DE10026005A1

DE10026005A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE10026005A1
Application number: DE2000126005
Authority: DE
Inventors: Rudolf Heinz; Bertram Sugg; Steffen Jung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2001-12-06
Anticipated expiration: 2020-05-26
Also published as: US20020135275A1; CZ2002196A3; KR20020024309A; EP1230688A1; DE10026005B4; WO2001091199A1

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, der einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3) und eine wechselseitige seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) über Außenelektroden (4, 5) aufweist. Die Außenelektroden (4, 5) sind netz- oder gewebeartig auf jeweils einer Seitenfläche verteilt aufgebracht und zumindet punktweise mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert. Die Außenelektroden (4, 5) sind dabei derart über den Mehrschichtaufbau der Piezolagen hinaus verlängert, dass an den Verlängerungen (8, 9) die Zuführung der elektrischen Spannung erfolgt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

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. Der Aufbau dieses Piezoaktors kann hier in mehreren Schichten erfolgen (Multilayer-Aktoren), wobei die Elektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden.

Solche Piezoaktoren können beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Beim Betrieb des Pie zoaktors ist hier insbesondere darauf zu achten, dass durch mechanische Spannungen im Lagenaufbau auch keine störenden Rissbildungen im Bereich der äußeren Anschluss elektroden entstehen. Da die jeweils an einer Seite kon taktierten Innenelektroden kammartig in den Lagenaufbau integriert sind, müssen die in Richtung des Lagenaufbaus aufeinanderfolgenden Elektroden jeweils abwechselnd an gegenüberliegen Seiten kontaktiert werden.

Bei einer Betätigung des Piezoaktors, d. h. bei Anlage ei ner Spannung zwischen den im Lagenaufbau gegenüberliegen den Innenelektroden treten unterschiedliche mechanische Kräfte im Bereich der Innenelektroden sowie im Bereich der Kontaktierungen an den Außenelektroden auf, die zu mechanischen Spannungen und dadurch zu Rissen in den Au ßenelektroden führen können. Die Außenelektroden müssen dann wiederum mit Anschlusselektroden versehen werden, die in der Regel auch mechanischen Spannungen standhalten müssen.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, dass mindestens eine Schicht der jeweilige Außenelektrode netz- oder gewebeartig auf jeweils einer Seitenfläche verteilt aufgebaut und zumindest punktweise mit den je weiligen Innenelektroden kontaktiert ist. Die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden sind dabei derart über den Mehrschichtaufbau der Piezolagen verlängert, dass an den Verlängerungen die Zuführung der elektrischen Spannung über entsprechende Anschlüsse erfolgt.

Gegenüber einer üblichen Lötung dieser äußeren Anschluss drähte direkt auf der Außenelektrode nahe des Piezoaktor fußes im aktiven oder inaktiven Bereich ist erfindungsge mäß in vorteilhafter Weise erreicht, dass mit dem An schluss an die Verlängerung der Außenelektrode eine ver besserte und mechanisch robustere Kontaktierung herge stellt ist. Bei der üblichen Lötung auf dem netz- oder siebartigen Gewebe ist die Haftung der Elektroden auf dem Piezoaktor sehr gering, so dass selbst geringe Kräfte ein Abschälen der Außenelektrode vom Piezoaktor hervorrufen können. Gemäß der Erfindung kann dann auch die Anzahl der notwendigen elektrischen Verbindungen im Bereich des Mehrschichtaufbaus verringert werden.

Dadurch, dass die Außenelektroden über den Piezoaktorfuß hinaus, im Idealfall bis zum Stecker verlängert werden, können diese somit in einem unkritischen Bereich kontak tiert werden. Weiterhin ermöglicht dies zum einen eine kostengünstige Fertigung, zum anderen wird das Prozess- und Ausfallrisiko an dieser Stelle reduziert. Vorteilhaft ist außerdem, dass auch auf einen, ev. sonst notwendigen zusätzlichen inaktiven Bereich am Mehrschichtaufbau zur Kontaktierung verzichtet werden kann, wodurch eine gerin gere Baulänge ermöglicht und weitere Kosten gespart wer den können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verlänge rungen elektrisch isoliert durch das Fußteil, z. B. aus Stahl oder Al₂O₃, des Piezoaktors geführt, an dem der Mehrschichtaufbau der Piezolagen befestigt ist. Hierbei ist es auch vorteilhaft, wenn die Verlängerungen zur Fi xierung und zur Zugentlastung der Außenelektroden in ei ner Vergussmasse gehalten sind, welche in eine Ausnehmung des Fußteils, ggf. von einem Formteil aus Stahl oder Po lymer umgeben, eingebracht sind.

Die Verlängerungen können in vorteilhafter Weise auch da durch realisiert werden, dass die Außenelektroden im Be reich der Verlängerungen verjüngt sind. Weiterhin können die Außenelektroden auch im Bereich der Verlängerungen gefaltet oder gerollt sein.

Auf einfache Weise können die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden aus gekreuzten horizontal und vertikal verlegten oder unter 45° geneigt verlegten Drähten beste hen, die durch verkupfern oder verzinnen miteinander kon taktiert sind.

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.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit ei nem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Pizokeramik und Innenelektroden sowie einer netzartigen durch ein Fußteil verlängerten Außenelektrode;

Fig. 2 einen Schnitt an der Linie A-A im Ausfüh rungsbeispiel nach der Fig. 1;

Fig. 3 einen Detailschnitt im Bereich der Durchfüh rung der verlängerten Außenelektrode durch das Fuß teil;

Fig. 4 eine Abwandlung des Beispiels nach den Fig. 1 bis 3 mit einem zusätzlichen Formteil im Be reich der Verlängerungen;

Fig. 5 eine Abwandlung der vorhergehenden Beispiele mit einer in der Verlängerung verjüngten Außenelekt rode;

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel mit einer in der Verlängerung gefalteten Außenelektrode;

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel mit einer in der Verlängerung gerollten Außenelektrode;

Fig. 8 und 9 Ausführungsbeispiele der netz- oder gewebeartigen Außenelektroden und;

Fig. 10 einen Detailschnitt durch die verkupferten oder verzinnten Drähte der netz- oder gewebeartigen Außenelektrode.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 und 2 ist in verschiedenen Schnitten ein Pie zoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezofolien eines Keramikmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren e lektrischen Spannung an Innenelektroden 2 und 3 jeweils über Außenelektroden 4 und 5 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in axialer Richtung erfolgt.

Der Piezoaktor ist über ein Fußteil 6 fest in ein Gehäuse 7, beispielsweise das Gehäuse eines Einspritzventils für Kraftfahrzeuge, eingebettet. Die Außenelektroden 4 und 5 weisen Verlängerungen 8 und 9 auf, an deren unterem Ende jeweils ein elektrischer Anschluss für eine Spannungsver sorgung angebracht werden kann. Im Bereich der Durchfüh rung der Verlängerungen 8 und 9 durch das Fußteil 6 und ggf. darüber hinaus sind die Verlängerungen 8 und 9 e lektrisch isoliert, beispielsweise mittels eines Schrumpfschlauchs 10. Zur Fixierung und zur Zugentlastung der Außenelektroden 4 und 5 bzw. der Verlängerungen 8 und 9 sind diese in einer Ausnehmung 11 des Fußteils 6 mit einer Vergussmasse 12 umhüllt. In Fig. 3 ist der Bereich der Durchführung der Verlängerungen 8 oder 9 anhand eines Ausführungsbeispiels im Detail gezeigt.

Ein Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zeigt Abwandlung zur Fixierung und zur Zugentlastung der Außenelektroden 4 und 5 bzw. der Verlängerungen 8 und 9 mit einem, im Fußteil 6 liegenden, Formteil 13, in das die Vergussmasse 12 einge fügt ist.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Elektrodenverlänge rungen 8 und 9 sind in Fig. 5 bis 7 dargestellt. Nach der Fig. 5 sind die Verlängerungen 8 und 9 lediglich verjüngt, was auch dem unten gezeichneten Querschnitt der Verlängerung 9 zu entnehmen ist. Die Fig. 6 zeigt eine Verlängerung 9, die gefaltet ist und die Fig. 7 zeigt eine Verlängerung 9, die gerollte ist, was wiederum den darunter gezeichneten Querschnitten der Verlängerung 9 zu entnehmen ist.

Aus Fig. 8 ist ein netzartiger Aufbau der Außenelektrode 4 oder 5 mit horizontal und vertikal verlaufenden Drähten 14 und 15 und aus Fig. 9 ist ein vergleichbarer Aufbau mit 45° geneigten Drähten 14 und 15 zu entnehmen. Im Schnitt nach Fig. 10 ist die Lage der gekreuzten Drähte 14 und 15 mit Kontaktstellen 16, z. B. durch Verkupfern oder Verzinnen der Drähte 14 und 15, erkennbar.

Claims

1. Piezoaktor, mit
einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3),
einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der In nenelektroden (2, 3) über Außenelektroden (4, 5), über die eine elektrische Spannung zuführbar ist, wobei
die Außenelektroden (4, 5) netz- oder gewebeartig auf jeweils einer Seitenfläche verteilt aufgebracht sind und zumindest punktweise mit den jeweiligen Innen elektroden (2, 3) kontaktiert ist und zwischen den Kon taktierungen ein dehnbarer Bereich zu liegen kommt und wobei
die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden (4, 5) derart über den Mehrschichtaufbau der Piezolagen hin aus verlängert sind, dass an den Verlängerungen (8, 9) die Zuführung der elektrischen Spannung erfolgt.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerungen (8, 9) elektrisch isoliert (10) durch ein Fußteil (6) des Piezoaktors (1) geführt sind, an das der Mehrschichtaufbau der Piezolagen be festigt ist.

3. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerungen (8, 9) in einer Vergussmasse (12) gehalten sind, welche in eine Ausnehmung (11) des Fuß teils (6) eingebracht ist.

4. Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (12) von einem Formteil (13) umgeben ist.

5. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden (4, 5) im Bereich der Verlängerun gen (9, 10) verjüngt sind.

6. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden (4, 5) im Bereich der Verlängerun gen (8, 9) gefaltet sind.

7. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden (4, 5) im Bereich der Verlängerun gen (8, 9) gerollt sind.

8. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden (4, 5) aus gekreuzten unter 45° geneigt verlegten Drähten (14, 15) bestehen.

9. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden (4, 5) aus gekreuzten horizontal und vertikal verlegten Drähten (14, 15) bestehen.

10. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte (14, 15) untereinander durch verkupfern oder verzinnen miteinander kontaktiert sind.