WO2012080381A1 - Piezoaktor - Google Patents

Piezoaktor Download PDF

Info

Publication number
WO2012080381A1
WO2012080381A1 PCT/EP2011/072855 EP2011072855W WO2012080381A1 WO 2012080381 A1 WO2012080381 A1 WO 2012080381A1 EP 2011072855 W EP2011072855 W EP 2011072855W WO 2012080381 A1 WO2012080381 A1 WO 2012080381A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoelectric actuator
metal coating
wire
coatings
layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/072855
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Hedrich
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2012080381A1 publication Critical patent/WO2012080381A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
    • 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
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/03—Assembling devices that include piezoelectric or electrostrictive parts
    • 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
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/06—Forming electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/063—Forming interconnections, e.g. connection electrodes of multilayered piezoelectric or electrostrictive parts
    • 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 piezoelectric actuator, as used in particular for the placement of valves and other movable elements in automotive technology.
  • the piezoelectric actuator 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.
  • a layer electrode that is to say a metallic electrode, is present. 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.
  • a piezoelectric actuator which consists of a plurality of ceramic layers with layer electrodes arranged therebetween.
  • 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.
  • a piezoelectric actuator is also known, in which the piezoelectric actuator to be contacted is inserted into a mounting receptacle and this mounting unit then with an electrically conductive Wire is wound. Subsequently, the wire is connected to pins, so that an electrical connection is made to the piezo stack.
  • a piezoelectric actuator which has a contact lug for electrically contacting 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 about In addition, a relatively cheap material can be used, which further reduces the cost.
  • 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.
  • Layer electrode which are electrically connected in alternation with a first or a second outer electrode, the production in a first step by providing the piezo stack with a plurality of piezo layers, each with a layer electrode between the individual piezo layers.
  • 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.
  • 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 such that only one electrical connection exists between the wire and the metal coating. see the partial coatings of the metal coating remains.
  • the piezoelectric actuator can be produced inexpensively and quickly, with a high production reliability is achieved.
  • the electrical connection between the wire and the partial coating is advantageously produced by a soldering process, for example by thermode or
  • the drawing shows a piezoactuator according to the invention and an illustration of the production method according to the invention. It shows
  • FIG. 1 shows a piezoelectric actuator, as is known from the prior art, Figure 2a to
  • FIG. 2d shows the production process steps and a finished piezoactuator according to the inventive method
  • FIG. 3 c shows various embodiments of piezoactuators according to the invention.
  • FIG. 1 shows a piezoactuator, as known from the prior art.
  • the piezoelectric actuator 1 comprises a piezo stack, which is composed of a plurality of piezo layers 3. Between each two piezo layers 3 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, not shown in the drawing page of the piezoelectric actuator.
  • a first outer electrode 4 is applied to the surface of the piezo stack, and a second outer electrode 4 'is applied to the opposite side of the piezo stack.
  • 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 guided on this side of the piezo stack to the surface, produces.
  • 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.
  • tissue electrode 10 is additionally necessary for electrical contacting with electrical connections 8, 9. This consists of a wire mesh, which is connected to the electrical terminals 8, 9 and is connected by soldering or by another connection electrically connected to the metal coating 7.
  • the tissue electrode 10 in this case has sufficient flexibility to follow the movement of the piezoelectric actuator 1 during contraction and expansion.
  • an electrical voltage is applied to the electrical connections 8, 9.
  • one half of the layer electrodes 5 are connected to one of the electrical connections 8, 9 via the fabric electrodes 10, 10 'and the outer electrodes 4, 4', so that between each two adjacent layer electrodes 5 an electrical voltage prevails.
  • an inventive manufacturing method and an inventive piezoelectric actuator 1 is shown in Figure 2a to 2d, in which the metal coating 7 is minimized, without affecting the reliability is impaired.
  • the piezo stack is provided with two partial coatings 17, which have a strip-like shape and extend parallel to one another, as shown in FIG. 2a.
  • the partial coatings 17 produce the electrical contact with the respective layer electrodes, which are not shown in FIG. 2a for the sake of clarity.
  • the piezoactuator 1 is clamped in a centering unit 12.
  • the centering unit 12 has guide elements 14 which are mounted on the outside of the centering unit 12 and which serve to guide a wire, via which the electrical connection is made.
  • the wire is threaded into the guide element 14 and the centering unit 12 is subsequently rotated about a longitudinal axis 13.
  • the centering unit 12 is moved in accordance with the direction of movement 22 of FIG. 2 b, so that the wire 20 wraps around the piezoactuator 1.
  • the wire 20 In a subsequent process step, the wire 20 must be electrically connected to the partial coatings 17. This is done for example via a soldering process, such as by Termodenlöten, laser soldering or other soldering processes, through which an electrical connection between the wire 20 and the partial coatings 17 can be made. Once this has been done, the wire 20 is severed so that only the electrical connections between the partial coatings 17 remain. Thus, both the partial coatings 17 with each other, as well as the various 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 performed on both sides of the piezoelectric actuator, as shown in Figure 2d, so that ultimately two outer electrodes 4, 4 'are formed.
  • the wire may be wound more tightly in a connection region 21 so as to facilitate the attachment of the electrical connection.
  • this area is shown in the lower part of the piezoelectric actuator 1, where the wires are wound particularly tightly.
  • FIG. 3 a shows a first possibility of how the wire 20 can be wound around the piezoactuator in order ultimately to establish the electrical connection between the partial coatings 17. In this case, the wire 20 is stretched in relatively large distances between the partial coatings 17.
  • FIG. 3b shows a further exemplary embodiment in which the wires 20 are wound more tightly and
  • FIG. 3c shows a further exemplary embodiment in which the wires are wound even closer around the piezoactuator in order to ensure secure connection of the partial coatings to the electrical connection to reach.
  • the wire 20 which is used to connect 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.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

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.

Description

Beschreibung
Titel
Piezoaktor
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, wie er insbesondere zum Stellen von Ventilen und sonstigen beweglichen Elementen in der Kraftfahrzeugtechnik Verwendung findet.
Stand der Technik
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.
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 Elekt- rodenschicht, 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.
Die Kontaktierung dieser Schichtelektroden erfolgt in der Weise, dass die Schichtelektroden abwechselnd an gegenüberliegende Oberflächen des Piezo- aktors 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.
Zur Ausbildung dieser Gewebeelektrode sind verschiedene Designs vorgeschlagen worden. So ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2006 026 643 AI 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.
Aus der Schrift WO 2005/035971 AI 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.
Aus der Offenlegungsschrift DE 199 30 585 AI 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.
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.
Offenbarung der Erfindung
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 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 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.
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 zwi- sehen 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 Teil- beschichtung durch ein Lötprozess hergestellt, etwa durch Thermoden- oder
Dampfphasenlöten.
Zeichnungen In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Piezoaktor und eine Illustration des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt. Es zeigt
Figur 1 einen Piezoaktor, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, Figur 2a bis
Figur 2d die Herstellungsprozessschritte und einen fertigen Piezoaktor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und
Figur 3a bis
Figur 3c verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Piezoak- toren.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 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.
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.
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.
Um die Metallbeschichtung 7 möglichst klein zu halten, ist in Figur 2a bis 2d ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren und ein erfindungsgemäßer Piezoak- tor 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 Figur 2a dargestellt. Die Teilbeschichtungen 17 stellen hierbei, wie die Metallbeschichtung 7 bei dem in Figur 1 gezeigten Pie- zoaktor, den elektrischen Kontakt zu den jeweiligen Schichtelektroden her, die in der Figur 2a der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. 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 Figur 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 Figur 2b bewegt, so dass der Draht 20 den Piezoaktor 1 umwickelt. Nach Beendigung dieses Prozessschritts ist der Zustand erreicht, der in Figur 2c dargestellt ist.
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 Figur 2d dargestellt, so dass letztendlich zwei Außenelektroden 4, 4' gebildet werden.
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 Figur 2d ist dieser Bereich im unteren Bereich des Piezoaktors 1 dargestellt, wo die Drähte besonders dicht gewickelt sind.
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 Figur 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 Figur 3b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Drähte 20 dichter gewickelt sind und Figur 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 An- schluss zu erreichen.
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.

Claims

Ansprüche
1. 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; T) wenigstens einer Außenelektrode (4; 4') zwei Teilbeschichtungen (17) umfasst, die durch elektrisch leitende Drähte (20) elektrisch miteinander verbunden sind.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Metallbe- schichtungen (7; 7') aus jeweils zwei Teilbeschichtungen (17; 17') bestehen, die durch elektrisch leitende Drähte (20) elektrisch verbunden sind.
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) um- fasst,
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.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Draht (20) und der Metallbeschichtung (7) durch Thermoden- oder Dampfphasenlöten hergestellt wird.
PCT/EP2011/072855 2010-12-17 2011-12-15 Piezoaktor WO2012080381A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010063385.2 2010-12-17
DE102010063385A DE102010063385A1 (de) 2010-12-17 2010-12-17 Piezoaktor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012080381A1 true WO2012080381A1 (de) 2012-06-21

Family

ID=45406724

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2011/072855 WO2012080381A1 (de) 2010-12-17 2011-12-15 Piezoaktor

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102010063385A1 (de)
WO (1) WO2012080381A1 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4223217A3 (de) 2016-08-12 2023-12-27 Apple Inc. Vitalparameterüberwachungssystem
CN110612060B (zh) * 2017-05-22 2022-09-02 苹果公司 用于生理测量的多元件压电传感器
CN109087622B (zh) * 2018-10-12 2024-04-16 广州博创乐器有限公司 一种便携式电木鼓

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61272984A (ja) * 1985-05-28 1986-12-03 Nec Corp 電歪効果素子
US5523645A (en) * 1991-05-09 1996-06-04 Nec Corporation Electrostrictive effect element and methods of producing the same
DE19930585A1 (de) 1998-08-06 2000-02-10 Siemens Matsushita Components Piezoaktor mit verbesserter elektrischer Kontaktierung und Verwendung eines derartigen Piezoaktors
DE102004012284A1 (de) * 2003-03-13 2004-12-09 Denso Corp., Kariya Piezoelektrisches Schichtelement
WO2005035971A1 (de) 2003-10-14 2005-04-21 Siemens Aktiengesellschaft Piezoaktor und zugehöriges herstellungsverfahren
WO2005048365A1 (de) * 2003-11-12 2005-05-26 Siemens Aktiengesellschaft Kontaktierung für einen aktor und zugehöriges herstellungsverfahren
US20060232172A1 (en) * 2005-04-18 2006-10-19 Denso Corporation Laminated-type piezoelectric element
DE102006026643A1 (de) 2006-06-08 2007-12-13 Robert Bosch Gmbh Piezoelekterischer Aktor
US20080007144A1 (en) * 2006-03-31 2008-01-10 Shodo Takei Piezoelectric Actuator
DE102009029571A1 (de) * 2009-09-18 2011-03-24 Robert Bosch Gmbh Piezoaktor mit einem multifunktionalen Innenelektrodenaufbau

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61272984A (ja) * 1985-05-28 1986-12-03 Nec Corp 電歪効果素子
US5523645A (en) * 1991-05-09 1996-06-04 Nec Corporation Electrostrictive effect element and methods of producing the same
DE19930585A1 (de) 1998-08-06 2000-02-10 Siemens Matsushita Components Piezoaktor mit verbesserter elektrischer Kontaktierung und Verwendung eines derartigen Piezoaktors
DE102004012284A1 (de) * 2003-03-13 2004-12-09 Denso Corp., Kariya Piezoelektrisches Schichtelement
WO2005035971A1 (de) 2003-10-14 2005-04-21 Siemens Aktiengesellschaft Piezoaktor und zugehöriges herstellungsverfahren
WO2005048365A1 (de) * 2003-11-12 2005-05-26 Siemens Aktiengesellschaft Kontaktierung für einen aktor und zugehöriges herstellungsverfahren
US20060232172A1 (en) * 2005-04-18 2006-10-19 Denso Corporation Laminated-type piezoelectric element
US20080007144A1 (en) * 2006-03-31 2008-01-10 Shodo Takei Piezoelectric Actuator
DE102006026643A1 (de) 2006-06-08 2007-12-13 Robert Bosch Gmbh Piezoelekterischer Aktor
DE102009029571A1 (de) * 2009-09-18 2011-03-24 Robert Bosch Gmbh Piezoaktor mit einem multifunktionalen Innenelektrodenaufbau

Also Published As

Publication number Publication date
DE102010063385A1 (de) 2012-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1741162B1 (de) Elektrische funktionseinheit und verfahren zu deren herstellung
WO2007087912A1 (de) Verfahren zum elektrischen kontaktieren eines elektronischen bauelements
DE10026635A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Lotverbindung, elektrotechnisches Erzeugnis mit der Lotverbindung und Verwendung des elektrotechnischen Erzeugnisses
DE112012002066T5 (de) Verfahren zur Anpassung eines Hubs eines Kraftstoffeinspritzventils und ein Kraftstoffeinspritzventil
DE102004015574A1 (de) Geschichtetes piezoelektrisches Element mit zuverlässiger elektrischer Verbindung
EP2757261B1 (de) Aktuator
WO2012080381A1 (de) Piezoaktor
EP1384272B1 (de) Weiterkontaktierung für ein elektrisches bauteil sowie piezoelektrisches bauteil in vielschichtbauweise
EP1682772B1 (de) Kontaktierungsmatte f r einen aktor und zugeh riges her stellungsverfahren
EP1405372B1 (de) Weiterkontaktierung für ein piezoelektrisches bauteil in vielschichtbauweise
EP2396535B1 (de) Piezoelektrischer aktor, verfahren zur herstellung des aktors und injektor
EP2798679B1 (de) Piezostack mit passivierung und verfahren zur passivierung eines piezostacks
EP1929620A1 (de) Anordnung mit einem piezoaktor und ein verfahren zu dessen herstellung
EP1595293B1 (de) Kontaktierung für einen aktor und zugehöriges herstellungsverfahren
DE102015211937A1 (de) Piezoaktormodul, Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktormoduls und Piezoinjektor
EP2034533A1 (de) Piezoaktormodul mit mehreren untereinander verbundenen Piezoaktoren
EP2011169B1 (de) Piezoaktor mit aussen kontaktierten innenelektroden eines piezoelements
DE102009002876A1 (de) Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung und Herstellungsverfahren hierfür
DE102005044391B4 (de) Piezoaktor mit verbesserter Kontaktierung des Aktorkörpers mit den Kontaktstiften
EP1564823B1 (de) Kontaktierungsmatte für einen Aktor, Positionierungshilfe hierfür und zugehöriges Verfahren
EP1798782B1 (de) Piezoaktuator und Verfahren zum Herstellen eines Piezostapels
WO2004107464A1 (de) Elektrotechnisches erzeugnis und verfahren zur herstellung des erzeugnisses
DE102015212993A1 (de) Piezoaktormodul und Verfahren zu dessen Herstellung
EP1968126A2 (de) Verfahren zur Herstellung einer Schutzummantelung für einen Piezoaktor sowie Schutzummantelung für einen Piezoaktor
DE102008051932A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Piezokörpers

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11801694

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11801694

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1