DE10048928A1 - Piezoelement - Google Patents

Abstract

Es wird ein Piezoelement, beispielsweise für einen Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils vorgeschlagen, bei dem mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (1, 4) die dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 5) mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind. In der Fläche, auf der die jeweiligen Innenelektroden (2, 5) angebracht sind, sind in jeder Piezolage (1, 4) mindestens zwei am gleichen Ort angeordnete Stellen (8, 9; 12, 13, 14, 15; 22, 23; 26, 27, 28, 29) ohne eine Elektrodenschicht vorhanden, so dass an diesen Stellen (8, 9; 12, 13, 14, 15; 22, 23; 26, 27, 28, 29) von außen Mittel zur Zentrierung des Piezoelements anbringbar sind.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Piezoelement, beispielsweise für einen Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gat­ tungsgemäßen 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. Aufgrund dieses ex­ trem schnellen und genau regelbaren Effektes können sol­ che Piezoaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritz­ systemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Steuerventils ge­ nutzt, das wiederum den Hub einer Düsennadel regelt. Ein großer Vorteil der Piezoaktoren ist dabei die Realisierung präziser und sehr schneller Auslenkungen mit hohen Kräften.

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, kann der Aufbau dieses Piezo­ aktors hier in mehreren Schichten von ca. 80 bis 100 µm erfolgen (Multilayer-Aktoren). Hierzu sind jeweils zwi­ schen den Schichten Innenelektroden vorhanden, die z. B. mit einem Druckverfahren aufgebracht werden, und es sind Außenelektroden vorhanden, über die die elektrische Span­ nung angelegt wird. Die Keramikschichten werden hierbei elektrisch parallel geschaltet, so dass die notwendige Steuerspannung in Vergleich zu monolithischen Piezoakto­ ren bei gleicher Länge und Anzahl der Schichten sinkt.

Aus der EP 0 844 678 A1 ist ein solcher Piezoaktor be­ kannt, bei dem zwei, an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Piezoaktorblocks angebrachte, Außenelektroden unter­ schiedlicher Polarität vorhanden sind. Bei einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innen­ elektroden mit den seitlichen Außenelektroden erfolgt die jeweilige Kontaktierung in dem Bereich, in dem in der je­ weils benachbarten Schicht keine Innenelektrode an die Außenseite herangeführt ist.

Beim Einbau solcher Piezoelemente als Bestandteile von den zuvor beschriebenen Piezoaktoren ist es oft erforder­ lich, diese Aktoren zu zentrieren, wobei die an den Pie­ zoaktor von außen herangeführten Zentrierstücke nicht mit den Innenelektroden des Aktors in Berührung kommen dür­ fen.

Vorteile der Erfindung

Das eingangs beschriebene Piezoelement ist, wie erwähnt, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden aufgebaut und mit einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innen­ elektroden, zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, versehen. Gemäß der Erfindung sind in vorteil­ hafter Weise in der Fläche auf der die jeweiligen Innen­ elektroden angebracht sind, in jeder Schicht mindestens zwei am gleichen Ort angeordnete Stellen ohne eine Elekt­ rodenschicht vorhanden. An diesen Stellen sind dann von außen Mittel zur Zentrierung des Piezoelements anbring­ bar.

Bei einer ersten Ausführungsform sind die Bereiche ohne Innenelektrodenschichten benachbarte Seitenflächen der jeweiligen Schichten, so dass sich zwei Stellen für die Anbringung der Zentriermittel durch Überlappung dieser Bereiche an den Enden ergeben.

Bei einer zweiten Ausführungsform sind die Bereiche ohne Innenelektrodenschichten benachbarte Seitenflächen der jeweiligen Schichten und es sind zusätzlicher Aussparun­ gen an den diametral den Überlappungen gegenüberliegenden Ecken vorhanden, so dass sich vier Stellen für die Zent­ rierung ergeben.

Gemäß einer dritten Ausführungsform sind die Bereiche oh­ ne Innenelektrodenschichten die beiden gegenüberliegenden Seitenflächen der jeweiligen Schichten, so dass sich vier Stellen für die Zentrierung durch Überlappung dieser Be­ reiche an den Enden ergeben. Bei allen Ausführungsformen können die Querschnitte des Piezoelements rechteckig, mehreckig oder rund sein.

Mit den erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist es mög­ lich, dass metallische, also elektrisch leitfähige Zent­ riervorrichtungen an den Piezoaktoren verwendet werden können. Auf einfache Weise sind die elektrodenfreien Stellen mit sogenannten halbvergrabenen Strukturen zu re­ alisieren, d. h. die Innenelektroden bedecken hier nicht den ganzen Querschnitt des Piezoelements. Die Zentrierung bzw. Lagefixierung des Piezoaktors erfolgt somit an inak­ tiven Stellen im Lagenaufbau, an denen durch den Hub des Piezoaktors nur eine verminderte Dehnung auftritt. Selbst wenn eine Reibung an den Zentriermittel im Betrieb des Piezoaktors auftreten sollte, wird kein Kurzschluss zwischen den Innenelektroden provoziert.

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 Piezoelements werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 drei Detailansichten auf das Design der ver­ schiedenen Innenelektroden bei einem ersten recht­ eckigen Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 drei Detailansichten auf das Design der ver­ schiedenen Innenelektroden bei einem zweiten recht­ eckigen Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 drei Detailansichten auf das Design der ver­ schiedenen Innenelektroden bei einem dritten recht­ eckigen Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 drei Detailansichten auf das Design der ver­ schiedenen Innenelektroden bei einem ersten runden Ausführungsbeispiel und

Fig. 5 drei Detailansichten auf das Design der ver­ schiedenen Innenelektroden bei einem zweiten runden Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist im linken Teil eine Ansicht einer Piezola­ ge 1 gezeigt auf der eine Metallschicht als Innenelektro­ de 2 angebracht ist. Die Innenelektrode 2 wird außen mit einer Außenelektrode 3 verbunden. Im mittleren Teil der Fig. 1 ist die nächste Piezolage 4 gezeigt, die mit der Piezolage 1 abwechselnd im Mehrschichtaufbau eines hier nicht näher beschriebenen Piezoelements übereinander an­ geordnet ist.

Im mittleren Teil der Fig. 1 wird die Innenelektrode 5 mit einer Außenelektrode 6 verbunden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannungen jeweils unterschiedlicher Polari­ tät an den Außenelektroden 3 und 6 kann aufgrund des ein­ gangs beschriebenen piezoelektrischen Effekts ein Hub des Piezoelements in Richtung des Mehrschichtaufbaus bewirkt werden. Im rechten Teil der Fig. 1 ist die Überlappung der beiden Innenelektroden 2 und 5 dargestellt, so dass sich ein aktiver Bereich 7 ergibt.

An den durch die Überlappung der beiden ausgesparten Be­ reiche im Innenelektrodendesign sich ergebenden zwei freien Stellen 8 und 9 an den Enden können dann die hier nicht dargestellten Zentriermittel angesetzt werden. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel sind die ausgesparten Bereiche an benachbarten Seiten des Piezoelements bzw. der Lagen 1 und 5 angebracht.

In Fig. 2 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 1 dargestellt, wobei die gleich wirkenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei die­ sem zweiten Ausführungsbeispiel sind die ausgesparten Be­ reiche ebenfalls an benachbarten Seiten des Piezoelements bzw. der Lagen 1 und 4 angebracht, zusätzlich befinden sich jedoch noch Aussparungen 10 und 11 an den gegenüber­ liegenden Ecken, so dass sich insgesamt vier Stellen 12, 13, 14, 15 für die Zentriermittel ergeben.

Aus Fig. 3 ist eine weitere Abwandlung des Ausführungs­ beispiels nach der Fig. 1 zu entnehmen, wobei auch hier die gleich wirkenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel sind zwei ausgesparte Bereiche 16, 17 und 18, 19 jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Piezoelements bzw. der La­ gen 1 und 4 angebracht, so dass sich auch hier vier Stel­ len 12, 13, 14, 15 für die Zentriermittel ergeben.

Nach Fig. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele für ein Pie­ zoelement mit rundem Querschnitt gezeigt, wobei auch hier die gleich wirkenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei diesen Ausführungsbeispielen sind je­ weils zwei ausgesparte Bereiche 20 und 21 jeweils gegenü­ berliegend im Bereich um die Außenelektroden 3 und 6 an­ gebracht, so dass sich nach der Fig. 4 zwei Stellen 22 und 23 für die Anbringung der Zentriermittel ergeben. Bei der Fig. 5 sind die ausgesparten Bereiche so verlagert, dass noch zwei zusätzlichen Aussparungen 24 und 25 ange­ bracht werden können, so dass sich hier auch vier Stellen 26, 27, 28, 29 für die Zentriermittel ergeben.

Claims (6)

1. Piezoelement, mit
einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (1, 4) und dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 5), die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und mit
einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktie­ rung der Innenelektroden (2, 5) mit mindestens einer Außenelektrode (3, 6) für jede Polarität, wobei die Kontaktierung jeweils in dem Bereich erfolgt, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine In­ nenelektrode (2, 5) an die Außenseite herangeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
in der Fläche auf der die jeweiligen Innenelektroden (2, 5) angebracht sind, in jeder Piezolage (1, 4) min­ destens zwei am gleichen Ort angeordnete Stellen (8, 9; 12, 13, 14, 15; 22, 23 : 26, 27, 28, 29) ohne eine Innen­ elektrodenschicht vorhanden sind, und dass
an diesen Stellen (8, 9; 12, 13, 14, 15; 22, 23; 26, 27, 28, 29) von außen Mittel zur Zentrierung des Piezoelements anbringbar sind.

2. Piezoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche ohne Innenelektrodenschichten benach­ barte Seitenflächen der jeweiligen Legen (1, 4) sind und dass sich zwei Stellen (8, 9) für die Zentrie­ rung durch Überlappung dieser Bereiche an den Enden ergeben.

3. Piezoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche ohne Innenelektrodenschichten benach­ barte Seitenflächen der jeweiligen Lagen (1, 4) sind und dass sich vier Stellen (12, 13, 14, 15) für die Zentrierung durch Überlappung dieser Bereiche an den Enden und zusätzlicher Aussparungen (10, 11) an den diametral den Überlappungen gegenüberliegen­ den Ecken ergeben.

4. Piezoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (16, 17, 18, 19) ohne Innenelektroden­ schichten die beiden gegenüberliegenden Seitenflä­ chen der jeweiligen Lagen (1, 4) sind und dass sich vier Stellen (12, 13, 14, 15) für die Zentrierung durch Überlappung dieser Bereiche (16, 17, 18, 19) an den Enden ergeben.

5. Piezoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (1, 4) des Piezoelements einen rechtecki­ gen Querschnitt haben.

6. Piezoelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen des Piezoelements einen runden Quer­ schnitt haben.