DE10026005A1 - Piezoaktor - Google Patents
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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
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.
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.
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.
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 (10)
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.
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.
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