DE10024701A1

DE10024701A1 - Piezo actuator

Info

Publication number: DE10024701A1
Application number: DE10024701A
Authority: DE
Inventors: Thomas Biesinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2001-11-29
Also published as: WO2001089002A1

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

State 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 like a valve or the like, according to the generic characteristics of Main claim.

Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des soge nannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung er folgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebe reiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.It is generally known that using the so-called called piezo effect a piezo element made of one material with a suitable crystal structure can. When an external electrical voltage is applied follows a mechanical reaction of the piezo element, which in Dependence on the crystal structure and the plant range of electrical tension a push or pull in represents a predeterminable direction.

Da die erforderlichen elektrischen Feldstärken zur Betä tigung des Piezoaktors im Bereich von mehreren kV/mm lie gen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, erfolgt der Aufbau dieses Piezoaktors hier in mehreren Schichten von übereinander gestapelten 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 Außen elektroden 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 Schalt ventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeu gen vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Piezoaktors zur Positio nierung eines Steuerventils genutzt, das wiederum den Hub einer Düsennadel regelt.Since the required electrical field strengths for Betä the piezo actuator lies in the range of several kV / mm conditions and usually moderate electrical voltages Control is desired, this is done Piezo actuator here in several layers from one another stacked metallized piezoceramics to a so-called Multilayer actuator. For this purpose, between the Layers of internal electrodes available, the z. B. with a Printing processes are applied and it's outside electrodes available, through which the electrical voltage is created. Because of this extremely fast and accurate Adjustable stroke effect can be used to build such piezo actuators of actuators, for example for driving switching valves in fuel injection systems in motor vehicles conditions are provided. Here the voltage or Charge-controlled deflection of the piezo actuator to the position used a control valve, which in turn the stroke regulates a nozzle needle.

Beispielsweise ist aus der EP 0 844 678 A1 ein solcher Piezoaktor bekannt, bei dem zwei, an jeweils gegenüber liegenden Seiten des Piezoaktorblocks angebrachte, Außen elektroden unterschiedlicher Polarität vorhanden sind. Bei einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktie rung der Innenelektroden mit den seitlichen Außenelektro den erfolgt die jeweilige Kontaktierung in dem Bereich, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innen elektrode an die Außenseite herangeführt ist.EP 0 844 678 A1, for example, is one such Piezo actuator known, in which two, each opposite attached sides of the piezo actuator block, outside electrodes of different polarity are present. With a contact that changes from layer to layer tion of the internal electrodes with the lateral external electrodes The respective contacting takes place in the area in which there is no interior in the adjacent layer electrode is brought up to the outside.

Advantages of the invention

Der eingangs beschriebene gattungsgemäße Piezoaktor ist mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und in einem piezoelektrisch aktiven Bereich zwischen den Lagen ange ordneten Innenelektroden aufgebaut und mit einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innen elektroden, zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, versehen. Gemäß der kennzeichnenden Merkmale sind in vorteilhafter Weise die jeweils zusammengehörig kontaktierten Innenelektroden über wechselseitig zu den jeweils anderen Innenelektroden isoliert angeordnete in nenliegende Durchkontaktierungen, z. B. in einer sogenann ten Via-Technik, in den Piezolagen elektrisch miteinander verbunden. Die Innenelektroden sind dabei bis auf die äu ßeren Anschlusskontakte durch Einsintern abgedeckt.The generic actuator described above is with a multi-layer structure of piezo layers and in one Piezoelectrically active area between the layers arranged internal electrodes and with one of Layer-to-layer contacting of the inside electrodes, for the application of an electrical Tension, provided. According to the characteristic features are advantageously associated with each other contacted internal electrodes alternately to the each other internal electrodes arranged insulated in Nine vias, e.g. B. in a so-called via technology, electrically interconnected in the piezo layers connected. The inner electrodes are except for the outer Outer connection contacts covered by sintering.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anschlusskontakte für die Zuführung der elektrischen Spannung an den Stirn seiten des Piezoaktors angeordnet sind, wobei die An schlusskontakte bevorzugt metallisierte Flächen sind, die mittels Klemmen kontaktiert werden. Durch die stirnseiti ge Kontaktierung kann mit verschiedenen Aktorformen, z. B. quaderförmig, beliebiges Vieleck, zylindrisch oder hohl zylindrisch, der Einbauraum minimiert werden. Eine even tuell notwendige Vorspannkraft beim Einbau des Piezoak tors in ein Aggregat kann hierbei gleichzeitg als Kontak tierkraft verwendet werden.It is particularly advantageous if the connection contacts for supplying the electrical voltage to the forehead sides of the piezo actuator are arranged, the An final contacts are preferably metallized surfaces that be contacted by means of terminals. Through the front Ge contact can be made with different actuator shapes, e.g. B. cuboid, any polygon, cylindrical or hollow cylindrical, the installation space can be minimized. An even Tension force required when installing the piezo actuator tors in an aggregate can be used simultaneously as a contact animal power can be used.

Vorteilhaft ist es außerdem, wenn an den im Lagenaufbau am Ende liegenden Bereiche eine oder mehrere piezoelekt risch neutrale Folien angeordnet sind, wobei die äußeren Anschlusskontakte auf diesen Folien angebracht sind. Da durch, dass die Anschlüsse damit nicht im aktiven Bereich des Piezoaktors angeordnet sind, treten keine mechani schen Spannungen durch den Aktorhub in den Anschlusskon takten auf.It is also advantageous if the layer structure areas at the end one or more piezoelect risch neutral foils are arranged, the outer Connection contacts are attached to these foils. There through that the connectors are not in the active area the piezo actuator are arranged, no mechani occur tensions caused by the actuator stroke in the connection con clock up.

Um eine mechanische Schwächung des Piezoaktors durch e ventuell übereinanderliegende Durchkontaktierungen zu re duzieren, können die Durchkontaktierungen auf einfache Weise im Lagenaufbau von Schicht zu Schicht an einem Lochkreisdurchmesser versetzt zueinander angeordnet wer den.In order to mechanically weaken the piezo actuator by e through-holes that may be superimposed to the right can reduce the vias on simple Way in layer build-up from layer to layer on one Pitch circle diameter offset from each other who the.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen 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 mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.These and other features of preferred training gene of the invention go out not only from the claims the description and the drawings, the individual characteristics individually or for more ren in the form of sub-combinations in the execution form of the invention and realized in other fields his and advantageous as well as protectable execution represent representations for which protection is claimed here becomes.

drawing

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Embodiments of the piezo actuator according to the invention are explained using the drawing. Show it:

Fig. 1 eine Ansicht eines zylindrischen Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokera mik; Figure 1 is a view of a cylindrical piezo actuator with a multilayer structure of layers of Piezokera mic.

Fig. 2 eine Ansicht eines quaderförmigen Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokera mik Fig. 3 eine Ansicht eines hohlzylindrischen Piezoak tors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezo keramik und Fig. 2 is a view of a cuboid piezo actuator with a multi-layer structure of layers from Piezokera mik . Fig. 3 is a view of a hollow cylindrical Piezoak gate with a multi-layer structure of layers of piezo ceramic and

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit ei ner Detailansicht von Innenelektroden und Durchkon taktierungen in den Piezolagen. Fig. 4 shows a section through a piezo actuator with egg ner detailed view of internal electrodes and through contacts in the piezo layers.

Description of the embodiments

In Fig. 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 Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Gleichspannung an hier im De tail zwischen den Lagen 2 nicht erkennbare Innenelektro den eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt. Die elektrische Spannung wird über stirnseitige An schlusskontakte 3 und 4 angelegt und über hier nur sche matisch erkennbare Durchkontaktierungen 5 und 6 auf die Innenelektroden weitergeleitet.In Fig. 1, a piezo actuator 1 is shown, which is constructed in a manner known per se from layers 2 of a piezoelectric or electrostrictive ceramic material with a suitable crystal structure, so that, for example, using the so-called piezo effect when an external electrical voltage is applied to here in the tail between the layers 2 not recognizable internal electrical a mechanical reaction of the piezo actuator 1 takes place. The electrical voltage is applied to the end contacts 3 and 4 and passed through only matically recognizable plated-through holes 5 and 6 to the internal electrodes.

Bei Anlage eines elektrischen Feldes an den Innenelektro den 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 alternie renden Keramik- und Innenelektrodenschichten gewählt wur de.When creating an electrical field on the indoor electric z. B. a change in length in the range of about 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 Fig. 2 ist eine alternative Bauform eines Piezoak tors 7 als Quader entnehmbar, der demzufolge entsprechen angepasste Piezolagen 2 und Anschlusskontakte 3 und 4 aufweist. Fig. 3 zeigt eine weitere Variante eines Pie zoaktors 8 mit einem hohlzylindrischen Aufbau.From Fig. 2, an alternative design of a Piezoak gate 7 can be removed as a cuboid, which accordingly has adapted piezo layers 2 and contacts 3 and 4 . Fig. 3 shows a further variant of a Pie zoaktors 8 with a hollow cylindrical structure.

In der Fig. 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 Posi tiven Pol der Spannung über die Durchkontaktierung 5 durch die Piezolage 2 mit einer Innenelektrode 10 verbun den. Mit weiteren Durchkontaktierungen 5 ist beim Zusam menbau jeweils unter Gewährleistung einer Isolation zu Innenelektroden 11 der anderen Polarität eine elektrische Verbindung zu den anderen Innenelektroden gleicher Pola rität hergestellt. FIG. 4 shows an enlarged section through one of the piezo actuators 1 , 7 or 8 . For example, on the left side of the connection contact 3 for the positive pole of the voltage via the via 5 through the piezoelectric layer 2 is connected to an inner electrode 10 . With further plated-through holes 5 , an electrical connection to the other inner electrodes of the same polarity is produced during assembly, each with an insulation to inner electrodes 11 of the other polarity.

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 Anschluss kontakte 3 und 4 trägt, ist hier eine nichtaktive Schicht, da zwischen den Schichtseiten keine Feldstärke aufgrund von verschieden gepolten Innenelektroden 10 und 11 auftritt. Eine untere Keramikschicht 12 ist hier eben falls passiv aufgebaut und kann als Fußteil die mechani sche Anbringung des Piezoaktors 1, 7 oder 8 unterstützen.For the other negative pole of the voltage at the connection contact 4 with the vias 6, the adequate arrangement applies. The upper piezo layer 2 , which carries the connection contacts 3 and 4 , is here a non-active layer, since no field strength occurs between the layer sides due to differently polarized internal electrodes 10 and 11 . A lower ceramic layer 12 is here also constructed passively 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 Fig. 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 Pie zoaktors 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 from FIG. 4, but advantageously also in the construction of the layers 2 from layer to layer with a pitch circle diameter offset from one another in order to increase the mechanical stability of the piezo actuator 1 , 7 or 8 increase.

Claims

1. Piezo actuator, with

- A multilayer structure of piezo layers ( 2 ) and between the layers rule arranged internal electrodes ( 10 , 11 ) which can be acted upon 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, as characterized in that
- each belonging together contacted Innenelekt clearing (10, 11) mutually at the respective walls ren inner electrodes (10, 11) isolated arranged through-holes (5, 6) (2) s are lectric connected to each other in the piezoelectric layers.

2. Piezo actuator according to claim 1, characterized in that

- The connection contacts ( 3 , 4 ) for the supply of the electrical voltage at the end faces of the Piezoak gate ( 1 ; 7 ; 8 ) are arranged.

3. Piezo actuator according to claim 2, characterized in that

- The connection contacts ( 3 , 4 ) are metallized surfaces that can be contacted by means of terminals.

4. Piezo actuator according to one of the preceding claims, characterized in that

- 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. Piezo actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the plated-through holes ( 5 , 6 ) in the layer structure from layer to layer on a bolt circle diameter are arranged ver to one another.