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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einem Kontaktelement. Ferner
betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit dem Piezoaktor.
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Aus
der Druckschrift
DE
100 55 241 A1 ist ein Piezoaktor bekannt mit einem Stapel
von übereinanderliegenden
piezoelektrischen Schichten, die jeweils durch eine Elektrodenschicht
voneinander getrennt sind. Zur Kontaktierung des Schichtstapels
ist ein fester Außenanschluss
vorgesehen.
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Aus
der Druckschrift
DE
197 40 570 A1 ist ein piezoelektrischer Aktor bekannt,
bei dem zur Kontaktierung ein Kontaktstift vorgesehen ist.
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Aus
der Druckschrift
DE
197 15 488 C1 ist ein Piezoaktor bekannt, der mittels einer
Kontaktfahne an einem Anschlussstift angeschlossen ist. Aus der
Druckschrift
DE 100
26 635 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, dessen elektrische
Kontaktfläche
mittels Drähten
mit einem festen Stift verbunden ist.
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Aus
der Druckschrift
DE
103 20 161 A1 ist ein Piezoaktor mit einem vorgeformten
Kontaktelement bekannt, das zur Kontaktierung der innen liegenden
Elektrodenschichten in ein Innenloch des Grundkörpers eingeschoben ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Piezoaktor anzugeben,
der gut für
die Anwendung in Kraftfahrzeugen geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Piezoaktor nach dem unabhängigen Patentanspruch 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Piezoaktors und die Verwendung des Piezoaktors
in einem Kraftfahrzeug sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Es
wird ein piezoelektrischer Aktor angegeben, bei dem zur elektrischen
Kontaktierung wenigstens ein sich in Längsrichtung des Aktors erstreckendes,
flexibles Kontaktelement vorgesehen ist, das mittels einer Vielzahl
von Kontaktdrähten
mit Elektrodenschichten bzw. einer Außenelektrode des Aktors leitend
verbunden ist. Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass der piezoelektrische Aktor einen Stapel von übereinanderliegenden
keramischen Schichten aufweist, zwischen denen die Elektrodenschichten angeordnet
sind.
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Gemäß wenigstens
einem Verfahren zur Herstellung einer Ausführungsform der Erfindung ist es
vorgesehen, dass der Piezoaktor einen Aktorkörper aufweist, der gebildet
wird durch Übereinanderstapeln
von keramischen Grünfolien
und dazwischenliegenden, beispielsweise auf die keramischen Grünfolien
aufgedruckten, Elektrodenschichten. Anschließend wird der Stapel von übereinanderliegenden
Schichten gepresst und gesintert, so dass ein monolithisches, einstückiges Bauelement
entsteht, bei dem die einzelnen Grünfolien miteinander versintert
sind.
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Die
Elektrodenschichten sind dabei über
die gesamte Länge
des Aktors verteilt. An die Elektrodenschichten kann eine elektrische
Spannung angelegt erden, wodurch im Aktorkörper elektrische Felder erzeugt
werden, die zu einer mechanischen Längenänderung des Aktorkörpers führt. Die
Elektrodenschichten bilden dabei parallel geschaltete einzelne Kondensatoren.
Elektrodenschichten einer ersten Sorte, die zu einem ersten Pol
des Aktors gehören, sind
dabei abwechselnd verstapelt mit Elektrodenschichten, die zu einem
anderen Pol des Aktors gehören.
Zur Kontaktierung des Aktors ist ein Kontaktelement vorgesehen,
das sich im wesentlichen über die
gesamte Länge
des Aktors erstreckt, so dass auf jeder Höhe des Aktors eine Elektrodenschicht
direkt mit dem Kontaktelement kontaktiert werden kann.
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Gemäß der Erfindung
ist das Kontaktelement ein flexibles Element, d. h., dass es ohne
Beschädigung
mehrfach in verschiedene Richtungen abgebogen werden kann, ohne
dabei zu zerbrechen.
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Eine
solche Kontaktierung des Piezoaktors hat den Vorteil, dass das Kontaktelement
nicht nur zur Anbindung der inneren Elektroden des Aktorkörpers nach
außen
verwendet werden kann, sondern dass das Kontaktelement darüber hinaus
aufgrund seiner Flexibilität
viele verschiedene Möglichkeiten bietet,
den hier beschriebenen Piezoaktor direkt mit einer Spannungsquelle
oder anderen elektronischen Bauelementen bzw. Komponenten zu verbinden.
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Insbesondere
ist der hier beschriebene piezoelektrische Aktor dafür geeignet,
in Kraftfahrzeugen eingesetzt zu werden. Beispielsweise kommt es in
Betracht, den Aktor zur Steuerung von Ventilen in Verbrennungskraftmaschinen
einzusetzen. Kraftfahrzeuge sind üblicherweise starken mechanischen
Belastungen, beispielsweise Vibrationen ausgesetzt. Durch die Verwendung
eines flexiblen Kontaktelementes kann der Piezoaktor besonders vibrationsbeständig ausgeführt werden.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass die elektrische Kontaktierung zwischen dem Kontaktelement
und den Elektrodenschichten, vorzugsweise den Elektrodenschichten
einer ersten Sorte, die einem ersten Pol des Aktors zugeordnet sind,
mittels einer Vielzahl von Kontaktdrähten ausgeführt wird. Vorzugsweise verlaufen
diese Kontaktdrähte
quer zur Längsrichtung
des Piezoaktors.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Aktors sind die Kontaktdrähte über die
gesamte Länge
des Aktors verteilt. Dadurch kann erreicht werden, dass eine zuverlässige Anbindung
aller Elektrodenschichten an das Kontaktelement gewährleistet
ist. Die Verwendung von vorzugsweise dünnen Kontaktdrähten erlaubt
darüber
hinaus auch eine besonders vibrationsfeste Kontaktierung der inneren
Elektroden, da die einzelnen Kontaktdrähte jeder für sich genommen eine hohe Flexibilität aufweist.
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Durch
die Vielzahl von verwendeten Kontaktdrähten kann darüber hinaus
die Auswahlsicherheit des Piezoaktors erhöht werden. Selbst wenn zwei oder
drei Einzeldrähte
abreißen
sollten, beispielsweise aufgrund von Vibrationen, stehen immer noch
genügend
andere Kontaktdrähte
zur Verfügung,
um insgesamt das Bauelement elektrisch betreiben zu können.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Piezoaktors ist es vorgesehen, dass ein Kontaktelement mit einer
Außenelektrode
des Aktors kontaktiert ist. Eine Außenelektrode kann beispielsweise
an einer Außenseite
des Aktorkörpers
aufgebracht sein, wobei sie dort Innenelektroden des Aktors kontaktiert.
Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
des Piezoaktors ist es vorgesehen, dass ein flexibles Kontaktelement
mittels einer Vielzahl von einzelnen Kontaktdrähten mit einer Außenelektrode
des Aktors elektrisch leitend verbunden ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
des Piezoaktors ist es vorgesehen, dass die Länge des flexiblen Kontaktelements
wesentlich größer ist
als die Länge
des Piezoaktors. Beispielsweise kann die Länge des Piezoaktors 45 mm betragen,
während
die Länge
des Kontaktelementes 2 m beträgt.
Dadurch wird erreicht, dass insbesondere beim Einsatz des Aktors
in einem Kraftfahrzeug eine hohe Flexibilität bezüglich des Einsatzortes des
Aktors und seiner Verschaltung mit weiteren Komponenten, beispielsweise
einer Motorsteuerung, gegeben ist.
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Mit
Hilfe eines langen Kontaktelementes kann der Aktor bei feststehender
Stromversorgung praktisch an einer beliebigen Stelle im Kraftfahrzeug, insbesondere
im Motorraum des Kraftfahrzeuges angeordnet werden. Eine weitere
Zwischenkontaktierung, beispielsweise in Form einer elektrischen
Zuleitung von einer Spannungsquelle zu einem Aktor mit kurzen äußeren Anschlüssen kann
dadurch vermieden werden.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Piezoaktors ist es vorgesehen, dass das Kontaktelement einen
Abschnitt aufweist, in dem es von einer Isolierung umgeben ist.
Eine solche Ausführungsform
ist dann besonders vorteilhaft, wenn als Kontaktelement eine Drahtlitze
zum Einsatz gelangt. Durch die Isolierung können Kurzschlüsse weitgehend
verhindert werden.
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Eine
Isolierung kann auch noch für
einen anderen Zweck verwendet werden. Beispielsweise können als
Isolierung farbige Kunststoffe verwendet werden, wobei bei Verwendung
von zwei flexiblen Kontaktelementen mit je einer Isolierung eine
Zuordnung von Farben der Isolierungen zu den elektrischen Polen
des Aktors möglich
ist.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Piezoaktors ist es vorgesehen, dass der Aktorkörper von
einer Vergussmasse umgeben ist. Um die Isolationsfestigkeit eines
solchen Piezoaktors noch weiter zu verbessern, kann es vorgesehen
sein, dass die Isolierung eines Kontaktelementes ein Stück weit
in die Vergussmasse hineinragt. Dadurch kann eine verbesserte Isolation
der Stromzuführung
zum Aktor gewährleistet
werden.
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Erfindungsgemäßist es
vorgesehen, dass das Kontaktelement in Form einer Litze ausgeführt wird,
die aus einer Vielzahl von kleinen Drähten zusammengesetzt ist. Dadurch
kann in besonderer Art und Weise für die hohe mechanische Flexibilität des Kontaktelementes
Sorge getragen werden. Beispielsweise kommt es in Betracht, sogar
eine hochflexible Litze zu verwenden.
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Im
Folgenden werden einer oder mehrere piezoelektrische Aktoren anhand
von Ausführungsbeispielen
und den dazugehörigen
Figuren näher
erläutert:
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1 zeigt
einen piezoelektrischen Aktor in einer seitlichen Ansicht.
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2 zeigt
einen Querschnitt entlang der Linie II-II durch den Aktor aus 1.
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3 zeigt
den Eintrittsbereich eines Kontaktelements in den Bereich der Vergussmasse
eines Piezoaktors.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass in den Figuren Elemente, die einander
gleichen oder die die gleiche Funktion haben, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet
sind. Darüber
hinaus wird darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind
und dass auch Größenverhältnisse
unter Umständen
verzerrt dargestellt sein können,
zur besseren Erläuterung.
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1 zeigt
einen Piezoaktor mit einem Aktorkörper 1, der gebildet
ist durch übereinanderliegende
keramische Schichten 3. Als geeignete piezoelektrische
keramische Schicht kommt beispielsweise eine Schicht aus PZT (=
Blei-Zirkon-Titanat) in Betracht. Zwischen den keramischen Schichten 3 ist eine
Vielzahl von Elektrodenschichten 21, 22 angeordnet.
Die Elektrodenschichten 21, 22 können z.
B. aus Ag/Pd bestehen. Die Elektrodenschichten 21 gehören dabei
zu einer ersten Gruppe von Elektrodenschichten, die dem Pluspol
des Piezoaktors zugeordnet sind. Die Elektrodenschichten 22 gehören zu einer
zweiten Gruppe von Elektrodenschichten, die dem Minuspol des Aktors
zugeordnet sind. Im Beispiel von 1 wechseln
die Elektrodenschichten 21 und die Elektrodenschichten 22 einander
ab.
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Die
Elektrodenschichten 21, 22 sind über die gesamte
Länge des
Piezoaktors verteilt. Dementsprechend sind zwei flexible Kontaktelemente 41, 42 vorgesehen,
die sich in Längsrichtung
des Aktors erstrecken und somit zumindest im wesentlichen die gesamte
Länge des
Aktors erfassen. Quer zur Längsrichtung
des Aktors sind Kontaktdrähte 51, 52 vorgesehen,
die die flexiblen Kontaktelemente 41, 42 mit jeweils
einer Gruppe von Elektrodenschichten 21, 22 verbinden.
Die Kontaktdrähte 51, 52 haben
vorzugsweise eine Dicke von etwa 60 μm.
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Es
ist dabei nicht zwingend, dass eine exakte 1:1-Zuordnung der Anzahl
von Elektrodenschichten 21, 22 und Kontaktdrähten 51, 52 besteht.
Vielmehr kann durch Verwendung von äußeren Kontaktschichten die
exakte Zuordnung aufgehoben werden. Trotzdem ist es vorteilhaft,
wenn die flexiblen Kontaktelemente im wesentlichen über die
gesamte Länge
des Piezoaktors verlaufen. Der Piezoaktor kann eine Länge l von
beispielsweise 45 mm haben. Die Länge L der flexiblen Kontaktelemente
kann beispielsweise 2 m betragen. D. h., dass die Länge der
Kontaktelemente in etwa 50 mal so groß sein kann, wie die Länge des
Piezoaktors. Die Breite b des Piezoaktors kann beispielsweise 6
bis 7 mm betragen. Beispielsweise kann der Aktor eine quadratische
Grundfläche mit
den Abmessungen 5,2 mm × 5,2
mm haben.
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Die
Kontaktdrähte 51, 52 können sich
ebenso wie die Elektrodenschichten im wesentlichen über die
gesamte Länge
des Piezoaktors erstrecken, d. h., dass sie über die gesamte Länge des
Piezoaktors im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind. Dadurch
kann auch die gesamte Länge
des Piezoaktors zuverlässig elektrisch
kontaktiert werden.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch den Aktor aus 1, wobei
die Kontaktierung noch näher
zu erkennen ist.
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Das
Kontaktelement 42 ist mittels des Kontaktdrahtes 52 mit
der Außenelektrode 62 des
Piezoaktors verbunden. Außenelektroden 61, 62 können in Längsrichtung
des Piezoaktors verlaufen und auf gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnet
sein. Jede der Außenelektroden 61, 62 kann
sämtliche Elektroden
einer Sorte, also sämtliche
Elektroden die einem Pol des Piezoaktors zugeordnet sind, kontaktieren.
Dies geschieht dadurch, dass sie einfach auf der Außenseite
des Aktorkörpers
aufgedruckt oder in einem anderen geeigneten Verfahren aufgebracht werden.
Durch das Vorsehen von Freizonen 9 in jeder Elektrodenschicht
kann dafür
gesorgt werden, dass Kurzschlüsse
zwischen den Außenelektroden 61 und 62 verhindert
werden. In 2 ist die Elektrodenschicht 22 im
Querschnitt dargestellt. Die Elektrodenschicht 22 ist mit
dem Außenkontakt 62 elektrisch leitend
verbunden, durch die Freizone 9 jedoch von dem Außenkontakt 61 elektrisch
isoliert. Die Freizone 9 kann beispielsweise als unbedruckter
Teilbereich einer keramischen Schicht hergestellt werden.
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Die
Außenmetallisierung,
die auch als Außenelektrode
bezeichnet wird, wird beispielsweise im Bereich der Freizone 9 durch
Siebdruck und anschließenden
Einbrand aufgebracht. Im Bereich der Freizone 9 ist nur
eine Sorte von Innenelektroden vorhanden, bzw. wird nur eine Sorte
von Innenelektroden bis an den Rand des Aktorkörpers herausgeführt. Die
aus vielen einzelnen Kontaktdrähten 52 bzw. 51 bestehende
Anordnung zur Kontaktierung von flexiblen Kontaktelement und Innenelektroden kann
beispielsweise als Drahtharfe bezeichnet werden. Zur Herstellung
des Piezoaktors wird die Drahtharfe an die Außenmetallisierung und an das flexible
Kontaktelement gelötet.
Anschließend
wird die Vielzahl von Kontaktdrähten 51, 52 mit
dem flexiblen Kontaktelement über
die aktive Kante (in 2 unten rechts) des Aktorkörpers gebogen.
Unter einer aktiven Kante ist in diesem Zusammenhang eine Kante
zu verstehen, bei der Elektroden verschiedener Polaritäten abwechselnd
auftreten und bis an den Rand des Aktorkörpers herausgeführt sind.
Die Anordnung der Isolationszone 9 ist in 2 lediglich
beispielhaft angegeben, sie kann auch an einer anderen Stelle des
Piezoaktors angeordnet sein.
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3 zeigt
den Eintritt eines flexiblen Kontaktelements in die Vergussmasse 8 eines
Piezoaktors.
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Als
Vergussmasse 8 für
den Piezoaktor kann beispielsweise Epoxydharz oder auch ein Silikon-Elastomer
verwendet werden. Durch die Vergussmasse wird der Aktor vor äußeren Einflüssen, beispielsweise
Chemikalien oder auch Feuchtigkeit geschützt.
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In 3 ist
das flexible Kontaktelement in Form einer Litze ausgeführt, die
aus einer Vielzahl von Einzeldrähten 10 gebildet
ist. Beispielsweise können
19 einzelne Einzeldrähte
mit jeweils einem Durchmesser von 0,07 mm verwendet werden. Prinzipiell
ist jedoch die Dicke des flexiblen Kontaktelementes weder nach unten
noch nach oben beschränkt.
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Die
als flexibles Kontaktelement 42 verwendete Litze kann eine
Isolierung 7 aufweisen, wie sie beispielsweise bei üblichen
isolierten Litzen verwendet wird. Die Isolierung 7 kann
beispielsweise aus Polytetrafluorethylen gebildet sein. Dieses Material hat
den Vorteil, dass es eine sehr gute Hochtemperaturbeständigkeit
aufweist. Es ist jedoch darüber
hinaus denkbar, auch jedes andere geeignete, elektrisch isolierende
Material für
die Isolierung der Litze zu verwenden.
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Zur
Verbesserung der elektrischen Isolationseigenschaften des Piezoaktors
ragt die Isolierung 7 über
die Tiefe t in die Vergussmasse 8 hinein. Dadurch ergibt
sich zur Sicherung der elektrischen Isolierung ein Überlapp
der Isolierung der frei in der Vergussmasse 8 liegenden
Litze mit den Leitungen 10 und der im äußeren Bereich des Piezoaktors
lediglich durch die Isolierung 7 isolierten Abschnitt des
Kontaktelements. Die Tiefe t kann vorzugsweise in etwa 1 mm betragen.
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Die
Tiefe t kann aber auch größer oder
kleiner als 1 mm sein. Je größer die
Tiefe t ist, umso besser ist die Isolierung der beiden Pole des
Piezoaktors voneinander. Allerdings wird bei zu großer Tiefe
t ein Teil der Länge
des Kontaktelements nicht mehr für die
Kontaktierung mit den Innenelektroden zur Verfügung stehen, weswegen hier
ein geeigneter Kompromiss vorteilhaft ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktorkörper
- 21,
22
- Elektrodenschicht
- 3
- keramische
Schicht
- 41,
42
- flexibles
Kontaktelement
- 51,
52
- Kontaktdraht
- 61,
62
- Außenelektrode
- 7
- Isolierung
- 8
- Vergussmasse
- 9
- Freizone
- 10
- Einzeldraht
- l
- Länge des
Aktors
- L
- Länge des
Kontaktelements
- b
- Breite
des Aktors
- t
- Tiefe
