DE10113744A1 - Electrical connection arrangement for a monolithic multilayer piezo actuator - Google Patents

Electrical connection arrangement for a monolithic multilayer piezo actuator

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Abstract

Elektrische Anschlußanordnung für einen monolithischen Vielschicht-Piezoaktor (P) mit elektrischen Anschlußfahnen (A1, A2), die quer zur Höhe des den Piezoaktor (P) bildenden Piezoelementenstapels zur Bildung einzelner Finger (F) vielfach geschlitzt sind und mit den Fingern jeweils an der betreffenden Stapelseite anliegend mit den Innenelektroden des Piezoaktors verbunden sind.Electrical connection arrangement for a monolithic multilayer piezo actuator (P) with electrical connection lugs (A1, A2) which are slit many times transversely to the height of the piezo element stack forming the piezo actuator (P) to form individual fingers (F) and with the fingers of the respective one Stack side are connected to the inner electrodes of the piezo actuator.

Description

Monolothische Piezo-Aktoren sind bekannt (z. B. DE-C 197 15 488). Sie bestehen aus einem Stapel von Piezoelemen­ ten. Jedes dieser Elemente besteht seinerseits aus einer Piezokeramikschicht, die beiderseits mit metallischen Elek­ troden versehen ist. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung dehnt sich die Piezokeramikschicht dickenmäßig aus. Durch die Stapelanordnung einer Vielzahl solcher Piezoelemente in Form einer monolithischen Vielschichtanordnung aus einem gesinter­ ten Stapel von Piezokeramikschichten mit jeweils eingelager­ ten metallischen Innenelektroden wird dieser Effekt ver­ stärkt. Die Innenelektroden sind wechselseitig aus dem Stapel herausgeführt und werden über äußere elektrische Anschlüsse elektrisch parallel geschaltet. In mechanischer Hinsicht sind die einzelnen Piezokeramikschichten in Reihe angeordnet. Durch diese Anordnung wird durch Anlegen einer niedrigen elektrischen Spannung die aufsummierte Nenndehnung der gesamten Piezokeramik in Richtung der Stapelhöhe erreicht.Monolothic piezo actuators are known (e.g. DE-C 197 15 488). They consist of a stack of piezo elements Each of these elements in turn consists of one Piezoceramic layer, on both sides with metallic elec tread is provided. When applying an electrical voltage the piezoceramic layer expands in thickness. Through the Stack arrangement of a large number of such piezo elements in the form a monolithic multilayer arrangement from a sintered stacks of piezoceramic layers, each with embedded layers This metallic effect is avoided strengthens. The internal electrodes are alternately from the stack led out and are via external electrical connections electrically connected in parallel. In mechanical terms the individual piezoceramic layers arranged in a row. With this arrangement, by applying a low one electrical voltage is the total nominal elongation of the entire piezoceramic reached in the direction of the stack height.

Aus der DE-C 197 15 488 ist es bekannt, die wechselseitig aus dem Stapel herausgeführten Elektroden auf jeder Seite durch Auflöten einer durchgehenden Kontaktfahne miteinander und mit der Anschlußverdrahtung zu verbinden.From DE-C 197 15 488 it is known to alternate electrodes on each side Soldering a continuous contact tab with and with the connection wiring.

Diese Verbindung ist jedoch problematisch. Denn die Kontakt­ fahnen verlaufen entlang der Stapelhöhe, liegen flach am Stapel an und sind mit diesem bzw. dem zwischen den Piezo­ keramikschichten herausgeführten Innenelektroden fest ver­ bunden. Die Kontaktfahnen verlaufen damit in Richtung der piezoelektrischen Ausdehnung des Piezoelementenstapels und unterliegen somit bei jedem Ausdehnungsvorgang einer starken Zugbeanspruchung. Bei höherfrequentem Betrieb eines solchen Vielschicht-Piezoaktors führt diese Art des elektrischen An­ schlusses unweigerlich zur Rißbildung in den elektrischen Verbindungen zwischen der Kontaktfahne und den einzelnen Innenelektroden und damit zum Ausfall bzw. der Zerstörung des Piezoaktors.However, this connection is problematic. Because the contact flags run along the stack height, lie flat on the  Stack on and are with this or that between the Piezo ceramic electrodes led out ver prevented. The contact flags thus run in the direction of the piezoelectric expansion of the piezo element stack and are therefore subject to a strong expansion process Tensile stress. With higher frequency operation of such Multi-layer piezo actuator performs this type of electrical operation inevitably leads to the formation of cracks in the electrical Connections between the contact flag and the individual Internal electrodes and thus to failure or destruction of the Piezoelectric actuator.

Die EP-A-0 844 678 sucht dieses Rißbildungsproblem dadurch zu beheben, daß die Anschlußelemente dreidimensional nach Art eines Wellblechs ausgebildet werden, wobei die Wellentäler mit den einzelnen herausgeführten Innenelektroden stoff­ schlüssig verbunden werden und die dazwischen verlaufenden Wellenberge die Funktion von Dehnungsbögen erhalten, so daß auch bei höherfrequenten Dehnungsschwingungen des Piezoele­ mentenstapels diese wellenförmigen Anschlußelemente diese Dehnungsschwingungen zieharmonikaartig mitmachen können, ohne daß es zur Rißbildungen an den Verbindungsstellen mit den Innenelektroden kommt.EP-A-0 844 678 tries to find this cracking problem remedy that the connection elements three-dimensional according to Art a corrugated sheet are formed, the troughs with the individual led out inner electrodes be connected conclusively and the ones running between them Wave crests have the function of expansion arcs, so that even with higher-frequency expansion vibrations of the piezoelectric ment stack these wavy connecting elements this Strain vibrations can participate like an accordion without that there are cracks at the junctions with the Inner electrodes comes.

Damit stellt sich allerdings ein neues Problem, weil die metallenen Anschlußfahnen dann nur noch punktuell und nicht mehr vollflächig an der Außenseite des Piezoelementenstapels anliegen. Denn bei höherfrequentem Betrieb des Piezoaktors wird darin auch in beträchtlichem Maße Wärme erzeugt, und die elektrischen Anschlußfahnen dienen nicht allein der Herstel­ lung der elektrischen Anschlußverbindung, sondern außerdem auch noch der Wärmeabführung.However, this poses a new problem because the metal terminal lugs then only selectively and not more all over on the outside of the piezo element stack issue. Because with higher-frequency operation of the piezo actuator it also generates considerable heat, and the electrical connection lugs are not only used for manufacturing development of the electrical connection, but also also the heat dissipation.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektri­ sche Anschlußanordnung für einen monolithischen Vielschicht­ piezoaktor zu schaffen, die eine auch bei hochfrequenten Dehnungsschwingungen des Piezoaktors rißbildungsfeste Kontak­ tierung gewährleistet und gleichzeitig in optimaler Weise der Wärmeabfuhr dient.The invention is therefore based on the object of an electri cal connection arrangement for a monolithic multilayer Piezo actuator to create one even at high frequency Expansion vibrations of the piezo actuator crack-resistant contact guaranteed and at the same time in an optimal way  Heat dissipation is used.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebene Anordnung gelöst.This object is achieved according to the invention by the in claim 1 specified arrangement solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of subclaims.

Erfindungsgemäß ist jede Kontaktfahne quer zur Stapelhöhe des Piezoaktors mehrfach geschlitzt und dadurch in eine Mehrzahl von quer zur Stapelhöhe verlaufenden Fingern unterteilt, die jeweils mit den betreffenden herausgeführten Innenelektroden verbunden sind. Bei der Dehnungsbewegung des Piezoelementen­ stapels können sich die Finger der Kontaktfahne in Richtung der Stapelhöhe aufspreizen und werden deshalb durch die Dehnungsschwingungen des Piezoaktors praktisch nicht mecha­ nisch beansprucht. Zugleich können die Kontaktfahnen voll­ flächig an der Stapelaußenfläche anliegen und als Wärmeablei­ ter und Wärmeabstrahler dienen.According to the invention, each contact tab is transverse to the stack height of the Piezo actuator slotted several times and thus in a plurality divided by fingers running across the stack height, the each with the relevant internal electrodes are connected. During the expansion movement of the piezo element stack the fingers of the contact flag in the direction spread the stack height and are therefore by the Expansion vibrations of the piezo actuator practically not mecha niche. At the same time, the contact flags can be full lie flat against the outer surface of the stack and as heat dissipation ter and heat radiators are used.

In bevorzugter Ausbildung der Erfindung sind die Kontaktfah­ nen, die mit ihren Fingern an jeweils einer von zwei gegen­ überliegenden Außenflächen des Piezoelementenstapels anlie­ gend mit den dort herausgeführten Innenelektroden verbunden sind, um eine angrenzende Eckkante des Piezoelementenstapels herumgebogen und liegen auch noch an der benachbarten Stapel­ außenfläche vollflächig an, um auch dort Wärme aufzunehmen und abzuführen.In a preferred embodiment of the invention, the contact is with your fingers against one of two overlying outer surfaces of the piezo element stack connected to the internal electrodes led out there are around an adjacent corner edge of the piezo element stack bent around and are still lying on the adjacent stack full surface to absorb heat there too and dissipate.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den anliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachstehend kurz beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:An embodiment of the invention is in the accompanying Drawings shown schematically and will be briefly below described. In the drawings:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung die elektrische Anschlußanord­ nung nach der Erfindung, und Fig. 1 is a perspective view of the electrical connection arrangement according to the invention, and

Fig. 2 im Schnitt eine Mehrfachanord­ nung von Piezo-Aktoren mit einer Anschlußanordnung nach der Er­ findung in einem Kühlblock. Fig. 2 in section a Mehrfachanord voltage of piezo actuators with a connection arrangement according to the invention in a cooling block.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer schematisierter Darstellung das Prinzip der elektrischen Anschlußanordnung nach der Erfindung. Fig. 1 shows a perspective schematic representation of the principle of the electrical connection arrangement according to the invention.

Ein monolithischer Vielschicht-Piezoaktor in Gestalt einer Vielzahl von stapelförmig angeordneten Piezokeramikschichten mit jeweils dazwischen angeordneten Innenelektroden ist nur als quaderförmiger Block P dargestellt, ohne daß die einzel­ nen Piezokeramikschichten bzw. Piezoelemente des Stapels und die herausgeführten Innenelektroden dargestellt wären, da diese Anordnung an sich bekannt ist.A monolithic multilayer piezo actuator in the shape of a Large number of stacked piezoceramic layers with internal electrodes arranged between them only shown as a cuboid block P without the individual NEN piezo ceramic layers or piezo elements of the stack and the internal electrodes led out would be shown there this arrangement is known per se.

Die Innenelektroden zwischen den Piezokeramikschichten können entweder jeweils zu einer Stapelseite hin oder auch jeweils zu einem Stapeleckbereich hin herausgeführt sein, wie eben­ falls an sich bekannt ist.The inner electrodes between the piezoceramic layers can either to one side of the stack or each be led out to a stack corner area, as just if known per se.

Zum elektrischen Anschluß der elektrisch parallel geschalte­ ten Piezoelemente des Piezoaktors P dienen zwei Anschlußfah­ nen A1 und A2. Die Anschlußfahne A1 ist mit dem Piezoaktor P verbunden dargestellt, da sie in der Darstellung vorne liegt, und die Anschlußfahne A2 ist, weil sie mit den in der Zeich­ nung hinten liegenden Stapelseitenflächen des Piezoaktors P zu verbinden ist, gesondert darüber gezeichnet, und ein Pfeil deutet an, wie sie mit dem Piezoaktor P zu verbinden ist.For the electrical connection of the electrically connected in parallel Piezo elements of the piezo actuator P serve two connection compartments A1 and A2. The connection lug A1 is connected to the piezo actuator P shown connected because it lies in front in the display, and the connection lug A2 is because it matches the in the drawing stack side surfaces of the piezo actuator P is to be connected, drawn separately above it, and an arrow indicates how to connect it to the piezo actuator P.

Wie man sieht, sind die beiden Anschlußfahnen A1 und A2 in ihrem mit dem Piezoaktor P verbundenen bzw. zu verbindenden Bereich quer zur Stapelhöhe vielfach geschlitzt, wobei die Schlitze als Einschnitte 5 angedeutet sind. Dadurch ist an dem mit dem Piezoaktor P verbundenen Teil der betreffenden Anschlußfahne A1, A2 jeweils eine entsprechende Vielzahl von quer zur Stapelhöhe verlaufenden Fingern F gebildet, die einzeln jeweils stoffschlüssig mit den herausgeführten Innen­ elektroden des Piezoaktors P verbunden sind.As you can see, the two connection lugs A1 and A2 are in their connected or to be connected to the piezo actuator P. Multi-slotted area across the stack height, with the Slots are indicated as incisions 5. This is on the part of the relevant one connected to the piezo actuator P. Connection lugs A1, A2 each have a corresponding variety of fingers F formed transversely to the stack height, which individually each integrally with the led out interior  electrodes of the piezo actuator P are connected.

Bei Dehnungsbewegungen des Piezoaktors in Richtung der Sta­ pelhöhe können also diese Finger F der Anschußfahnen A1, A2 die Dehnungsbewegungen ohne weiteres mitmachen, indem sie sich geringfügig aufspreizen, ohne daß die Anschlußfahnen A1, A2 einer nennenswerten mechanischen Beanspruchung unterlie­ gen.When the piezo actuator stretches in the direction of the sta pelhöhe so these fingers F of the connecting flags A1, A2 easily follow the stretching movements by spread out slightly without the connecting lugs A1, A2 subject to significant mechanical stress gene.

Die Finger F der Anschlußfahnen A1, A2 liegen, wie darge­ stellt, flach und vollflächig an der betreffenden Stapelseite des Piezoaktors P an, und wie man außerdem in der Zeichnung sieht, ist jede Anschlußfahne A1, A2 über ein Stapeleck so gebogen, daß die betreffende Anschlußfahne an insgesamt zwei Stapelflächen vollflächig bzw. fast vollflächig anliegt. Da­ durch ergibt sich eine sehr gute Wärmeabführung aus dem Piezoaktor P durch die Anschlußfahnen A1, A2.The fingers F of the connection lugs A1, A2 are as shown places, flat and full surface on the relevant stack side of the piezo actuator P, and how to also in the drawing see, each connecting lug A1, A2 is so over a stacking corner bent that the relevant lug on a total of two Stacking surfaces lie over the entire surface or almost over the entire surface. because through results in a very good heat dissipation from the Piezo actuator P through the connection lugs A1, A2.

Die Anschlußfahnen A1, A2 bestehen zweckmäßigerweise aus Kup­ ferfolie.The connection lugs A1, A2 expediently consist of copper ferfolie.

Es versteht sich, daß jeder Finger F der Anschlußfahnen A1, A2 mit einer Gruppe von beispielsweise zwei oder drei Innen­ elektroden des Piezoelementenstapels verbunden sein kann, was die in der Praxis zweckmäßige Ausführungsform darstellt.It goes without saying that each finger F of the connection lugs A1, A2 with a group of two or three inside, for example electrodes of the piezo element stack can be connected, what represents the practical embodiment.

Fig. 2 zeigt in schematischer Schnittdarstellung einen Piezo­ aktorenblock mit vier parallel angeordneten Piezoaktoren P1, P2, P3 und P4, die jeweils mit elektrischen Anschlußanord­ nungen nach der vorstehenden Beschreibung ausgestattet sind. Diese vier Piezoaktoren sind an ihren vier Seiten (die Schnittebene liegt quer zur Stapelhöhe der einzelnen Piezo­ aktoren) von einem vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Kühl­ block B umgeben, der mit einem die Anordnung haltenden Träger T verschraubt ist, wie man aus der Darstellung sieht. Die den einzelnen Piezoaktoren zugeordneten Anschlußfahnen A sind an einer Stelle des Blocks B herausgeführt. Der Kühlblock B um­ gibt die Piezoaktoren mit geringem Spiel, jedoch so, daß die Piezoaktoren in den sie aufnehmenden Öffnungen des Blocks verschiebbar sind und damit ihre in Stapelhöhe erfolgenden Dehnungs- und Kontraktionsbewegungen ausführen können, ohne zu klemmen. Die verbleibenden Spalträume sind vorzugsweise mit Wärmeleitgel ausgefüllt. Fig. 2 shows a schematic sectional view of a piezo actuator block with four piezo actuators P1, P2, P3 and P4 arranged in parallel, each of which is equipped with electrical connection arrangements as described above. These four piezo actuators are surrounded on their four sides (the sectional plane is transverse to the stack height of the individual piezo actuators) by a cooling block B, preferably made of copper, which is screwed to a support T holding the arrangement, as can be seen from the illustration. The connection lugs A assigned to the individual piezo actuators are led out at one point of block B. The cooling block B um gives the piezo actuators with little play, but in such a way that the piezo actuators are displaceable in the openings in the block receiving them and thus can perform their stacking expansion and contraction movements without jamming. The remaining gap spaces are preferably filled with heat-conducting gel.

Die im Betrieb erzeugte Wärme wird also von dem jeweiligen Piezoelementenstapel zunächst auf die gut wärmeleitenden An­ schlußfahnen der elektrischen Anschlußanordnung übertragen und von diesen durch den kupfernen, ebenfalls gut wärmeleit­ fähigen Kühlblock B abgeführt, der seinerseits von außen ge­ kühlt werden kann.The heat generated during operation is therefore from the respective Piezo element stack first on the good heat-conducting type transfer flags of the electrical connection arrangement and of these through the copper, also good thermal conductivity capable cooling block B, which in turn ge from the outside can be cooled.

Claims (5)

1. Elektrische Anschlußanordnung für einen monolithischen Vielschicht-Piezoaktor (P), der aus einer Vielzahl von stapelförmig angeordneten Piezokeramikschichten mit jeweils dazwischen angeordneten, wechselseitig aus dem Stapel heraus­ geführten Innenelektroden besteht, mit zwei metallenen elek­ trischen Anschlußfahnen (A1, A2), von denen jede stoffschlüs­ sig mit einer der beiden Gruppen von wechselseitig heraus­ geführten Innenelektroden verbunden ist, dadurch gekennzeich­ net, daß jede Anschlußfahne quer zur Stapelhöhe zur Bildung einer Vielzahl einzelner Finger (F) geschlitzt (s) ist, die jeweils mit den auf der betreffenden Seite des Stapels herausgeführten Innenelektroden stoffschlüssig verbunden sind und flächig an der betreffenden Stapelseite anliegen.1. Electrical connection arrangement for a monolithic multilayer piezo actuator (P), which consists of a plurality of stacked piezoceramic layers, each with interposed, mutually guided out of the stack internal electrodes, with two metal electrical connection lugs (A1, A2), one of which each Stoffschlüs sig is connected to one of the two groups of mutually led out internal electrodes, characterized in that each terminal lug is slit (s) transverse to the stack height to form a plurality of individual fingers (F), each with the on the relevant side of the Stack of internal electrodes led out are integrally connected and lie flat against the relevant stack side. 2. Anschlußanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Finger (F) mit einer eine geringe Anzahl von Innen­ elektroden umfassenden Innenelektrodengruppe des Vielschicht- Piezoaktors (P) verbunden ist.2. Connection arrangement according to claim 1, characterized in that each finger (F) with a small number of inside multi-layer internal electrode group Piezo actuator (P) is connected. 3. Anschlußanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Anschlußfahne (A1, A2) um eine benachbarte Stapelkante herumgebogen ist und auch noch an der angrenzen­ den Stapelseite flächig anliegt.3. Connection arrangement according to claim 1 or 2, characterized shows that each connecting lug (A1, A2) by an adjacent Stack edge is bent around and also on the border the stack side lies flat. 4. Elektrische Anschlußanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der monolithische Viel­ schicht-Piezoaktor (P) samt der elektrischen Anschlußfahnen (A1, A2) in einem metallenen Kühlblock (B) eingesetzt ist, der den Piezoaktor mit den Anschlußfahnen an seinen Seiten umschließt und den Piezoaktor gleitfähig aufnimmt, und daß die elektrischen Anschlußfahnen an einer Seite des Blocks (B) herausgeführt sind. 4. Electrical connection arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the monolithic lot Layer piezo actuator (P) together with the electrical connection lugs (A1, A2) is inserted in a metal cooling block (B), the the piezo actuator with the connection lugs on its sides encloses and slidably receives the piezo actuator, and that the electrical lugs on one side of the block (B) are brought out.   5. Anschlußanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen dem Kühlblock (B) und dem mit den An­ schlußfahnen versehenen Piezoaktor (P) mit einem Wärmeleitgel ausgefüllt ist.5. Connection arrangement according to claim 4, characterized in that the gap between the cooling block (B) and the one with the Piezo actuator (P) provided with final flags with a heat-conducting gel is filled out.
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