DE102004028884A1 - piezo actuator - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), wobei Außenelektroden (5, 8; 10, 11) flächenhaft aufgebracht sind und mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert sind. Die Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) im Eckbereich des Piezoaktors (1) ist derart vorgenommen, das ein sich über die zu kontaktierende Länge des Piezoaktors (1) erstreckender Seitenstreifen (4) der jeweiligen flächenhaften Außenelektrode (5, 8; 10, 11) mit dem Piezoaktor (1) und den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert ist und ein anderer Seitenstreifen der flächenhaften Außenelektrode (5, 8; 10, 11) mit einem Anschlusskontakt (7, 9) für die äußere Spannungszuführung versehen ist. Zwischen den beiden Seitenstreifen (4) ist ein flexibler Bereich (6) vorhanden.A piezoelectric actuator, for example for actuating a mechanical component, is proposed, having a multilayer structure of piezoelectric layers and internal electrodes (2, 3) arranged therebetween, wherein external electrodes (5, 8; 10, 11) are applied in a planar manner and connected to the respective internal electrodes (2 , 3) are contacted. The contacting of the internal electrodes (2, 3) in the corner region of the piezoactuator (1) is carried out in such a way that a side strip (4) of the respective planar outer electrode (5, 8, 10, 11, 11) extends over the length of the piezoactuator (1) to be contacted ) is contacted with the piezoelectric actuator (1) and the respective inner electrodes (2, 3) and another side strip of the planar outer electrode (5, 8, 10, 11) is provided with a connection contact (7, 9) for the external voltage supply. Between the two side strips (4) a flexible area (6) is present.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.The The invention relates to a piezoelectric actuator, for example for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.

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.It is well known that taking advantage of the so-called piezoelectric effect a piezoelectric element made of a material having a suitable crystal structure can be built. When applying an external electrical voltage there is a mechanical reaction of the piezoelectric element, depending on from the crystal structure and the plant areas of the electric Stress represents a pressure or train in a predeterminable direction.

Der Aufbau dieses Piezoaktors kann hier in mehreren Schichten erfolgen (Multilayer-Aktoren), wobei die Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten in Form eines sogenannten interdigitalen Innenelektrodendesigns angeordnet werden. Solche Piezoaktoren können beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden.Of the Construction of this piezoelectric actuator can be done here in several layers (Multilayer actuators), wherein the internal electrodes, over the the electrical voltage is applied, in each case between the layers in the form of a so-called interdigital internal electrode design to be ordered. Such piezo actuators can, for example, for the drive of Switching valves in fuel injection systems in motor vehicles be provided.

Aus der DE 100 26 005 A1 ist ein solcher Piezoaktor bekannt, bei dem die jeweiligen Außenelektroden, die die Innenelektroden mit den erforderlichen Spannungspotentialen versorgen, netz- oder gewebeartig auf jeweils einer Seitenfläche verteilt aufgebaut und zumindest punktweise mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind. Die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden sind dabei derart über den Mehrschichtaufbau der Piezolagen verlängert, dass an den Verlängerungen die Zuführung der elektrischen Spannung über entsprechende Anschlüsse erfolgt.From the DE 100 26 005 A1 Such a piezoactuator is known, in which the respective outer electrodes, which supply the internal electrodes with the required voltage potentials, are distributed network-like or fabric-like on one side surface and are contacted at least pointwise with the respective internal electrodes. The mesh or fabric-like outer electrodes are extended in such a way over the multi-layer structure of the piezo layers, that at the extensions, the supply of electrical voltage via corresponding terminals.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Der eingangs beschriebene Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden weist flächenhafte Außenelektroden auf, die mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind. Erfindungsgemäß ist in vorteilhafter Weise die Kontaktierung der Innenelektroden im Eck- oder Seitenbereich des Piezoaktors derart vorgenommen, dass ein sich über die zu kontaktierende Länge des Piezoaktors erstreckender Seitenstreifen der jeweiligen flächenhaften Außenelektrode mit dem Piezoaktor und den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert ist und ein anderer Seitenstreifen der flächenhaften Außenelektrode ist mit einem Anschlusskontakt für die äußere Spannungszuführung versehen. Zwischen den beiden Seitenstreifen ist ein flexibler Bereich vorhanden.Of the Initially described piezoelectric actuator with a multi-layer structure of Piezo layers and interposed internal electrodes has planar external electrodes on, which are contacted with the respective internal electrodes. According to the invention is in Advantageously, the contacting of the internal electrodes in the corner or side portion of the piezoelectric actuator made such that a over the length to be contacted of the piezoelectric actuator extending side strip of the respective planar outer electrode contacted with the piezoelectric actuator and the respective internal electrodes is and another side strip of the surface outer electrode is with a connection contact for provided the external power supply. There is a flexible area between the two side strips.

Mit der Erfindung ist es in vorteilhafter Weise möglich, Außenelektroden so zu gestalten, dass sie speziell für Piezoaktoren geeignet sind, die nur einen schmalen Streifen auf der Oberfläche für die Kontaktierung zur Verfügung haben. Dies kommt insbesondere bei einer sogenannten Übereckkontaktierung zum Tragen, wo aufgrund des speziel len Innenelektrodendesigns außen nur ein kleiner Bereich zur Kontaktierung zur Verfügung steht. Diese Art des Innenelektrodendesigns wird häufig gewählt, um eine möglichst große aktive Fläche ausnützen zu können, wobei aber auch hier ein relativ kleiner passiver Bereich existiert, der im Betrieb zu Rissen neigt. Hier ist eine spezielle flächenhafte Außenelektrode besonders vorteilhaft, welche auch bei Rissbildung die Stromzuführung zu den Innenelektroden sicherstellt.With Advantageously, the invention makes it possible to design external electrodes in such a way that that they are specially for Piezoelectric actuators are suitable, the only a narrow strip on the surface for the Contacting available to have. This is especially true in a so-called Übereckkontaktierung Wear, where due to the special len inner electrode design outside only a small area is available for contacting. This type of internal electrode design becomes common selected one as possible size active area exploit to be able to but also here a relatively small passive area exists, which tends to crack during operation. Here is a special areal outer electrode particularly advantageous, which even when cracking the power supply too ensures the internal electrodes.

Die erfindungsgemäße Kontaktierung der Innenelektroden ermöglicht zusammenfassend also eine Elektrodenstruktur, die nur auf einem schmalen Streifen an die Innenelektrode angebunden ist, aber voll die Funktionen der Außenelektrode übernimmt, nämlich insbesondere die Kontaktierung des Bauteils nach außen, die Stromzuführung zu den Innenelektroden und bei Rissbildung in der Keramik des Piezoaktors eine Brückenbildung über die Risse hinweg bzw. eine Toleranz gegenüber Rissen.The Contact according to the invention allows the internal electrodes In summary, therefore, an electrode structure that is only on one narrow strip is tied to the inner electrode, but full the functions of the outer electrode takes over, namely in particular the contacting of the component to the outside, the power supply to the internal electrodes and cracking in the ceramic of the piezoelectric actuator a bridge over the Cracks away or a tolerance to cracks.

Als Ausführungsformen für die flächenhaften Außenelektrode kann beispielsweise eine elektrisch leitende Folie, z.B. eine besputterte Kaptonfolie, eine Teflonfolie oder vergleichbares verwendet werden. Auch kommt hier eine mit Metallflakes durchsetzte Gummifolie oder eine mit einem Leitkleber ein- oder beidseitig beschichtete Plastikfolie in Betracht.When embodiments for the planar outer electrode For example, an electrically conductive foil, e.g. a spattered Kapton film, a Teflon film or equivalent can be used. Also here comes a metal foil interspersed rubber foil or a with a conductive adhesive one or both sides coated plastic film into consideration.

Vorteilhaft anwendbar ist hier auch eine flächenhafte Außenelektrode aus einem netz-, gewebe- oder siebartigen Material, zum Beispiel ein metallisches Invar-Sieb. In jedem Fall kann die flächenhafte Außenelektrode in an sich bekannter Weise mit dem jeweiligen Anschlusskontakt und den Innenelektroden verlötet oder verschweißt werden.Advantageous applicable here is also a planar outer electrode from a net, fabric or sieve-like material, for example a metallic Invar sieve. In any case, the planar outer electrode in a conventional manner with the respective terminal contact and soldered to the internal electrodes or welded become.

Bei einem bevorzugten Anwendungsfall ist die flächenhafte Außenelektrode mit ihrem flexiblen Bereich um den Eckbe reich des Piezoaktors herumgeführt. Andererseits kann die flächenhafte Außenelektrode mit ihrem flexiblen Bereich sich auch an der Seitenfläche des Piezoaktors, bevorzugt auch hier in der Nähe des Eckbereichs, befinden. Als Anschlusskontakt für die äußere Spannungszuführung kann die flächenhaften Außenelektrode auf einfache Weise mit einem metallischen Kontaktpin versehen werden.at A preferred application is the planar outer electrode with her flexible area around the Eckbe rich led around the piezoelectric actuator. on the other hand can the areal outer electrode with its flexible area also on the side surface of the Piezoactors, preferably here in the vicinity of the corner, are located. As a connection contact for the external power supply can the areal outer electrode be provided in a simple manner with a metallic contact pin.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:embodiments the piezoelectric actuator according to the invention will be explained with reference to the drawing. Show it:

1 eine schematische Ansicht eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und einer flächenhaften Außenelektrode, 1 FIG. 2 a schematic view of a piezoactuator with a multilayer structure of layers of piezoceramics and a planar outer electrode, FIG.

2 eine Draufsicht auf die Stirnfläche des Piezoaktors mit Anschlüssen für die Außenelektroden zur Zuführung der elektrischen Spannung, 2 a plan view of the end face of the piezoelectric actuator with connections for the external electrodes for supplying the electrical voltage,

3 eine Variante der flächenhaften Außenelektrode als Sieb-Außenelektrode und 3 a variant of the planar outer electrode as a sieve outer electrode and

4 und 5 Ausführungsbeispiele der geometrischen Anordnung der flächenhaften Außenelektrode. 4 and 5 Embodiments of the geometric arrangement of the planar outer electrode.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

In 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise 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 zwischen den Lagen aus Piezofolie über entsprechende elektrische Anschlüsse eine mechanische Reak tion des Piezoaktors 1 in an sich aus dem Stand der Technik bekannter Weise erfolgt.In 1 is a piezoelectric actuator 1 shown, which is constructed in a conventional manner from piezo films of a ceramic material having a suitable crystal structure, so that taking advantage of the so-called piezo effect when applying an external electrical voltage to internal electrodes 2 and 3 between the layers of piezo film via corresponding electrical connections a mechanical reac tion of the piezoelectric actuator 1 in a manner known per se from the prior art.

In der 1 sind ausschnittsweise wechselseitige Kontaktierungen, hier der Innenelektroden 3 an einem Seitenstreifen 4, im Eckbereich des Piezoaktors 1 mit einer flächenhaften Außenelektrode 5 gezeigt, die mit einem flexiblen Bereich 6 vom Piezoaktors 1 weggeführt ist und über einen Anschlusspin 7 als Anschlusskontakt mit einer elektrischen Spannung versorgt werden kann. Eine Außenelektrode 8, die zur Kontaktierung der Innenelektroden 2 geeignet ist und über einen Anschlusspin 9 als Anschlusskontakt mit der anderen Polarität der elektrischen Spannung versorgt werden kann, ist teilweise ebenfalls aus der 1 ersichtlich.In the 1 are sections of mutual contact, here the internal electrodes 3 on a side strip 4 , in the corner of the piezo actuator 1 with a planar outer electrode 5 shown with a flexible area 6 from the piezoelectric actuator 1 is led away and via a connection pin 7 can be supplied as a terminal contact with an electrical voltage. An outer electrode 8th for contacting the internal electrodes 2 is suitable and via a connection pin 9 can be supplied as a terminal contact with the other polarity of the electrical voltage is partly also from the 1 seen.

Als Material für die Außenelektroden 5 und 8, insbesondere zur Gestaltung des flexiblen Bereichs 6 zwischen dem kontaktierten Seitenstreifen 4 und dem Anschlusspin 7 kann zum Beispiel eine elektrisch leitende, flexible Folie verwendet werden. Je nach geforderter mechanischer Dehnung kommen mehrere Möglichkeiten in Frage, zum Beispiel eine besputterte Kaptonfolie, eine mit Metallflakes durchsetzte Gummifolie, wobei der Füllgrad so hoch sein sollte, dass die geforderte Leitfähigkeit garantiert ist, oder eine mit Leitkleber ein- oder beidseitig beschichtete Plastikfolie. Die Außenelektroden 5 und 8 nach der 1 können auch, sofern sie nicht lötbar sind, an den Piezoaktor 1 angeklebt werden. Die Kontaktierung erfolgt auf dem schmalen Seitenstreifen 4 und die leitende Folie ragt in jedem Fall über den Piezoaktor 1 heraus.As material for the outer electrodes 5 and 8th , in particular for the design of the flexible area 6 between the contacted side strip 4 and the connection pin 7 For example, an electrically conductive flexible film may be used. Depending on the required mechanical elongation, several options are possible, for example a sputtered Kapton film, a rubber film interspersed with metal flakes, wherein the degree of filling should be so high that the required conductivity is guaranteed, or a plastic film coated with conductive adhesive on one or both sides. The outer electrodes 5 and 8th after 1 can also, if they are not solderable, to the piezoelectric actuator 1 be glued. The contact takes place on the narrow side strip 4 and the conductive foil protrudes over the piezoelectric actuator in any case 1 out.

Aus 2 ist eine Draufsicht auf die Stirnfläche des Piezoaktors 1 beispielhaft mit der Innenelektrode 2 zu entnehmen. Eine Kontaktierung ist hier mit der Außenelektrode 8 und für die darunter liegenden Innenelektrode 3 mit der Außenelektrode 5 schematisch angedeutet.Out 2 is a plan view of the end face of the piezoelectric actuator 1 by way of example with the inner electrode 2 refer to. A contact is here with the outer electrode 8th and for the underlying inner electrode 3 with the outer electrode 5 indicated schematically.

In 3 ist als weiteres Ausführungsbeispiel für eine flächenhafte Außenelektrode ein metallisches Siebgeflecht 10 und 11 vorgesehen. Um die Anpassung der Wärmedehnung an die Keramik des Piezoaktors 1 möglichst optimal zu erreichen, wird hier vorzugsweise ein Invar-Sieb vorgeschlagen.In 3 is as a further embodiment of a planar outer electrode, a metallic screen mesh 10 and 11 intended. To adapt the thermal expansion to the ceramic of the piezoelectric actuator 1 To achieve optimal as possible, an invar screen is preferably proposed here.

Aus 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele zu entnehmen, die im Fall der 4 um den Eckbereich außen herumgeführte Außenelektroden 5 und 8 (vgl. 1) und im Fall der 5 an der jeweiligen Seite des Piezoaktors 1 nach innen gewellte Außenelektroden 5 und 8 zeigen.Out 4 and 5 In the case of the 4 outer electrodes guided around the corner area 5 and 8th (see. 1 ) and in the case of 5 on the respective side of the piezoelectric actuator 1 inwardly corrugated outer electrodes 5 and 8th demonstrate.

Claims (11)

Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), – einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (2,3) über Außenelektroden (5, 8; 10, 11), über die eine elektrische Spannung zuführbar ist, wobei – die jeweilige Außenelektrode (5, 8; 10, 11) flächenhaft aufgebracht ist und zumindest punktweise mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) im Eck- oder Seitenbereich des Piezoaktors (1) derart vorgenommen ist, dass ein sich über die zu kontaktierende Länge des Piezoaktors (1) erstreckender Seitenstreifen (4) der jeweiligen flächenhaften Außenelektrode (5, 8; 10, 11) mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert ist und ein anderer Seitenstreifen der flächenhaften Außenelektrode (5, 8; 10, 11) mit einem Anschlusskontakt (7, 9) für die äußere Spannungszuführung versehen ist und dass – zwischen den beiden Seitenstreifen (4) ein flexibler Bereich (6) vorhanden ist. Piezoactuator, with - a multilayer structure of piezo layers and interposed internal electrodes ( 2 . 3 ), - a mutual lateral contacting of the internal electrodes ( 2 . 3 ) via external electrodes ( 5 . 8th ; 10 . 11 ), via which an electrical voltage can be supplied, wherein - the respective outer electrode ( 5 . 8th ; 10 . 11 ) is applied areally and at least pointwise with the respective internal electrodes ( 2 . 3 ) is contacted, characterized in that - the contacting of the internal electrodes ( 2 . 3 ) in the corner or side area of the piezoelectric actuator ( 1 ) is made such that over the length of the piezoelectric actuator to be contacted ( 1 ) extending side strip ( 4 ) of the respective planar outer electrode ( 5 . 8th ; 10 . 11 ) with the respective internal electrodes ( 2 . 3 ) and another side strip of the outer surface electrode ( 5 . 8th ; 10 . 11 ) with a connection contact ( 7 . 9 ) is provided for the external voltage supply and that - between the two side strips ( 4 ) a flexible area ( 6 ) is available. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die flächenhaften Außenelektrode (5, 8) eine elektrisch leitende Folie ist.Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that - the planar outer electrode ( 5 . 8th ) is an electrically conductive foil. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrisch leitende Folie eine besputterte Kaptonfolie oder eine Teflonfolie ist.Piezoelectric actuator according to claim 2, characterized in that - the electric conductive film, a sputtered Kapton film or a Teflon film is. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrisch leitende Folie eine mit Metallflakes durchsetzte Gummifolie ist.Piezoelectric actuator according to claim 2, characterized in that - the electric conductive foil is a rubber foil interspersed with metal flakes. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrisch leitende Folie eine mit einem Leitkleber ein- oder beidseitig beschichtete Plastikfolie ist.Piezoelectric actuator according to claim 2, characterized in that - the electric conductive foil one with a conductive adhesive one or both sides coated Plastic wrap is. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die flächenhaften Außenelektrode (10, 11) aus einem netz-, gewebe- oder siebartigen Material ist.Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that - the planar outer electrode ( 10 . 11 ) is made of a net, tissue or sieve-like material. Piezoaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – das netz-, gewebe- oder siebartigen Material ein metallisches Invar-Sieb ist.Piezoelectric actuator according to claim 6, characterized in that - the network-, fabric or sieve-like material is a metallic Invar sieve. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die flächenhaften Außenelektrode (5, 8; 10, 11) mit ihrem flexiblen Bereich (6) um den Eckbereich des Piezoaktors (1) herumgeführt ist.Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that - the planar outer electrode ( 5 . 8th ; 10 . 11 ) with its flexible area ( 6 ) around the corner area of the piezoelectric actuator ( 1 ) is guided around. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die flächenhaften Außenelektrode (5, 8; 10, 11) mit ihrem flexiblen Bereich (6) sich an der Seitenflächen des Piezoaktors (1) an der die Kontaktierung zu den Innenelektroden (2, 3) liegt befindet.Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 7, characterized in that - the planar outer electrode ( 5 . 8th ; 10 . 11 ) with its flexible area ( 6 ) on the side surfaces of the piezoelectric actuator ( 1 ) at which the contacting with the internal electrodes ( 2 . 3 ) is located. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die flächenhaften Außenelektroden (5, 8; 10, 11) mit einem metallischen Kontaktpin als Anschlusskontakt (7, 9) für die äußere Spannungszuführung versehen ist.Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that - the planar outer electrodes ( 5 . 8th ; 10 . 11 ) with a metallic contact pin as a connection contact ( 7 . 9 ) is provided for the external power supply. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die flächenhaften Außenelektroden (5, 8; 10, 11), die Anschlusskontakte (7, 9) und die Innenelektroden (2, 3) zur Kontaktierung verlötet oder verschweißt sind.Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that - the planar outer electrodes ( 5 . 8th ; 10 . 11 ), the connection contacts ( 7 . 9 ) and the internal electrodes ( 2 . 3 ) are soldered or welded for contacting.
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