DE102005036107A1 - Piezo-Biegewandler-Anordnung sowie Verfahren zur Herstellung einer derartigen Piezo-Biegewandler-Anordnung - Google Patents

Abstract

Eine Piezo-Biegewandler-Anordnung umfasst einen piezoelektrischen Biegewandler (1) und eine Trägerstruktur (G) für diesen Biegewandler, beispielsweise eine Elektronik-Platine, sowie mechanische und leitfähige Verbindungen (2, 3) zwischen Trägerstruktur (G) und Biegewandler (1).
Um dabei optimal den Anforderungen der freien Beweglichkeit als auch der sicheren mechanischen und auch leitfähigen Verbindung zu genügen, ist die leitfähige Verbindung zwischen Trägerstruktur und Biegewandler (1) durch flexible metallische, leitfähige Kontaktelemente (2, 3) hergestellt, die mit dem Biegewandler (1) allein mittels eines Leitklebers verbunden und mit der Trägerstruktur starr verbunden sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Piezo-Biegewandler-Anordnung, umfassend einen piezoelektrischen Biegewandler und eine Trägerstruktur für diesen Biegewandler, beispielsweise eine Elektronik-Platine, sowie mechanische und leitfähige Verbindungen zwischen Trägerstruktur und Biegewandler, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Piezo-Biegewandler-Anordnung, umfassend die mechanische Anbringung des Biegewandlers an einer Trägerstruktur, vorzugsweise einer Elektronik-Platine, und die Herstellung von leitenden Verbindungen zwischen Biegewandler und Leitern an der Trägerstruktur.
• In verschiedenem Zusammenhang ist es bekannt, leitfähige Verbindungen bei piezoelektrischen Elementen mittels Leitklebern herzustellen. So sind bereits elektrisch aktive Keramik-Lagen mit Kupfer- und Substrat-Lagen mittels Leitkleber verbunden worden. In der DE 100 23 556 A1 beispielsweise ist geoffenbart, die Durchkontaktierungen eines Piezo-Biegewandlers mittels eines Leitklebers realisiert sind.
• Auch die Anbringung von elektrischen Kontakten an keramischen Piezo-Biegewandlern an sich ist bereits bekannt. Davon unabhängig war bei allen diesen Biegewandler-Anordnungen die mechanische Verbindung des Biegewandlers mit seiner Trägerstruktur. Trotz einer den Bewegungen des Biegewandlers folgenden und dennoch sicheren und dauerhaltbaren elektrischen Kontaktierung soll dabei die freie Beweglichkeit des Biegewandler mechanisch möglichst nicht behindert werden. Zu diesem Zweck wurde auch bereits die Kontaktierung von Piezo-Biegewandlern durch Kontaktfedern vorgeschlagen. So ist in der DE 40 33 591 A1 eine Vorrichtung geoffenbart, deren Kontaktfeder auf die Mittelelektrode aufgeschnappt wird oder die die Mittelelektrode gleichzeitig gegen das Gehäuse verspannt. Auch die Verklebung der Kontaktfeder mittels Leitkleber wird vorgeschlagen, während aber gegenüber dem Gehäuse allein die Klemmwirkung besteht.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher eine Anordnung der eingangs angegebenen Art, welche den Anforderungen der freien Beweglichkeit als auch der sicheren mechanischen und auch elektrischen Verbindung genügt.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die leitfähige Verbindung zwischen Trägerstruktur und Biegewandler durch flexible metallische, leitfähige Kontaktelemente hergestellt ist, die mit dem Biegewandler allein mittels eines Leitklebers verbunden und mit der Trägerstruktur starr verbunden sind. Über den Leitkleber wird die mechanische Entkopplung der elektrischen Kontaktierung zwischen Trägerstruktur und Biegewandler garantiert, während die metallischen Kontaktelemente die sichere Verlötung und damit elektrisch leitende Verbindung mit der Trägerstruktur gestatten.
• Eine erste Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Kontaktelemente aus im wesentlichen starren Befestigungsabschnitten zur Verbindung mit Biegewandler bzw. Trägerstruktur bestehen, die mittels eines flexiblen, freien Abschnittes miteinander verbunden sind.
• Diese Variante gewährleistet eine mechanische Entkoppelung der elektrischen Kontaktierung, unabhängig von der mechanischen tragenden Anbringung des Biegewandlers an der Trägerstruktur.
• Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei welcher der freie Abschnitt aus dem gleichen Material wie die starren Abschnitte besteht, jedoch dünner und/oder schmaler ausgeführt ist, bietet den Vorteil, dass dabei über die elektrischen Kontaktelemente auch die tragende Verbindung des Biegwandlers mit der Trägerstruktur hergestellt werden kann. Dabei bleibt aber die mechanische Entkopplung durch die Verwendung des Leitklebers zwischen Kontaktelementen und Biegewandler erhalten.
• Eine erste erfindungsgemäße Variante für die Kombination von mechanischer und elektrischer Verbindung zwischen Biegewandler und Trägerstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass die starren Abschnitte miteinander einen Winkel von ungefähr 90° einschließen.
• Bei einer weiteren Variante ist dagegen vorgesehen, dass der freie Abschnitt durch zwei Teilabschnitte gebildet ist, welche miteinander ebenfalls einen Winkel von ca. 90° einschließen, wobei jeder starre Abschnitt mit dem angrenzenden Teilabschnitt des freien Abschnittes ebenfalls einen Winkel von ca. 90° einschließt.
• Vorteilhafterweise sind jeweils zwei Kontaktelemente einander gegenüberliegend auf beiden Seiten des Biegewandlers vorgesehen.
• Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei einander gegenüberliegende, insbesonders mit der Mittellage von Multimorphen leitfähig verbundene, Kontaktelemente auf der den Befestigungsabschnitten zur Trägerstruktur entgegengesetzten Seite leitend miteinander verbunden sind.
• Vorteilhafterweise ist zur einfachen Befestigung an und/oder elektrischen Verbindung mit der Trägerstruktur vorgesehen, dass die vom Biegewandler wegragenden Befestigungsabschnitte der Kontaktelemente Lötpads bilden.
• Das eingangs beschriebene Verfahren ist zur Lösung der gestellten Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktelemente mittels Leitkleber am Biegewandler befestigt werden, und dass die Kontaktelemente mit der Trägerstruktur starr verbunden werden.
• Vorteilhafterweise ist dabei weiters vorgesehen, dass die Kontaktelemente mit der Trägerstruktur verlötet werden.
• In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand eines bevorzugten, auch in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
• Dabei zeigt die 1 eine Draufsicht auf einen Biegewandler mit erfindungsgemäßen Kontaktelementen im Einbauzustand in einen Gehäuse, 2 zeigt ein Ende eines Biegewandlers mit erfindungsgemäßen Kontaktelementen in perspektivischer Ansicht, 3 ist eine Ansicht des Endes des Biegewandlers der 2 in vergrößerter Seitenansicht, 4 ist eine Draufsicht auf das Ende des Biegewandlers der 2 und 3, 5 zeigt eine weitere Ausführungsform von erfindungsgemäßen Kontaktelementen in perspektivischer Ansicht und 6 zeigt die Kontaktelemente der 5 in einer Ansicht von der Stirnseite.
• Der piezoelektrische Biegewandler 1 ist in 1 in eingebautem Zustand in einem Gehäuse oder einer Haltestruktur einer Elektronik-Platine G dargestellt. Das freie Ende – in der 1 links – dient zur Steuerung von anderen Bauteilen, beispielsweise von Dichtelementen in der Anwendung bei Piezoventilen. Am anderen Ende – in 1 rechts – ist der Biegewandler 1 im Gehäuse oder auf der Platine G oder damit verbundenen Strukturen eingespannt und fixiert, beispielsweise mittels einer Klebeverbindung K. Die elektrische Kontaktierung des Biegewandlers 1 erfolgt auf der über die Klebeverbindung K hinausragende Länge mittels Kontaktelementen 2, 3.
• Wie in der Detailansicht der 2 deutlicher zu erkennen ist, ist der Biegewandler 1 vorzugsweise ein Trimorph mit einer neutralen Mittellage 11 und zwei aktiven Schichten 12 zu beiden Seiten, wobei die Mittellage 11 als dünnere Verlängerung in Längsrichtung des Biegewandlers 1 über den dickeren Abschnitt aus Mittellage 11 und den aktiven Deckschichten 12 hinausragt.
• Zu beiden Seiten des Biegewandlers 1 ist an jeder aktiven Schicht 11 je ein Kontaktelement 2 vorgesehen und mit dieser Schicht 11 mittels eines Leitklebers elektrisch leitend befestigt. Dieses Kontaktelement 2 weist einen ersten, plattenförmigen, ebenen Befestigungsabschnitt 21 auf, der parallel zum Biegewandler 1 liegt und mit diesem verklebt ist. Über einen dünneren und/oder schmaleren Verbindungsabschnitt 22 geht dieser erste Abschnitt 21 in den zweiten, wieder plattenförmigen Befestigungsabschnitt 23 des Kontaktelementes 2 über, der auch ein Lötpad bildet. Dieser Befestigungsabschnitt 23 wird mit der im wesentlichen parallel zum Befestigungsabschnitt 23 orientierten Trägerstruktur (nicht dargestellt) verlötet, wodurch in jedem Fall die elektrische Verbindung zwischen Trägerstruktur und Kontaktelement 2 und weiter dem Biegewandler 1 hergestellt wird. Auch die mechanische Aufhängung des Biegewandlers 1 an der Trägerstruktur kann in dieser Art bewerkstelligt werden. Durch die spezielle Formgebung und dünnere bzw. schmalere Ausführung des Verbindungsabschnittes 22 ist die flexible Verbindung der miteinander einen Winkel von ca. 90° miteinander einschließenden Befestigungsabschnitte 21, 23 gewährleistet.
• Ein weiteres Kontaktelement 3 ist mit der neutralen Mittellage 1 ebenfalls über einen Leitkleber elektrisch leitend verbunden. Dieses weitere Kontaktelement 3 ist symmetrisch zur Mittellage 11 des Biegewandlers 1 aufgebaut. Es umfasst zwei zueinander parallele, plattenförmige, ebene Befestigungsabschnitte 31, die in gleicher Art und Weise wie beim Kontaktelement 2 über einen dünneren und/oder schmaleren Verbindungsabschnitt 32 flexibel in je einen weiteren Befestigungsabschnitt 33 übergehen. Wieder bildet jeder Befestigungsabschnitt 33, der im wesentlichen wieder im wesentlichen senkrecht von der Oberfläche des Biegewandlers 1 absteht, ein Lötpad zur elektrisch leitenden Verbindung mit der Trägerstruktur durch Verlöten und auch allenfalls zur mechanischen Aufhängung des Biegewandlers, falls keine andere mechanische Fixierung des Biegewandlers 1 vorgesehen ist. Die beiden parallelen Abschnitte 31, die auch parallel zum Biegewandler 1 liegen, sind miteinander durch einen bogenförmigen Verbindungsabschnitt 34 verbunden, welcher Verbindungsabschnitt 34 sich geringfügig über die Schmalseite des Biegewandlers 1 erhebt.
• Anstelle der einfach um 90° abgeknickten Ausführungsform, wie sie in den Zeichnungsfiguren 2 bis 4 dargestellt ist, sind auch andere Ausführungsformen möglich, beispielsweise die in den 5 und 6 dargestellte Formgebung, bei der die Verbindungsabschnitte 22a, 32a durch zwei Teilabschnitte gebildet sind, welche miteinander, wie schon die Befestigungsabschnitte 21, 23 bzw. 31, 33 selbst, einen Winkel von ca. 90° einschließen, wobei jeder Befestigungsabschnitt 21, 23 bzw. 31, 33 mit dem angrenzenden Teilabschnitt des freien Abschnittes 22a, 32a ebenfalls einen Winkel von ca. 90° einschließt.
• Allenfalls könnten die Verbindungsabschnitte 22, 32 oder 22a, 32a auch zur Erzielung der erforderlichen Flexibilität aus einem gegenüber dem Material der Befestigungsabschnitte 21, 31 bzw. 23, 33 anderen, flexibleren und dennoch leitfähigen Material angefertigt sein.
• Falls eine von den Kontaktelementen 2, 3 separate mechanische Aufhängung des Biegewandlers 1 an der Trägerstruktur vorgesehen ist, könnten die Verbindungsabschnitte 22, 32 auch als Leiterdrähtchen zwischen den Befestigungsabschnitten 21, 31 bzw. 23, 33 ausgebildet sein.

Claims (10)

1. Piezo-Biegewandler-Anordnung, umfassend einen piezoelektrischen Biegewandler und eine Trägerstruktur für diesen Biegewandler, beispielsweise eine Elektronik-Platine, sowie mechanische und leitfähige Verbindungen zwischen Trägerstruktur und Biegewandler, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Verbindung zwischen Trägerstruktur und Biegewandler (1) durch flexible metallische, leitfähige Kontaktelemente (2, 3) hergestellt ist, die mit dem Biegewandler (1) allein mittels eines Leitklebers verbunden und mit der Trägerstruktur starr verbunden sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (2, 3) aus im wesentlichen starren Befestigungsabschnitten (21, 31 bzw. 23, 33) zur Verbindung mit Biegewandler (1) bzw. Trägerstruktur bestehen, die mittels eines flexiblen, freien Abschnittes (22, 32; 22a, 32a) miteinander verbunden sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Abschnitt (22, 32; 22a, 32a) aus dem gleichen Material wie die starren Abschnitte (21, 31 bzw. 23, 33) besteht, jedoch dünner und/oder schmaler ausgeführt ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die starren Abschnitte (21, 31 bzw. 23, 33) miteinander einen Winkel von ungefähr 90° einschließen.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Abschnitt (22a, 32a) durch zwei Teilabschnitte gebildet ist, welche miteinander ebenfalls einen Winkel von ca. 90° einschließen, wobei jeder starre Abschnitt mit dem angrenzenden Teilabschnitt des freien Abschnittes ebenfalls einen Winkel von ca. 90° einschließt.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Kontaktelemente (2) einander gegenüberliegend auf beiden Seiten des Biegewandlers (1) vorgesehen sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei einander gegenüberliegende, insbesonders mit der neutralen Lage (11) von Multimorphen leitfähig verbundene, Kontaktelemente (3) auf der den Befestigungsabschnitten (33) zur Trägerstruktur entgegengesetzten Seite leitend miteinander verbunden sind (bei 34).
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Biegewandler (1) wegragenden Befestigungsabschnitte (23, 33) der Kontaktelemente (2, 3) Lötpads bilden.
9. Verfahren zur Herstellung einer Piezo-Biegewandler-Anordnung, umfassend die mechanische Anbringung des Biegewandlers an einer Trägerstruktur, vorzugsweise einer Elektronik-Platine, und die Herstellung von leitenden Verbindungen zwischen Biegewandler und Leitern an der Trägerstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktelemente mittels Leitkleber am Biegewandler befestigt werden, und dass die Kontaktelemente mit der Trägerstruktur starr verbunden werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente mit der Trägerstruktur verlötet werden.