DE102004024867B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Kontaktierung eines piezoelektrischen Aktors - Google Patents

Abstract

Bei der Kontaktierung eines piezoelektrischen Aktors (1), insbesondere eines Stapelaktors mit einem dünnen Kontaktdraht (5), der mit einer Wickeltechnik zwischer einer streifenförmig angebrachten Außenmetallisierung (4) und zwei Kontaktpins (2) gewickelt ist, besteht das Problem, dass die Wickelspannung aufgenommen werden muss, damit der sehr dünne und empfindliche Kontaktdraht (5) an den Kanten des Stapelaktors (1) weder geknickt noch beschädigt werden kann. Zur Lösung dieses Problems wird erdindungsgemäß vorgeschlagen, an zwei gegenüberliegenden Seiten des Stapelaktors (1) zusätzlich zu den Kontaktpins (2) jeweils einen Hilfspin (7) zu montieren. Die beiden Kontaktpins (2) sind in der Ebene der Außenmetallisierung (4) angeordnet und können die Wickelspannung aufnehmen, so dass der Kontaktdraht (5) beim Wickeln nicht beschädigt werden kann. Nach dem Verlöten werden überflüssige Drahtteile abgeschnitten. Der Stapelaktor (1) ist zu diesem Zweck mit wenigstens einer sechseckigen Querschnittsfläche ausgebildet.

Description

• Die Erfindung geht von einem Verfahren sowie von einer Vorrichtung zur Kontaktierung eines piezoelektrischen Aktors nach der Gattung der nebengeordnete Ansprüche 1 und 6 aus. Es ist schon bekannt, dass beispielsweise bei Kraftstoffinjektoren für die Einspritzung von Benzin oder Diesel in einen Verbrennungsmotor piezoelektrische Aktoren verwendet werden, die als Stapelaktor ausgebildet sind. Ein derartiger Stapelaktor wird zur Erzeugung eines möglichst großen Stellweges mit mehr als 300 übereinander gestapelten Piezo-Keramikschichten aufgeschichtet, zwischen denen jeweils eine Metallelektrode angeordnet ist. Zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in jeder Piezo-Keramikschicht sind die Metallelektroden wechselweise mit zwei streifenförmig ausgebildeten Außenmetallisierungen verbunden, die an einer äußeren Randfläche des Stapelaktors angeordnet sind. Zur besseren Handhabung sind an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Stapelaktors zwei Kontaktpins vorgesehen. Die Kontaktpins sind über viele parallel geschaltete sehr dünne Kontaktdrähte mit den Außenmetallisierungen verlötet, die mit einer Wickeltechnik aufgebracht werden. Der Stapelaktor wird danach zur Positionierung in einem Gehäuse und zum Schutz gegen Spannungsüberschläge mit einer Silikonmasse blasenfrei vergossen, die auch die Relativbewegung zwischen dem Stapelaktor und den Kontaktpins aufnehmen muss.
• Der Montagevorgang für den Kontaktdraht ist relativ schwierig durchzuführen, da der Kontaktdraht mit nur ca 60 μm sehr dünn und empfindlich ist. Des weiteren können am Kontaktdraht insbesondere beim Umwickeln des Stapelaktors durch die Kanten des Stapelaktors Knick- und Druckstellen entstehen, die zu Unterbrechungen und damit zu späteren Funktionsfehlern führen können. Für dieses Problem ist noch keine Lösung bekannt geworden.
• Aus der guttungsgemaßen DE 100 26 635 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Lotverbindung zwischen einer elektrischen Kontaktfläche eines Körpers und einer Drahtoberfläche zumindest zweier, nebeneinander kreuzungsfrei angeordneter Drähte 20. Dies gelingt durch Vorverlotung der Kontaktfläche mittels einer Lotbahn. Das Verfahren eignet sich zur Kontaktierung eines Aktorkörpers eines Piezoaktors, wobei an einem Metallisierungsstreifen des Aktorkörpers im wesentlich parallel zueinander ausgerichtete, wenige μm dicke Drähte sicher und reproduzierbar angelötet werden können.
• Aus DE 102 29 494 A1 ist ein Piezoaktor mit einem Piezostack und einem aus einem isolierenden Material hergestellten Distanzstück bekannt, welche benachbart zum Piezostack angeordnet ist. Das Distanzstück ist zur Fixierung von Kontaktelementen ausgebildet. Ein Kontakt zwischen den Kontaktelementen und den Piezostack wird über ein Verdrahtungselement hergestellt. Ein Schrumpfelement umgibt den Piezoaktor von außen und fixiert die einzelnen Bauteile des Piezoaktors.
• Aus EP 0 977 284 A1 ist ein piezoelektrischer Vielschicht-Piezoaktor bekannt, der aus mindestens zwei piezoelektrischen Einzelschichten besteht, die durch mindestens eine Elektrode elektrisch ansteuerbar sind, wobei eine hexagonale Querschnittsgeometrie vorliegt.
• Aus der EP 0977284 A1 ist schon ein Vielschicht-Piezoaktor bekannt, der aus mindestens zwei piezoelektrischen Einzelschichten besteht, die durch mindestens eine Elektrode ansteuerbar sind. Zur besseren Nutzung der verfügbaren zylindrischen Raumform ist vorgesehen, für die einzelnen Piezo-Keramikschichten eine hexagonale Querschnittsgeometrie zu verwenden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kontaktierung eines piezoelektrischen Aktors zu vereinfachen und die Funktionssicherheit zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise der Vorrichtung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 6 ergibt sich der Vorteil, dass die Querschnittfläche als Polygon mit wenigstens sechs Seitenflächen ausgebildet ist. Dadurch können in vorteilhafter Weise die beiden Kontaktpins derart angeordnet werden, dass sie in der gleichen Ebene liegen wie die beiden streifenförmigen Außenmetallisierungen. Da die über die Außenmetallisierungen und die Kontaktpins gespannten Kontaktdrähte in der gleichen Ebene liegen, können diese beispielsweise über eine Lötstraße sehr einfach und zeitsparend verlötet werden. Des weiteren wird dadurch verhindert, dass die Kontaktdrähte die einzelnen Piezoschichten an unerwünschten Stellen berühren kann. Als besonders vorteilhaft wird auch angesehen, dass zwei Hilfspins verwendet werden, die an zwei weiteren Seiten des Stapelaktors angeordnet sind. Durch die Hilfspins kann der Kontaktdraht beim Umwickeln des Stapelaktors leicht geführt werden so dass er nicht an den scharfen Ecken und Kanten des Stapelaktors anliegt und dabei beschädigt werden kann. Auch erleichtern die beiden Hilfspins den Wickelvorgang, da der Kontaktdraht mit einer gleichmäßigen Zugspannung ähnlich wie bei einer Spule über die Hilfspins gewickelt werden kann.
• Bei der Vorrichtung nach Anspruch 6 ist ein Käfig vorgesehen, bei dem an einer geeigneten Stelle die beiden Kontaktpins und Hilfspins angeordnet sind. Dadurch vereinfacht sich die Anbringung des Kontaktdraht weiter. Auch lassen sich sehr einfach die beiden Kontaktpins an dem Käfig so positionieren, dass sie in der Ebene der Außenmetallisierungen liegen. Da der Käfig auch zur Aufnahme und Fixierung des Stapelaktors ausgebildet ist, kann nun der Kontaktdraht sehr zuverlässig in der gewünschten Weise um den Stapelaktor und den Käfig gewickelt werden. Darüber hinaus erleichtert der Käfig das Handling des Stapelaktors beim Umwickeln mit dem Kontaktdraht.
• Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüche 1 und 6 angegebenen Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung gegeben. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass die nach dem Verlöten nicht benötigten Drahtteile einfach abgeschnitten werden können. Übrig bleiben dann nur die Drahtverbindungen zwischen den Außenmetallisierungen und den zugeordneten Kontaktpins. Die Hilfspins werden ebenfalls nicht mehr benötigt. Sie können jedoch im Käfig verbleiben, falls es gewünscht ist und werden ebenfalls mit der Silikonmasse vergossen.
• Zum Abschneiden der überflüssigen Kontaktdrähte kann vorzugsweise ein Laser verwendet werden. Der Laser schneidet die Kontaktdrähte an den Lötstellen der Außenmetallisierungen und den Kontaktpins ab, so dass die verbliebenen Kontaktdrähte durch den Schneidevorgang nicht beschädigt werden.
• Eine günstige Lösung wird auch darin gesehen, dass der Käfig beispielsweise durch entsprechend angebrachte Bohrungen die Kontaktpins aufnimmt und sie in ihrer Position fixiert. Eben so kann der Stapelaktor im Käfig fixiert werden, so dass er beim Umwickeln mit dem Kontaktdraht nicht seine Position verändern kann. Das ist besonders wichtig, um den Kontaktdraht mit konstanter Spannung wickeln zu können.
• Zur Optimierung der Querschnittsfläche wird vorzugsweise eine achteckige Flächengeometrie verwendet, da bei dieser Geometrie die Kontaktpins sehr leicht in der Ebene der Außenmetallisierungen angeordnet werden können.
• Bei der Vorrichtung wird als vorteilhaft angesehen, dass der Käfig aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist, in dem die beiden Hilfspins integriert sind. Dadurch sind die beiden Hilfspins ohne nennenswerten Kostenaufwand herstellbar.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• 1 zeigt einen Stapelaktor mit zwei Kontaktpins und zwei Hilfspins, die von einem Kontaktdraht umwickelt sind,
• 2 zeigt den Stapelaktor nach dem Abtrennen der nicht benötigten Kontaktdrähte und
• 3 zeigt einen Käfig in dreidimensionaler Ansicht.
• In 1 ist in Draufsicht ein piezoelektrischer Aktor 1 dargestellt. Der piezoelektrische Aktor 1 ist vorzugsweise als Stapelaktor ausgebildet, der aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten, beispielsweise mehrere hundert Piezo-Keramikschichten aufgebaut ist. Zwischen den einzelnen Piezo-Keramikschichten sind Metallelektroden angeordnet. Die Metallelektroden sind an zwei geschliffenen Seiten 3 abwechselnd mit einer der beiden vertikal verlaufenden streifenförmigen Außenmetallisierungen 4 verbunden.
• Die Querschnittsfläche des Stapelaktors 1 weist eine achteckige Geometrie auf, so dass sich am Umfang des Stapelaktors 1 insgesamt acht Seiten ergeben. An einer oberen und unteren Seite des Stapelaktors 1 sind die beiden streifenförmigen Außenmetallisierungen 4 angeordnet. An den beiden Seiten links oben und rechts unten in 1 sind zwei Kontaktpins 2 erkennbar. Rechts oben und links unten sind die beiden Hilfspins 7 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind sowohl die Kontaktpins 2 als auch die Hilfspins 7 so platziert, dass der Kontaktdraht 5 wie bei einer Spule um den Stapelaktor 1 gewickelt werden kann, ohne dass er an den Kanten des Aktors 1 geknickt wird. Es würde auch genügen, lediglich die Kontaktpins 2 so zu fixieren, dass der Kontaktdraht 5 knickfrei zwischen den Außenmetallisierungen 4 und den zugeordneten Kontaktpins 2 gewickelt werden kann. Für eine sichere Kontaktierung und um den Einfluss von Polungsrissen zu eliminieren ist beispielsweise vorgesehen, den Kontaktdraht 5 etwa 60 mal um den Stapelaktor 1 zu wickeln.
• Um eine optimale Positionierung des Kontaktpins 2 und auch der Hilfspins 7 zu erhalten, ist alternativ vorgesehen, wenigstens eine sechseckige Querschnittsfläche für den Stapelaktor 1 zu verwenden.
• Wie 1 weiter entnehmbar ist, ist der Stapelaktor 1 in einem Käfig 10 zentriert angeordnet und dort in seiner Position fixiert. Zur Aufnahme der beiden elektrisch leitenden Kontaktpins 2 sind entsprechende Bohrungen in dem Käfig 10 vorgesehen, deren Positionen auf die gleiche Ebene der Außenmetallisierungen 4 abgestimmt sind. Durch die jeweils gleiche Ebene lässt sich der Kontaktdraht 5 nicht nur knickfrei spannen, sondern auch sehr einfach, beispielsweise auf einer Lötstrasse automatisch mit den Außenmetallisierungen 4 und den Kontaktpins 2 verlöten. Des weiteren sind an gegenüberliegenden Seiten zwei weitere Bohrungen zur Aufnahme der beiden Hilfspins 7 erkennbar. 1 zeigt den fertig gelöteten Stapelaktor 1.
• In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die beiden Hilfspins in dem Käfig 10 zu integrieren, wie später noch zu 3 näher erläutert wird.
• 2 zeigt den in 1 dargestellten Stapelaktor 1 in Draufsicht. In diesem Fall wurden nach dem Verlöten der Kontaktdrähte 5 mit den Außenmetallisierungen 4 und den Kontaktpins 2 die nicht benötigten Drahtreste entfernt. Des weiteren wurden die nicht mehr benötigten Hilfspins 7 entfernt. In diesem Zustand ist die Vorrichtung fertig, um im nächsten Arbeitsschritt den Käfig 10 mit dem Stapelaktor 1 und den beiden Kontaktpins 2 mit der Silikonmasse zu vergießen. Um einen späteren Zugang zu den Kontaktpins 2 zum Anlegen der Steuerspannung zu erhalten, müssen beim Vergießen entsprechende Kontaktflächen der beiden Kontaktpins 2 freigehalten werden. Zum Vergießen wird vorzugsweise eine in 2 nicht dargestellte Hülse verwendet, so dass die Vorrichtung blasenfrei vergossen werden kann. Das Vergussmaterial muss außerdem die Relativbewegung zwischen dem Stapelaktor 1 und der Umgebung aufnehmen.
• 3 zeigt eine alternative erfindungsgemäße Lösung für den Käfig 10. Der Käfig 10 ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial zur Aufnahme eines achteckigen Stapelaktors 1 hergestellt. Die beiden Seitenteile 12 tragen einen oberen und einen unteren Ring 13, durch die der Stapelaktor 1 fixierbar ist. In dem oberen und unteren Ring 13 sind jeweils vier Bohrungen 11 eingebracht, die zur Aufnahme der beiden Kontaktpins 2 und der Hilfspins 7 dienen. Alternativ ist vorgesehen, die Hilfspins 7 in den Käfig 10 zu integrieren und den Käfig 10 einstückig herzustellen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Kontaktierung eines piezoelektrischen Aktors (1), wobei der Aktor (1) als Stapelaktor mit einer Vielzahl von Piezo-Keramikscheiben aufgebaut ist, zwischen denen jeweils eine Metallelektrode angeordnet ist, wobei jede zweite Metallelektrode wechselweise mit zwei sich gegenüber liegenden streifenförmigen Außenmetallisierungen (4) verbunden ist, und wobei zwei sich gegenüberstehende Kontaktpins (2) vorgesehen sind, die mittels eines dünnen Kontaktdrahtes (5) mit den Außenmetallisierungen (4) durch eine Wickeltechnik mehrfach verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Stapelaktors (1) als Polygon mit wenigstens sechs Seitenflächen ausgebildet ist, dass die zwei Kontaktpins (2) in der gleichen Ebene liegen wie die beiden Außenmetallisierungen (4), dass an zwei weiteren sich gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Hilfspin (7) angeordnet ist, dass der Kontaktdraht (5) mit mehreren Windungen über die beiden Kontaktpins (2), die beiden Hilfspins (7) und die beiden Außenmetallisierungen (4) um den Stapelaktor (1) gewickelt wird und dass anschließend die beiden streifenförmigen Außenmetallisierungen (4) und die beiden Kontaktpins (2) mit dem umwickelten Kontaktdraht (5) verlötet oder verschweißt werden, und dass der Käfig (10) zur Fixierung des Stapelaktors (1) ausgebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verlöten oder Verschweissen die überflüssigen Kontaktdrähte (5) abgeschnitten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die überflüssigen Kontaktdrähte (5) in der Nähe der beiden Außenmetallisierungen (4) und/oder den Kontaktpins (2) vorzugsweise mit einem Laser abgeschnitten werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung der beiden Hilfspins (7) und/oder der beiden Kontaktpins (2) ein Käfig (10) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelaktor (1) mit einer achteckiger Querschnittsfläche ausgebildet ist.
6. Vorrichtung zur Kontaktierung eines Stapelaktors (1), mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Piezo-Keramikscheiben, zwischen denen Metallelektroden angeordnet sind, mit zwei sich gegenüber liegenden streifenförmigen Außenmetallisierungen (4), die an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Aktors (1) angeordnet und wechselweise mit den Metallelektroden verbunden sind, und mit zwei sich gegenüberstehenden Kontaktpins (2), die mittels eines dünnen Kontaktdrahtes (5) mit den Außenmetallisierungen (4) mehrfach durch eine Wickeltechnik verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Käfig (10) aufweist, dass in dem Käfig (10) zwei Kontaktpins 2 und zwei Hilfspins (7) angeordnet sind, dass die Pins (2,7) an zwei gegenüberliegenden Seiten des Stapelaktors (1) fixiert sind und dass die Kontaktpins (2) derart ausgerichtet sind, dass sie in der Ebene jeweils einer zugeordneten Außenmetallisierung (4) liegen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (10) zur Aufnahme und/oder Fixierung des Stapelaktors (1) zwischen den beiden Hilfspins (7) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (10) aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist und dass die beiden Hilfspins (7) in dem Käfig integrierbar sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Verlöten oder Verschweißen eines Kontaktdrahtes (5) nicht benötigte Drahtteile mit einer Schneidevorrichtung abtrennbar sind.