DE102004005448A1

DE102004005448A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE102004005448A1
Application number: DE102004005448A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schoor
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2005-08-25

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind. Aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden (2, 3) ist eine wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) jeweils nach außen führbar. Die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) erfolgt mit Kontaktelementen (5, 6), zum Beispiel aus einem Geflecht, Gewebe oder beliebigen Knäuel von leitenden Fasern, die jeweils in einer inneren Ausnehmung des Piezoaktors (1) mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert und dabei senkrecht zum Lagenaufbau zu einem Anschlusselement (7, 8) für die äußere Kontaktierung geführt sind.

Description

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

Es ist beispielsweise aus der DE 199 28 189 A1 bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement zur Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen 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.

Der Aufbau eines solchen Piezoaktors erfolgt beim Stand der Technik in mehreren Schichten als sogenannter Multilayer-Aktor, wobei Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils in Wirkrichtung zwischen den Schichten angeordnet werden und mittels Kontaktflächen, die außen an der Oberfläche liegen, in un terschiedlichen Anordnungen kontaktiert werden. Wegen möglicher Risse der Piezokeramik im Kontaktierungsbereich werden hier auch überbrückende Leiter eingesetzt, wie zum Beispiel Wellelektroden oder Siebe, Doppelsiebe oder Netze, die gut haften und die Dehnung während des Arbeitshubes des Piezoaktors mitmachen müssen.

Wenn beispielsweise Piezoaktoren, die als Injektoren in Kraftfahrzeug-Einspritzsystemen eingesetzt werden, einen innenliegenden Anschluss benötigen, werden häufig Fußteile aus Stahl mit entsprechender isolierter Leitungsführung verwendet, wobei die Dichtung des Systems besonders schwierig ist. Die Leitungsführung von der Piezoaktoraußenfläche nach innen zur Zentralbohrung benötigt verhältnismäßig viel Bauhöhe und es müssen Risse, also Unterbrechungen, in der Leitungsführung sicher überbrückt werden.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, weist einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden auf, die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind. Es ist weiterhin eine aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden nach außen führbar. In vorteilhafter Weise erfolgt erfindungsgemäß die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden vorzugsweise mit Kontaktelementen aus einem Geflecht, Gewebe oder beliebigen Knäuel von leitenden Fasern, die jeweils in einer inneren Ausnehmung des Piezoaktors mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert und dabei senkrecht zum La genaufbau zu einem Anschlusselement für die äußere Kontaktierung geführt sind.

Alternativ ist es auch vorteilhaft möglich, dass die Kontaktelemente aus einer oder mehreren ineinanderliegenden, radial vorgespannten Schraubenfedern bestehen, die mit der inneren Ausnehmung galvanisch fest, z.B. verlötet, oder lösbar geklemmt verbunden sind.

Es ist an sich bekannt, dass unter Umständen auch schwierig herzustellende Kontaktierung in Bohrungen vorgesehen werden; insbesondere ist es üblich, dass solche Durchkontaktierungen in Leiterplatten aus Epoxy oder Keramik auch in Mehrlagentechnik durchgeführt werden. Jedoch ist es oft besonders schwierig eine Kontaktierung in tiefen Bohrungen mit Innenleitflächen herzustellen und gleichzeitig eine Überbrückung von Unterbrechungen oder Rissen durch ein geeignetes elastisches Medium zu gewährleisten, wie es bei einem eingangs erwähnten Piezoaktor notwendig ist.

Da das Einbringen einer gut leitenden Flüssigkeit wegen des hohen Temperaturbereichs nur mit einem Druckausgleich möglich ist, zielt die erfindungsgemäße Anordnung auf die Verwendung von trockenen Füllstoffen, wie zum Beispiel ein Metallfaserknäuel.

Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die inneren Ausnehmungen des Piezoaktors mit einer Grundmetallisierung versehen und damit leitfähig beschichtet sind, damit die wechselseitig an die Bohrungen herangeführten Innenelektroden kontaktiert werden. In das im axialen Verlauf des in der inneren Ausnehmung des Piezoaktors als Kontaktelement liegende erfindungsgemäße Geflecht, Gewebe oder beliebige Knäuel von leitenden Fasern können dabei auch leitende feste Zwischenlagen als Scheiben oder Ringe angebracht werden. Insbesondere bei tieferen Ausnehmungen sind solche Zwischenlagen vorteilhaft, damit sich die Knäuel nicht ineinander verschlingen und damit Anpresskraft verlieren.

Erfahrungsgemäß dehnt sich der Piezoaktor in seiner Längsachse aus und unterbricht gelegentlich die Kontaktierungsbahnen in seinem Inneren. Außerdem muss ein relativ hoher Strom in dünnen Schichten geleitet werden, welches eine sichere Kühlung der Leiterbahn erfordert. Hier kann das in die Ausnehmungen eingelegte erfindungsgemäße Metallfaserknäuel dann seine Form ändern, wenn es zusammengedrückt wird. Es stützt sich an der Wandung der Ausnehmung ab, so dass der Kontakt mit vielen Stellen der Ausnehmung hergestellt ist und gleichzeitig ist eine Stromleitung im Knäuel längs der Ausnehmung sichergestellt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in das in der inneren Ausnehmung des Piezoaktors als Kontaktelement liegende Geflecht, Gewebe oder beliebigen Knäuel von leitenden Fasern eine leitende Mittelstange eingebracht, die eventuell auch mit den Zwischenlagen kontaktierbar ist. Die relativ dünne Mittelstange fädelt sich in das jeweilige Knäuel oben und/oder unten ein und es kann damit erreicht werden, dass sich auch die Zwischenlagen oder -scheiben nicht schief stellen können.

Abschließend werden die Kontaktelemente mit Anschlusselementen elektrisch kontaktiert, die außerhalb des Piezoaktors in einen isolierenden Aktorfuß eingebettet sind. Der Piezoaktor und der Aktorfuß werden dann derart dichtend miteinander verbunden, dass die gesamte Anordnung im Bereich aggressiver Flüssigkeiten betreibbar ist. Der mit dem Metallfaserknäuel gefüllte Piezoaktor wird dazu mit etwas überstehenden Kontaktelementen lediglich passend auf einen isolierenden Aktorfuß mit den Anschlusskontakten gestellt und ein isolierender Aktordeckel wird aufge legt und die gesamte Einheit beim Einbau zusammengedrückt.

Hierbei können verschiedene Fußteile mit Anschlussflächen verwendet werden, wobei vorteilhaft für die Bearbeitung ebene und geschlossene Flächen sind.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoaktors wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Piezoaktor mit einem innenliegenden Kontaktelement für die Innenelektroden und
2 eine Teilansicht des Kontaktelements aus einem Metallfaserknäuel.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein als sogenannter Multilayer aufgebauter Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannter Weise aus Piezofolien eines Quarzmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an hier nur beispielhaft mit Bezugszeichen versehene Innenelektroden 2 und 3 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Wirkrichtung 4 erfolgt.
Die wechselseitige Kontaktierungen der Innenelektroden 2 und 3 erfolgen bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Kontaktelementen aus Metallfaserknäuels 5 und 6, die so eingebracht sind, dass sie mit den jeweiligen In nenelektroden 2 oder 3 kontaktieren und dabei senkrecht zum Lagenaufbau jeweils zu einem Anschlusselement 7 oder 8 für die äußere Kontaktierung geführt sind. Im Detail ist ein solches Metallfaserknäuel 5 in 2 gezeigt. Hier nicht dargestellt können alternativ die Kontaktelemente auch aus einer oder mehreren ineinanderliegenden, radial vorgespannten Schraubenfedern bestehen, die mit der inneren Ausnehmung galvanisch fest, z.B. verlötet, oder lösbar geklemmt verbunden sind.
Die inneren Ausnehmungen zur Aufnahme der Metallfaserknäuel 5 und 6 nach der Zeichnung sind mit einer hier nicht sichtbaren Grundmetallisierung versehen. Im axialen Verlauf der Metallfaserknäuel 5 und 6 sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel auch leitende feste Zwischenlagen 9, 10, 11, 12 eingebracht. Weiterhin ist auch eine hier nicht sichtbare leitende Mittelstange in die Metallfaserknäuel 5 und 6 einbringbar, die eventuell auch mit den Zwischenlagen 9 bis 12 kontaktierbar ist.
Zur fertigen Montage des Piezoaktors 1 müssen nur noch die Kontaktelemente 5 und 6 mit den Anschlusselementen 7 und 8 elektrisch kontaktiert werden, die außerhalb des Piezoaktors 1 in einen isolierenden Aktorfuß 13 eingebettet sind, der auch die Dichtebene des Piezoaktors 1 beim Einbau darstellt. Es muss nun nur noch ein isolierender Aktordeckel 14 aufgelegt und die gesamte Einheit zum Einbau zusammengedrückt werden.

Claims

Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind, und mit – einer aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden (2, 3) wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3), die jeweils nach außen führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) mit Kontaktelementen (5, 6) erfolgt, die jeweils in einer inneren Ausnehmung des Piezoaktors (1) mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert und dabei senkrecht zum Lagenaufbau zu einem Anschlusselement (7, 8) für die äußere Kontaktierung geführt sind.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente (5, 6) aus einem Geflecht, Gewebe oder beliebigen Knäuel von leitenden Fasern bestehen.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente aus einer oder mehreren ineinanderliegenden, radial vorgespannten Schraubenfedern bestehen, die mit der inneren Ausnehmung galvanisch fest oder lösbar geklemmt verbunden sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die inneren Ausnehmung zur Aufnahme der Kontaktelemente (5, 6) des Piezoaktors (1) mit einer Grundmetallisierung versehen sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass – in das im axialen Verlauf des in der inneren Ausnehmung des Piezoaktors (1) als Kontaktelement (5, 6) liegende Geflecht, Gewebe oder beliebigen Knäuel von leitenden Fasern leitende feste Zwischenlagen (9, 10, 11, 12) angebracht sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass – in das in der inneren Ausnehmung des Piezoaktors (1) als Kontaktelement (5, 6) liegende Geflecht, Gewebe oder beliebigen Knäuel von leitenden Fasern eine leitende Mittelstange eingebracht ist, die mit Zwischenlagen (9, 10, 11, 12) kontaktierbar ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente (5, 6) mit Anschlusselementen (7, 8) elektrisch kontaktiert sind, die außerhalb des Piezoaktors in einen isolierenden Aktorfuß (13) eingebettet sind und dass der Piezoaktor (1) und der Aktorfuß (13) derart dichtend miteinander verbunden sind, dass die gesamte Anordnung im Bereich aggressiver Flüssigkeiten betreibbar ist.