DE102004004737A1

DE102004004737A1 - Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004004737A1
Application number: DE102004004737A
Authority: DE
Inventors: Axel Endriss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-18
Also published as: WO2005074050A2; JP2007520065A; WO2005074050A3; EP1714328A2

Abstract

Es wird ein Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3) und einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) über Außenelektroden (4), über die eine elektrische Spannung zuführbar ist, vorgeschlagen, bei dem die Außenelektroden (4) zumindest punktweise mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert sind und zwischen den Kontaktierungen ein dehnbarer Bereich zu liegen kommt. Die Außenelektroden (4) bestehen jeweils aus einem Formteil (5) und Einzeldrähten (6), wobei die Einzeldrähte (6) parallel verlaufend zu den Schichten mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert sind und die Einzeldrähte (6) zwischen der Kontaktierung und dem Formteil (5) und/oder Bereiche des Formteils (5) eine dehnungsbeanspruchbare Zone sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

Es ist beispielsweise aus der DE 100 26 005 A1 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. Solche Piezoaktoren können beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden.

Der Aufbau dieses bekannten Piezoaktors erfolgt hier in mehreren Schichten (Multilayer-Aktor), wobei Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden und alternierend an verschiedenen Stellen, zumeist gegenüberliegend, nach außen treten, wo sie durch eine äußere Kontaktierung miteinander elektrisch verbunden sind. Außer zur leitenden Verbindung zu den Innenelektroden dient diese Kontaktierungsschicht als Außenelektrode auch dem eigentlichen elektrischen Kontakt nach außen, im einfachsten Falle also zum Beispiel zum Anlöten eines Anschlussdrahts.

Da die jeweils an einer Seite kontaktierten Innenelektroden in der Regel kammartig in den Lagenaufbau integriert sind, müssen die in Richtung des Lagenaufbaus aufeinanderfolgenden Innenelektroden, wie erwähnt, jeweils abwechselnd an gegenüberliegen Seiten kontaktiert werden. Bei einer Betätigung des Piezoaktors, d.h. bei Anlage einer elektrischen Spannung zwischen den im Lagenaufbau gegenüberliegenden 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 Außenelektroden führen und damit die elektrische Verbindung unterbrechen können. Die Außenelektroden müssen daher wiederum zur Erreichung der erforderlichen Dehnungstoleranz mit zusätzlichen Elektroden versehen werden, die in der Regel auch mechanischen Spannungen standhalten müssen.

Als Kontaktierungsvariante für die Außenelektroden wird häufig eine sogenannte Grundmetallisierung, bestehend aus einer Metall- und Glasfritte enthaltenden Einbrennpaste, eingesetzt. Solche Pasten zeichnen sich durch eine gute Haftung auf Piezokeramiken einerseits, als auch durch eine gute elektrische Leitfähigkeit andererseits aus. Die geforderte Dehnungstoleranz wird mit ihnen allein allerdings im allgemeinen nicht erreicht, weshalb damit kein sicherer Dauerbetrieb, insbesondere für den Fall des dynamischen Betriebs, möglich ist. Um dies zu ermöglichen wird eine zusätzliche, möglichst dehnungstolerante Schicht aufgebracht. Diese soll auch dann elektrisch leitend überbrücken wenn die Grundmetallisierungsschicht darunter durch Risse unterbrochen ist, d.h. sie muss rissüberbrückend wirken.

Varianten mit denen dies bewerkstelligt werden kann sind z.B. mehrere angelötete Einzeldrähte, ein aufgelötetes Sieb, ein Metallgeflecht, ein Metallschaum, eine Drahtwendel oder eine andere dehnungstolerante elektrisch leitende Konstruktion. Außer durch Löten kann die mechanisch feste und elektrisch leitende Verbindung auch durch Kleben, beispielsweise mit einem elektrisch leitenden Polymer oder Leitkleber oder durch Schweißen, zum Beispiel Widerstandsschweißen auf der Grundmetallisierung, hergestellt werden.

Nachteilig an den genannten Varianten ist vielfach ein hoher Fertigungsaufwand, z.B. einzeln angelötete Einzeldrähte oder eine nur unzureichende Zuverlässigkeit, wie zum Beispiel bei aufgelöteten welligen Blechstreifen. Im Falle einer elektrisch leitenden Polymerschicht ist der elektrische Anschluss das Problem. Entweder es muss ein nachträglich kontaktierbares Element, etwa ein darin eingelegtes Metallgewebe, mit eingelegt werden, oder es muss der Kontakt noch vor dem Aushärten des Polymers mit diesem in Verbindung gebracht werden.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden und einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden über Außenelektroden, über die eine elektrische Spannung zuführbar ist, ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, dass die Außenelektroden jeweils aus einem Formteil und Einzeldrähten bestehen.

Die parallel zu den Schichten verlaufenden Einzeldrähte sind mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert und die Einzeldrähte zwischen der Kontaktierung und dem Formteil und/oder Bereiche des Formteils bilden eine dehnungsbeanspruchbare Zone.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Formteil ein Siebgewebe ist, bei dem die Verlängerungen der in Schichtrichtung verlaufenden Gewebeteile die Einzeldrähte darstellen. Alternativ kann das Formteil auch eine Metallfläche sein, an die die Einzeldrähte angefügt sind.

Mit der Erfindung ist auf einfache Weise erreicht, dass eine sichere elektrisch leitende Kontaktierung des Piezoaktors nach innen und außen gewährleistet ist und auch ein guter mechanischer Kontakt durch eine einfache Herstellungsmethode zu bewerkstelligen ist. Damit wird eine möglichst große Dehnungstoleranz bei der Kontaktierung erreicht ohne dabei den fertigungstechnischen Aufwand gegenüber den bekannten Anordnungen zu erhöhen.

Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines solchen Piezoaktors das Formteil und die Einzeldrähte streifenförmig aus einem Metallband ausgestanzt und dieses Band zunächst aufgewickelt wird. In einer Herstellungsvorrichtung werden die Einzeldrähte über den zu kontaktierenden Innenelektroden positioniert und mit diesen durch Löten oder Schweißen kontaktiert. Alternativ kann mittels eines Siebdruckverfahrens ein elektrisch leitendes Polymer auf die zu kontaktierenden Bereiche der Innenelektroden aufgebracht und die Einzeldrähte hier dann eingedrückt werden.

An einem Ende der Außenelektrode hinter den Einzeldrähten und eventuell am anderen Ende hinter dem Formteil erfolgt mit einem geeigneten Stanzwerkzeug eine Abtrennung aus dem Band. Weiterhin kann auf einfache Weise das Formteil auf die kontaktierte Seite des Piezoaktors heruntergefaltet werden und am heruntergeklappten Formteil kann dann die elektrische Kontaktierung der Außenelektrode vorgenommen werden. Es ist auch möglich, dass vor der Einbringung des Bandes mit den vorgestanzten Formteilen in die Herstellungsvorrichtung Kontaktierungspins auf das Formteil aufgebracht werden.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine Ansicht eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und Innenelektroden sowie einer Kontaktierung mit Einzeldrähten und einem angehängten Formteil aus einem Siebgewebe,
2 eine Ansicht des Piezoaktors nach der 1 mit einem heruntergeklappten Formteil,
3 ein Ausführungsbeispiel einer in Bandform vorgefertigten Außenelektrode mit einem Formteil aus einem Siebgewebe,
4 ein anderes Ausführungsbeispiel einer in Bandform vorgefertigten Außenelektrode mit einem Formteil aus einem Metallblech und
5 eine Prinzipansicht einer Herstellungsvorrichtung zum Kontaktieren des Piezoaktors mit der Außenelektrode in Bandform.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise als Schichtaufbau aus Piezofolien eines Keramikmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden 2 und 3 jeweils über eine hier sichtbare Außenelektrode 4 für die Innenelektroden 2 und eine nicht sichtbare Außenelektrode für die Kontaktierung der Innenelektroden 3 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Richtung des Schichtaufbaus erfolgt.
Die beispielhaft gezeigte Außenelektrode 4 besteht hier aus einem metallisches Gewebeband mit periodisch stark schwankender Maschenweite, so dass ein Formteil 5 entsteht und auf dem Piezoaktor 1 nur Einzeldrähte 6 zu liegen kommen. Die Innenelektroden 2 werden gemäß dieser Ansicht damit nur durch einzelne, parallel zu den Schichten der Innenelektroden 2 verlaufende Einzeldrähte 6 kontaktiert.
Die elektrisch leitende Verbindung der Einzeldrähte 6 zu den Innenelektroden 2 des Piezoaktors 1 erfolgt dabei vorzugsweise durch Auflöten, zum Beispiel durch Bügel- oder Thermodenlöten, unter Zuhilfenahme einer Lötfolie bzw. Einbrennpaste 7 oder alternativ über eine Leitpolymer 7, in das die Einzeldrähte 6 eingedrückt werden können. Hierdurch ist es möglich eine nur in einer Dimension ausgedehnte Kontaktierung, senkrecht zur Dehnungsrichtung, herzustellen, wodurch eine besonders dehnungstolerante Struktur der Kontaktierung der Außenelektrode 4 verwirklicht wird. Aus 2 ist zu entnehmen, dass das Siebgewebeformteil 5 auf die Seite des Piezoaktors 1 heruntergeklappt ist.
Anhand von 3 bis 5 sollen mögliche Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Piezoaktor erläutert werden. Zur einfachen Montage kann das Material für die Herstellung des Formteils 5 und der Einzeldrähte 6 streifenförmig ausgestanzt auf ein Band 10 gewickelt werden. Aus der 3 ist ein durchgehendes Siebgewebe mit un terschiedlicher Maschenweite und aus der 4 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem flächigen Formteil 5 aus Metall zu entnehmen, an dem bereits Kontaktierungspins 13 angebracht sind.
Zur Kontaktierung wird das Band 10 in einer Herstellungsvorrichtung nach der 5 abgewickelt und gespannt auf oder über dem Piezoaktor 1 positioniert. Eine Lötfolie 7 kann anschließend automatisiert zugeführt und die Einzeldrähte 6 können als Drahtharfe zum Beispiel mittels eines Thermodenwerkzeugs 11 niedergehalten und an die Innenelektroden 2 angelötet werden. Möglich ist hier auch Softbeamlöten oder Widerstandsschweißen. Anstatt durch eine aufgedruckte elektrisch leitende Einbrennpaste kann die Oberfläche des Piezoaktors 1 auch galvanisch metallisiert sein. Um eine gute Temperaturwechselbeständigkeit zu erreichen, können die Einzeldrähte 6 beispielsweise aus Invar (FeNi36) gefertigt sein.
Nachfolgend werden dann die Einzeldrähte 6 zum Beispiel mittels eines in das Thermodenwerkzeug 11 nach der 5 integrierten Cuters 12 gekappt und ein neuer Piezoaktor kann danach kontaktiert werden. In einem weiteren Schritt wird nun das noch überstehende Formteil 5 umgeklappt und auf den Piezoaktor 1 umgefaltet, wobei das hier nicht dargestellte Faltwerkzeug dabei idealerweise gleich mit in die Herstellungsvorrichtung integriert ist.
Die abschließende Kontaktierung der so gebildeten Außenelektrode 4 erfolgt im Anschluss dann auf dem umgeklappten Formteil, zum Beispiel durch Widerstandsschweißen.

Claims

Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), – einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) über Außenelektroden (4), über die eine elektrische Spannung zuführbar ist, wobei – die Außenelektroden (4) zumindest punktweise mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert sind und zwischen den Kontaktierungen ein dehnbarer Bereich zu liegen kommt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Außenelektroden (4) jeweils aus einem Formteil (5) und Einzeldrähten (6) bestehen, wobei die Einzeldrähte (6) parallel zu den Schichten verlaufend die Innenelektroden (2, 3) kontaktieren und die Einzeldrähte (6) zwischen der Kontaktierung und dem Formteil (5) und/oder Bereiche des Formteils (5) eine dehnungsbeanspruchbare Zone sind.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Formteil (5) ein Siebgewebe ist, bei dem die Verlängerungen der in Schichtrichtung verlaufenden Gewebeteile die Einzeldrähte (6) darstellen.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Formteil (5) eine Metallfläche ist, an die die Einzeldrähte (6) angefügt sind.
Piezoaktor nach ein der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Formteil (5) und die Einzeldrähte (6) zusammenhängend aus einem Metallband (10) herausgestanzt sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Formteil (5) nach der Kontaktierung der Einzeldrähte (6) auf die Außenfläche des Piezoaktors (1) heruntergeklappt ist und die elektrischen Anschlusskontakte (13) für die Zuführung der elektrischen Spannung für die Innenelektroden (2, 3) trägt.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest die Einzeldrähte (6) aus Invar hergestellt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Formteil (5) und die Einzeldrähte (6) streifenförmig aus einem Metallband (10) ausgestanzt und dieses Band (10) aufgewickelt wird, dass – in einer Herstellungsvorrichtung die Einzeldrähte (6) über den zu kontaktierenden Innenelektroden (2) positioniert und mit diesen kontaktiert werden, dass – an einem Ende der Außenelektrode (4) hinter den Einzeldrähten (6) aus dem Band (10) erfolgt und dass – das Formteil (5) auf die kontaktierte Seite des Piezoaktors (1) heruntergefaltet wird, dass – am heruntergeklappten Formteil (5) die elektrische Kontaktierung (13) der Außenelektrode (4) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Einzeldrähte (6) durch Löten oder Schweißen an den Innenelektroden (2, 3) kontaktiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – mittels eines Siebdruckverfahrens ein elektrisch leitendes Polymer (7) auf die zu kontaktierenden Bereiche der Innenelektroden (2, 3) aufgebracht wird und die Einzeldrähte (6) hier eingedrückt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – vor der Einbringung des Bandes (10) mit den vorgestanzten Formteilen (5) in die Herstellungsvorrichtung Kontaktierungspins (14) auf das Formteil (5) aufgebracht worden sind.