktierungen, die an der Piezokeramik (26) anliegen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kontaktierungen als Formbleche (12) ausgeführt sind, die voneinander beabstandete Kontaktflächen (30,32) aufweisen.
2. Piezoaktor (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Formbleche (12) gebogen sind.
3. Piezoaktor (10) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Formbleche (12) so gebogen sind, dass sich die Kontaktflächen (30,32) mit einer vorgegebenen Kraft an der Piezokeramik (26) zum Bilden eines elektrischen Kontakts pressen.
4. Piezoaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass an der Piezokeramik (26) eine vorzugsweise seitlich entlang der Piezolängsachse verlaufende Metallisierung (28) vorgesehen ist, an der die Kontaktflächen (30,32) anliegen, wobei die Kontaktflächen vorzugsweise ortsfest im Bezug auf die Berührflächen der Metallisierung (28) sind, so dass bei axialer Auslenkung der Piezokeramik (10) keine reibende Relativbewegung zwischen Kontaktflächen (30,32) und Metallisierung entsteht.
5. Piezoaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (30,32) so ausgeführt sind, dass die ersten Kontaktflächen (30) eine erste Kontaktbahn (36) und die zweiten Kontaktflächen (32) eine zweite Kontaktbahn (34) bilden.
6. Piezoaktor (10) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kontaktflächen (30,32) der beiden Kontaktbahnen (34,36) in Längsrichtung der Piezokeramik (26) erstrecken.
7. Piezoaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Formbleche (12) an einer Außenfläche (18) eines Kunststoffkäfigs (14) befestigt sind und die Piezokeramik (26) in einem Hohlraum (18) des Kunststoffkäfigs positioniert ist.
8. Piezoaktor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formbleche (12) an Befestigungspunkten (20) des bzw. eines Kunststoffkäfigs (14) befestigt, vorzugsweise verstemmt sind.
9. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors (10) mit einer Piezokeramik (26) und einer Kontaktierung dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung als Kontaktflächen (30,32) an einem gebogenen Formbleche (12) ausgebildet werden, wobei die Kontaktflächen (30,32) voneinander beabstandet sind, die Formbleche (12) an der Außenfläche (18) eines Kunststoffkäfigs (14) befestigt wird und die Piezokeramik (26) in einen Hohlraum (18) des Kunststoffkäfigs (14) so eingeschoben wird, dass die Kontaktflächen (30,32) an einer Metallisierung (28) der Piezokeramik (26) anliegen.
10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Formbleche (12) so gebogen werden, dass sie nach dem Einschieben der Piezokeramik (26) mit einer definierten Kraft anliegen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Formbleche (12) geätzt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 dadurch ge- kennzeichnet, dass die Formbleche (12) an Befestigungspunkten
(20) des Kunststoffkäfigs (14) befestigt, insbesondere verstemmt werden.
PCT/EP2004/051015 2003-09-08 2004-06-03 Kontaktierter piezoaktor WO2005027235A1 (de)

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US (1) US7605520B2 (de)
EP (1) EP1665403A1 (de)
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DE (1) DE10341333B4 (de)
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