DE10147666A1

DE10147666A1 - Piezoelement

Info

Publication number: DE10147666A1
Application number: DE10147666A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003115618A; US6930435B2; US20030071328A1; ITMI20022015A1; JP4149773B2; FR2830129B1; DE10147666B4; FR2830129A1

Abstract

Es wird ein Piezoelement, beispielsweise für einen Piezoaktor (1) zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, bei dem mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) die dazwischen angeordneten Innenelektroden mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind. Da die Piezolagen (2) mit den Innenelektroden wie Kapazitäten wirken, ist ein Ableitwiderstand für eine notwendige elektrische Entladung durch Ausbildung von Widerstandsbahnen (6) aus einer Widerstandsschicht (5), vorzugsweise im Kopf- oder Fußteil (3, 4), herausgebildet.

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 gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Aufgrund dieses extrem schnellen und genau regelbaren Effektes können solche Piezoaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Steuerventils genutzt, 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 Betätigung des Piezoaktors im Bereich von mehreren kV/mm liegen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, kann der Aufbau dieses Piezoaktors hier in mehreren Schichten von ca. 100 µm erfolgen (Multilayer-Aktoren). Hierzu sind jeweils zwischen den Schichten Innenelektroden vorhanden, die z. B. mit einem Druckverfahren aufgebracht werden, und es sind Außenelektroden vorhanden, über die die elektrische Spannung angelegt wird.
Die Keramikschichten werden hierbei elektrisch parallel geschaltet, so dass die notwendige Steuerspannung in Vergleich zu monolithischen Piezoaktoren bei gleicher Länge und Anzahl der Schichten sinkt. Ein typisches Verfahren zum Herstellen solcher Schichten besteht in der Foliengießtechnik, bei der die einzelnen Schichten metallisiert und übereinander gestapelt werden.
Aus der EP 0 844 678 A1 ist ein solcher Piezoaktor bekannt, bei dem zwei, an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Piezoaktorblocks angebrachte Außenelektroden unterschiedlicher Polarität vorhanden sind. Bei einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innenelektroden mit den seitlichen Außenelektroden erfolgt die jeweilige Kontaktierung in dem Bereich, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innenelektrode an die Außenseite herangeführt ist.
Die Schichten mit den Innenelektroden wirken untereinander wie Kapazitäten, so dass zur Sicherstellung der elektrischen Entladung der Gesamtkapazität in der Regel ein Ableitwiderstand parallel geschaltet wird. Beispielsweise kann dies mit einem Drahtwiderstand im Steckerbereich einer Anschlussvorrichtung erfolgen. Der Fertigungsprozess ist hierbei jedoch relativ aufwendig, da der Widerstand zusätzlich gelötet werden muss und auch zusätzlichen Platz benötigt. Ferner ist darauf zu achten, dass diese Anordnung auch Schüttelbeanspruchungen aushalten muss, was die Konstruktion erschwert.
Am Kopf- und Fußteil dieser bekannten Piezoaktoren fehlen in der Regel die Innenelektroden, da zum einen zu den Stirnflächen hin eine gewisse Isolationsstrecke nötig ist, um Kurzschlüsse nach außen hin zu vermeiden, und zum anderen passive Zonen zum elektrischen Anschluss der Außenelektroden genutzt werden.

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 Innenelektroden, zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, versehen. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist in vorteilhafter Weise bei einem Aufbau mit einem passiven Fuß- und einem Kopfteil im Kopf- und/oder Fußteil eine Widerstandsschicht angeordnet, wobei die Anschlüsse des so gebildeten Ableitwiderstandes mit den Außenelektroden kontaktiert sind.
Diese Widerstandsschicht ist in vorteilhafter Weise in einem Druckverfahren auf das Kopf- und/oder Fußteil aufbringbar und anschließend kalibrierbar, wobei die Widertandsschicht entweder innen zu den aktiven Innenelektroden hingewandt sein können oder außen auf der Deckschicht angebracht werden kann. Beispielweise können die Bahnen des Widerstandes derart in einen Seitenbereich gelegt sein, dass sich eine Anordnung der Bahnen in einem vorgegebenen Abstand zu einer Seite der Außenelektrode ergibt. Vorzugsweise ist der Widerstand durch mäanderförmige Bahnen gebildet, die durch ein Freischneiden aus der Widerstandsschicht hergestellt sind. Die Bahnen des Widerstandes sind z. B. aus Cu, AgPd oder AgPt gebildet und das Freischneiden erfolgt bevorzugt durch Laserbearbeitung.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann auf einfache Weise erreicht werden, dass eine elektrische Entladung der als Kapazitäten wirkenden Innenelektrodenschicht über einen an die Außenelektroden angeschalteten Ableitwiderstand gewährleistet ist. Durch die erfindungsgemäße Integration dieses Widerstandes in das Piezoelement wird der Herstellungsaufwand in das Piezoelement bzw. in den Piezoaktor verlagert. Durch den Wegfall einer separaten externen Kontaktierung können dabei Kosten gespart werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist bei einer versunkenen Anordnung der Innenelektroden eine Widerstandsschicht auf der Außenseite des Piezoelements angeordnet. Die Bahnen des Widerstandes sind in die Bereiche der Außenseite gelegt, die nicht mit Innenelektroden in Berührung sind, wobei auch hier die Anschlüsse des so gebildeten Ableitwiderstandes mit den Außenelektroden kontaktiert sind.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoelements werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Piezoelements mit den Piezolagen und einem passiven Kopf- und Fußteil,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform von Widerstandsbahnen eines Ableitwiderstandes,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform von Widerstandsbahnen eines Ableitwiderstandes mit von einem Laser freigeschnittenen Bereichen,
Fig. 4 eine andere Darstellung des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 3 und
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Piezoelements mit den Piezolagen und einem passiven Kopf- und Fußteil und einem Widerstand in einer Deckschicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist als Piezoelement ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Lagen 2 mit Piezofolien eines Quarzmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung über hier nicht dargestellte Außenelektroden an an der Keramikschicht angebrachte Innenelektroden, eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in seiner Längsachse erfolgt.
Die Außenelektroden sind dabei jeweils an die, die gleiche Polarität aufweisenden Innenelektroden kontaktiert. Jede zweite der Innenelektroden mit jeweils gleicher Polarität ist bis an die eine Seite des Piezoaktors 1 durchgeführt und dort kontaktiert und an der jeweils anderen Seite von der dortigen Außenelektrode mit der jeweils anderen Polarität durch einen Abstand isoliert. Auf die in Längsrichtung äußeren Piezolagen 2 ist noch jeweils ein elektrisch isolierendes Kopfteil 3 und ein Fußteil 4 aufgebracht, die jeweils einen mechanisch passiven Bereich darstellen und durch die der gesamte Piezoaktor 1 nach außen hin isoliert werden kann.
In der Fig. 1 ist am Fußteil 4 eine Widerstandsschicht 5 angedeutet, die in Fig. 2 näher erkennbar ist. Hier ist ersichtlich, dass aus der Widerstandsschicht 5 eine mäanderförmige Widerstandsbahn 6 gebildet ist, die mit ihren Enden an Außenelektroden 7 und 8 angeschlossen ist und daher den in der Beschreibungseinleitung erläuterten Ableitwiderstand bildet.
Aus Fig. 3 ist erkennbar, wie die Widerstandsbahnen 6 aus der Widerstandsschicht 5 mit einem Laser freigeschnitten sind und aus Fig. 4 ist auch hier der Anschluss an die Außenelektroden 7 und 8 erkennbar. Die Widerstandsbahnen nach den Fig. 3 und 4 liegen hier nur in einem Bereich der Fläche der Piezolagen 2, wobei alle geometrischen Anordnungen, soweit sie die Widerstandswerte erfüllen, möglich sind.
Die alternative Anordnung nach Fig. 5 zeigt ein Piezoelement 1, bei dem auf der Deckschicht des Kopfteils 3 die Widerstandsschicht 5 angebracht ist, wobei die Ausbildung und der Anschluss der Widerstandsbahn 6, wie zuvor erwähnt, erfolgt.

Claims

1. Piezoelement, mit
einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) zwischen einem passiven Fuß- und einem Kopfteil (3, 4) und dazwischen angeordneten Innenelektroden, die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind, mit
einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innenelektroden mit mindestens einer Außenelektrode (7, 8) für jede Polarität, wobei die Kontaktierung jeweils in dem Bereich erfolgt, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innenelektrode an die Außenseite herangeführt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
im passiven Kopf- und/oder Fußteil (3, 4) eine Widerstandsschicht (5) angeordnet ist, wobei die Anschlüsse des so gebildeten Ableitwiderstandes mit den Außenelektroden (7, 8) kontaktiert sind.

2. Piezoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (5) in einem Druckverfahren auf das Kopf- und/oder Fußteil (3, 4) aufbringbar und anschließend kalibrierbar ist.

3. Piezoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnen (6) des Widerstandes derart in einen Seitenbereich gelegt sind, dass sich eine Anordnung der Bahnen (6) in einem vorgegebenen Abstand zu einer Seite der Außenelektrode (8) ergibt.

4. Piezoelement, mit
einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) zwischen einem passiven Fuß- und einem Kopfteil (3, 4) und dazwischen angeordneten Innenelektroden, die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind, mit
einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innenelektroden mit mindestens einer Außenelektrode (7, 8) für jede Polarität, wobei die Kontaktierung jeweils in dem Bereich erfolgt, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innenelektrode an die Außenseite herangeführt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer versunkenen Anordnung der Innenelektroden eine Widerstandsschicht auf der Außenseite des Piezoelements angeordnet ist und die Bahnen des Widerstandes in die Bereiche der Außenseite gelegt sind, die nicht mit Innenelektroden in Berührung sind, und dass
die Anschlüsse des so gebildeten Ableitwiderstandes mit den Außenelektroden kontaktiert ist.

5. Piezoelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (5) in einem Druckverfahren auf die Außenseite des Piezoelements (1) aufbringbar und anschließend kalibrierbar ist.

6. Piezoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand durch mäanderförmige Bahnen (6) gebildet ist, die durch ein Freischneiden aus der Widerstandsschicht (5) hergestellt sind.

7. Piezoelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnen (6) des Widerstandes aus Cu, AgPd oder AgPt gebildet sind und das Freischneiden durch Laserbearbeitung erfolgt.