-
Hintergrund
der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor, insbesondere für ein Einspritzventil
einer Brennkraftmaschine, mit einem Aktorkörper aus einem piezoelektrischen
Material, der im Betrieb des Piezoaktors expandiert und kontrahiert
und mindestens einer am Aktorkörper
angebrachten, elektrisch leitfähigen Kontaktfahne,
die expandierbar und kontrahierbar ist.
-
Piezoaktoren
der eingangs genannten Art werden unter anderem bei Brennkraftmaschinen
als Stellglied für
Kraftstoffeinspritzsysteme verwendet. Der Piezoaktor ist üblicherweise
aus mehreren zu einem stapelförmigen
Aktorkörper
angeordneten Piezoelementen aufgebaut, zwischen denen metallische Innenelektroden
angeordnet sind. Wird an diesen Innenelektroden eine elektrische
Spannung angelegt, so reagieren die Piezoelemente mit einer Gitterverzerrung.
Als Folge davon expandiert und kontrahiert jedes Piezoelement und
damit der Aktorkörper
in einer Richtung, die durch die Anordnung der Piezoelemente und
der Innenelektroden bestimmt ist.
-
Die
elektrische Kontaktierung der Innenelektroden wird bei bekannten
Piezoaktoren über
eine Grundmetallisierung sichergestellt, die sich streifenförmig über den
Aktorkörper
hinweg erstreckt und an der eine streifenförmige, elektrisch leitfähige Kontaktfahne über zumindest
eine ihrer Kanten angelötet
ist. Die Kontaktfahne erstreckt sich ebenfalls über die gesamte Höhe der stapelförmig angeordneten
Piezoelemente. Eine vom Aktorkörper wegweisende
Außenkante
der Kontaktfahne ist mit einem starren elektrischen Anschlusselement
verbunden.
-
Mit
Hilfe der Kontaktfahne soll ein eventuell in der zugehörigen Grundmetallisierung
auftretender Riss elektrisch überbrückt werden.
Auf diese Weise soll die Zyklenzahl, d.h. die Zahl einer einmaligen
Expansion und Kontraktion des Piezoaktors bzw. des Aktorkörpers in
einer bestimmten Richtung, erhöht werden.
-
Bei
bekannten Piezoaktoren ist die Kontaktfahne in Form einer mit Kupfer
kaschierten Kunststofffolie oder in Gestalt eines Drahtgebildes,
Siebes oder Gewebes ausgebildet.
-
Aufgabe und
Lösung
der Erfindung
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Piezoaktor zu schaffen, der gegenüber einem
bekannten Piezoaktor eine weiterverbesserte elektrische Kontaktierung
und damit eine noch höhere
Zyklenzahl und Lebensdauer aufweist. Erfindungsgemäß soll dabei insbesondere
eine kostengünstige
Außenelektrode mit
einer elektrisch leitfähigen
Kontaktfahne geschaffen werden, die auch für Piezoaktoren mit unterschiedlichen
Innenelektrodendesigns, wie z.B. Interdigitales- oder Eckendesign,
als elektrische Verbindung genutzt werden kann.
-
Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem eingangs
genannten Piezoaktor, insbesondere für ein Einspritzventil einer
Brennkraftmaschine, gelöst, bei
dem die elektrisch leitfähige
Kontaktfahne mit einer strukturierten Folie gestaltet ist.
-
Erfindungsgemäß ist die
Außenelektrode
an einem Aktorkörper
aus piezoelektrischem Material eines Piezoaktors mit einer Folie
gestaltet, in bzw. an der gezielt eine Struktur ausgebildet ist,
die einerseits eine Expansion und Kontraktion der elektrischen Kontaktfahne
zulässt
und andererseits dauerhaft eine elektrische Verbindung zwischen
den Innenelektroden des Aktorkörpers
und einer elektrischen Leitung zum Anlegen einer elektrischen Spannung
am Aktorkörper
sicherstellt. Durch die Struktur der Folie ist die elektrisch leitfähige Kontaktfahne
dehnungstolerant und kann dennoch beispielsweise durch Feinstanzen
oder Laserschneiden kostengünstig
hergestellt werden. Insbesondere Kann eine gute Dehnungstoleranz
in Längsrichtung
einer länglichen elektrisch
leitfähigen
Kontaktfahne hergestellt werden, sodass der Aktorkörper in
seiner Expansions- und Kontraktionsrichtung weitgehend Bewegungsfreiheit
hat.
-
Die
derart gestaltete elektrisch leitfähige Kontaktfahne kann mit
ihrer strukturierten Folie an dem Aktorkörper insbesondere an dessen
Grundmetallisierung kostengünstig
durch einen Lötprozess und/oder
durch Kleben mit einem duktilen Leitpolymer befestigt werden.
-
Zur
Kontaktierung einer elektrischen Zuleitung an der elektrisch leitfähigen Kontaktfahne
kann beispielsweise eine Steckerzuführung durch Widerstands- oder
Laserschweißen
mit dem vom Aktorkörper
abgewandten Rand der strukturierten Folie verbunden werden.
-
Die
Struktur der erfindungsgemäßen Folie
ist besonders vorteilhaft mit Löchern
und/oder Schlitzen gestaltet, die insbesondere als Durchgangslöcher und/oder
Durchgangsschlitze innerhalb der Folie einzelne Bereiche ausbilden,
in denen die Folie leicht zusammengedrückt oder auseinandergezogen
werden kann.
-
Die
Löcher
oder Schlitze sind besonders vorteilhaft in einer als Band gestalteten
Folie im Wesentlichen quer zur Längserstreckung
des Bandes ausgebildet. Das Band weist dadurch in seiner Längsrichtung
eine vergleichsweise geringe Dehnsteifigkeit auf, und kann durch
den benachbarten Aktorkörper leicht
expandiert und kontrahiert werden.
-
Darüber hinaus
sind in der strukturierten Folie vorteilhaft mindestens zwei Reihen
von Löchern oder
Schlitzen nebeneinander ausgebildet. Zwischen den Löchern oder
Schlitzen verbleiben dann Stege, die die Stabilität der Folie
erhöhen
und die Handhabung der Folie insbesondere bei deren Montage erleichtern.
-
Die
Löcher
oder Schlitze der beiden Reihen können jeweils einander gegenüberliegend
angeordnet sein, wodurch zwischen den beiden Reihen ein vergleichsweise
steifer Steg verbleibt. Alternativ können die Löcher oder Schlitze der beiden
Reihen jeweils versetzt zueinander gegenüberliegend angeordnet sein.
Der zwischen den beiden Reihen verbleibende Steg ist dann im Wesentlichen
wellig oder zickzack-förmig
gestaltet, sodass auch dieser Steg in Längsrichtung des Bandes zumindest
geringfügig
expandierbar und kontrahierbar ist.
-
Die
Löcher
oder Schlitze der erfindungsgemäßen Folie
sind ferner vorteilhaft zumindest an einem Seitenrand der Folie
und insbesondere des Bandes offen gestaltet. Zwischen derartigen
Löchern oder
Schlitzen verbleiben in der Folie „Zähne", derart, dass die Folie insgesamt mit
einer Kammstruktur gestaltet ist. Die einzelnen Zähne dieser
Kammstruktur sind vergleichsweise leicht beweglich, sodass die Folie
an ihrem Seitenrand mit den offenen Löchern oder Schlitzen besonders
leicht expandierbar und kontrahierbar ist. Alternativ können die
Löcher
oder Schlitze der Folie bis weit an den Seitenrand der Folie und insbesondere
des Bandes herangeführt
sein, wobei zwischen den derart ausgebildeten „Zähnen" noch jeweils ein kleiner Verbindungssteg
am Seitenrand verbleiben kann. Die schmalen Verbindungsstege verbessern
die Handhabbarkeit der derart gestalteten Folie während deren
Montage und können
dennoch vergleichsweise leicht expandiert und kontrahiert werden.
-
Ein
derart mit einer Kammerstruktur versehener Seitenrand einer erfindungsgemäßen Folie und
insbesondere eines erfindungsgemäßen Bandes kann
dann vorteilhaft an dem Aktorkörper
und insbesondere an einer streifenförmigen Grundmetallisierung
an diesem befestigt sein. Das an seinem Seitenrand nahezu frei expandier-
und kontrahierbare Band lässt
dem Aktorkörper
bei dessen Expansion und Kontraktion die erforderliche Freiheit.
Dennoch stellt das Band dauerhaft eine sichere elektrisch leitende Verbindung
zwischen der Grundmetallisierung des Aktorkörpers und der anzuschließenden elektrischen Leitung
her.
-
Die
Flexibilität
der erfindungsgemäßen strukturierten
Folie kann im Bedarfsfall besonders groß sein, indem die Löcher oder
Schlitze der Folie durch Kanäle,
insbesondere in Längsrichtung
des Bandes miteinander verbunden sind. Die an dem Band zwischen
den Löchern
oder Schlitzen und Kanälen
verbleibenden Finger bzw. Zähne
einer derartigen erfindungsgemäßen Folie
können
mit einem ihrer Enden auf einem einzelnen Streifen einer Grundmetallisierung
an dem zugehörigen
Aktorkörper
befestigt werden, während
die anderen Enden der Finger bzw. Zähne durch das Material der
Folie miteinander verbunden sind und an ihnen dann die anzuschließende elektrische
Leitung angeschweißt
werden kann.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Alternative einer erfindungsgemäßen strukturierten
Folie sind deren Löcher
oder Schlitze meanderförmig
gestaltet.
-
Wie
erwähnt,
ist es ein wichtiger Aspekt bei der erfindungsgemäßen strukturierten
Folie, dass in ihr mehrere voneinander geringfügig beabstandete Finger bzw.
Streifen ausgebildet sind, die einzeln vergleichsweise biegeelastisch
sind und mit einem Ende an einer zugehörigen Grundmetallisierung am
Aktorkörper
und an ihrem anderen Ende an einer zu kontaktierenden elektrischen
Leitung befestigt sind. Die Grundmetallisierung kann dabei als einzelner
Streifen ausgebildet sein, an dem an einer Streifenseite eine Reihe
von Fingern bzw. Streifen absteht oder an beiden Streifenseiten
jeweils eine Reihe von Fingern bzw. Streifen einer strukturierten
Folie angebracht ist. Bei einer bandförmigen Folie können die
einzelnen Finger bzw. Streifen in der Mitte der Folie in deren Längsrichtung
miteinander verbunden sein oder es kann an einem oder beiden Rändern des
Bandes eine Verbindung zwischen den Fingern bzw. Streifen vorgesehen
sein. Derartige Verbindungen verbessern die Handhabbarkeit der erfindungsgemäßen strukturierten
Folie insbesondere während
deren Montage. Die Dehnungstoleranz der Folie kann erfindungsgemäß durch
eine entsprechende Ausgestaltung der Löcher oder Schlitze sowie der
dazwischenliegenden Streifen bzw. Finger entsprechend den zu erfüllenden
Vorgaben eingestellt werden. Durch eine insbesondere versetzte Anordnung
der Löcher
oder Schlitze kann die Dauerhaltbarkeit der erfindungsgemäßen strukturierten
Folie insbesondere hinsichtlich einer eventuellen Rissbildung erhöht werden.
-
Die
erfindungsgemäße strukturierte
Folie und die damit ausgebildeten elektrisch leitfähigen Kontaktfahnen
sind für
verschiedene Innenelektrodendesigns geeignet. Insbesondere können mit
einer derartigen strukturierten Folie vorteilhaft interdigitale- oder
Eckendesigns von Innenelektroden realisiert werden. Bei allen Varianten
der erfindungsgemäßen strukturierten
Folie ist gewährleistet,
dass selbst bei einer eventuellen Rissfortpflanzung aus der Keramik des
piezoelektrischen Materials des Piezoaktors in die erfindungsgemäße strukturierte
Folie hinein die elektrische Anbindung der angeschlossenen Leitung und
somit die Funktion des Piezoaktors bestehen bleibt.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäße Piezoaktoren
anhand der beigefügten
schematischen Zeichnungen näher
erläutert. Es
zeigt:
-
1 die
Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Piezoaktors,
-
2 die
Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Piezoaktors,
-
3a bis 3c Seitenansichten
und eine Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen strukturierten
Folie,
-
4a bis 4c Seitenansichten
und eine Detailansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen strukturierten
Folie,
-
5a bis 5c Seitenansichten
und eine Detailansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen strukturierten
Folie,
-
6a bis 6c Seitenansichten
und eine Detailansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen strukturierten
Folie,
-
7a bis 7c Seitenansichten
und eine Detailansicht eines fünften
Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen strukturierten
Folie,
-
8a bis 8d Seitenansichten
und eine Detailansicht eines sechsten und siebten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen strukturierten
Folie, und
-
9a bis 9c Seitenansichten
und eine Detailansicht eines achten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen strukturierten
Folie.
-
Detaillierte
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In
den 1 und 2 ist jeweils ein Piezoaktor 10 dargestellt,
der einen aus einzelnen Piezoelementen aufgebauten quaderförmigen Aktorkörper 12 und
im Aktorkörper 12 angeordnete
Innenelektroden 14 umfasst. Die Innenelektroden 14 sind
jeweils als dünne
Schichten zwischen den Piezoelementen angeordnet und ragen jeweils
bis an die Seitenflächen
des quaderförmigen
Aktorkörpers 12.
Die Innenelektroden 14 sind über Außenelektroden 16 kontaktiert,
die mittels einer an der jeweiligen Seitenfläche des Aktorkörpers 12 angeordneten
Grundmetallisierung 18 und einer daran angebrachten Kontaktfahne 20 gebildet
sind. An den jeweiligen Kontaktfahnen 20 der Außenelektroden 16 ist
jeweils eine zugehörige
elektrische Leitung 22 angelötet, die durch eine den Aktorkörper 12 umgebende
Isolationsschicht 24 hindurchgeführt ist und zur elektrischen Kontaktierung
der Außenelektroden 16 und
damit auch der Innenelektroden 14 dient. Durch Anlegen
einer elektrischen Spannung an die Leitungen 22 reagiert
das piezoelektrische Material des Aktorkörpers 12 mit einer
Gitterverzerrung, wodurch der Aktorkörper 12 in Richtung
der Blickachse auf die 1 und 2 expandiert
und kontrahiert wird.
-
Damit
insbesondere diese Expansion und Kontraktion des Aktorkörpers 12 während des
Betriebs des Piezoaktors 10 nicht behindert wird, sind die
Kontaktfahnen 20 der Außenelektroden 16 jeweils
mit einer strukturierten Folie 26 gestaltet, die in Form
eines Bandes an der jeweils zugehörigen Grundmetallisierung 18 über die
gestapelten Piezoelemente des Aktorkörpers 12 hinweg angelötet ist.
-
In
den 3a bis 3c ist
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer solchen strukturierten Folie 26 näher veranschaulicht. 3a zeigt
die Seitenansicht des Aktorkörpers 12 und
einer daran ausgebildeten streifenförmigen Grundmetallisierung 18.
Wie in 3b zu erkennen ist, ist an dieser
Grundmetallisierung 18 eine strukturierte Folie 26 mit
einem Seitenrandbereich angelötet.
In der strukturierten Folie 26 ist quer zu deren Längsrichtung
eine Vielzahl Schlitze 28 ausgebildet, die sich von einem
offenen Seitenrand 30 der strukturierten Folie 26 zu
einem geschlossenen Seitenrand 32 hin erstrecken. Am offenen
Seitenrand 30 sind auf diese Weise voneinander beabstandete
Finger gebildet, die am geschlossenen Seitenrand 32 an
Rundungen 34 zusammenlaufen und dort miteinander verbunden
sind. Aufgrund der Schlitze 28 ist die strukturierte Folie 26 insbesondere
an ihrem offenen Seitenrand 30 in Längsrichtung leicht expandier-
und kontrahierbar. Der geschlossene Seitenrand 32 und der
zugehörige
Seitenrandbereich ist hingegen vergleichsweise steif und kann gut
mit einer Leitung 22 kontaktiert werden.
-
In
den 4a bis 4c ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer strukturierten Folie 26 veranschaulicht, die ebenfalls
mit einem Seitenrandbereich des Seitenrandes 30 an einer
einzelnen bandförmigen
Grundmetallisierung 18 angebracht ist. Die strukturierte
Folie 26 gemäß den 4a bis 4c weist
ferner ebenfalls Schlitze 28 auf, die an einem geschlossenen
Seitenrand 32 an Rundungen 34 auslaufen. An dem
gegenüberliegenden
Seitenrand 30 sind die Schlitze 28 jedoch nicht
offen, wie bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 3a bis 3c, sondern
die Schlitze 28 sind durch schmale Verbindungsstege 36 miteinander
verbunden. Die Verbindungsstege 36 erhöhen die Stabilität der strukturierten
Folie 26 und tragen dazu bei, dass die Folie 26 besser
verarbeitet werden kann. Dennoch sind die Verbindungsstege 36 vergleichsweise
leicht verformbar, sodass die strukturierte Folie 26 gemäß den 4a bis 4c ebenfalls
an dem Seitenrand 30 vergleichsweise leicht expandiert
und kontrahiert werden kann.
-
In
den 5a bis 5c und 6a bis 6c sind
Ausführungsbeispiele
strukturierter Folien 26 dargestellt, bei denen die strukturierte
Folie 26 an zwei nebeneinander parallel verlaufenden Streifen
von Grundmetallisierungen 18 mit ihren jeweiligen Seitenrandbereichen
angelötet
ist. An der strukturierten Folie 26 sind dabei zwei Reihen
von Schlitzen 28 nebeneinander ausgebildet, wobei sich
die Schlitze 28 jeweils bis an einen der Seitenränder 30 und 32 der
strukturierten Folie 26 erstrecken und zur Mitte der strukturierten
Folie 26 hin an Rundungen 34 auslaufen. Die Schlitze 28 der
beiden Reihen gemäß 5a und 5c sind
dabei jeweils einander gegenüberliegend
angeordnet und erstrecken sich quer zur Längsrichtung der strukturierten
Folie 26.
-
Bei
dem in den 6a bis 6c veranschaulichten
Ausführungsbeispiel
einer strukturierten Folie 26 sind die Schlitze 28 der
beiden Reihen hingegen jeweils zueinander in Längsrichtung versetzt, sodass
in der Mitte der strukturierten Folie 26 ein leicht wellenförmiger bzw.
zickzackförmiger
Streifen 38 an Folienmaterial verbleibt. An diesem Streifen 38,
der vergleichsweise steif ist, kann entsprechend gut die Leitung 22 angeschlossen
werden.
-
In
den 7a bis 7c und 8a bis 8d sind
Ausführungsbeispiele
einer strukturierten Folie 26 veranschaulicht, deren Schlitze 28 jeweils
quer zur Längsrichtung
der Folie 26 in deren Innenbereich ausgebildet sind, während die
Seitenränder 30 und 32 beide
geschlossen sind. Die Schlitze 28 laufen bei diesen Ausführungsbeispielen
jeweils in der Nähe
der Seitenränder 30 und 32 an
Rundungen 34 aus. Die derart gestalteten strukturierten
Folien 26 sind an ihrem Mittenbereich jeweils an einer einzigen
streifenförmigen
Grundmetallisierung 18 angelötet. Damit die strukturierte
Folie 26 in diesem Mittenbereich besonders leicht expandierbar
und kontrahierbar ist, sind bei dem Ausführungsbeispielen gemäß den 8a bis 8d die
Schlitze 28 in der Mitte der Folie 26 zusätzlich durch
Kanäle 40 verbunden.
Die einzelnen dabei verbleibenden Finger der strukturierten Folie 26 sind
dann einander gegenüberliegend
angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8d einer
strukturierten Folie 26 sind solche Finger zueinander versetzt
angeordnet. Die Finger können
ferner nach Art eines Reißverschlusses ineinandergreifend
angeordnet sein.
-
In
den 9a bis 9c ist
schließlich
ein Ausführungsbeispiel
einer strukturierten Folie 26 dargestellt, bei der sich
ein einzelner mäanderförmiger Schlitz 28 über die
Längsrichtung
der Folie 26 hinweg zwischen deren Seitenrandbereichen
erstreckt. Die derart gestaltete Folie 26 ist in ihrem
Mittenbereich an einer einzelnen streifenförmigen Grundmetallisierung 18 angelötet und
mit ihren beiden, dann geschlossenen Seitenrändern 30 und 32 an
der zugehörigen
Leitung 22 befestigt.