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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einer spiralförmigen Außenkontaktierung nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Ein solcher Piezoaktor ist beispielsweise aus der
DE 102 36 986 A1 bekannt, der zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, wie ein Schaltventil, bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Hieraus ist bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Mehrlagenaufbau von Piezoschichten, jeweils aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so angeordnet werden kann, dass bei Anlage einer elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion der Piezoschichten erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Der Aufbau dieser sogenannten Multilayer- oder Vielschicht-Aktoren erfolgt derart, dass Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Lagen mit den Piezoschichten oder Piezoelementen jeweils mit wechselnder Polarität angeordnet werden.
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Die äußere elektrische Kontaktierung der Innenelektroden eines solchen Vielschicht-Piezoaktors erfolgt in der Regel über eine elektrisch leitende Verbindung auf der äußeren seitlichen Oberfläche des Piezoaktors. Diese Verbindung kann vollflächig, strukturiert oder auch streifenförmig verwirklicht werden. Es handelt sich daher in der Regel um eine sogenannte Einbrand-Metallisierungsschicht und einer mit dieser Metallisierungsschicht stofflich verbundenen, sogenannten Backup-Außenelektrode. Diese Einbrand-Metallisierungsschicht (auch Grundmetallisierung genannt) wird üblicherweise durch Aufbringen einer Metallisierungs-Einbrandpaste auf die zu kontaktierende Außenfläche des gesinterten Bauteils, z. B. im Siebdruck, und anschließendem Einbrennen der Metallisierungsschicht hergestellt.
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Aufgrund von Rissbildung in dieser in der Regel relativ spröden Metallisierungsschicht beim Betrieb des Vielschicht-Piezoaktors müssen die durch entstehende Risse elektrisch voneinander abgetrennten Bereiche der Einbrand-Metallisierungsschicht mit der zusätzlichen Backup-Außenelektrode elektrisch miteinander verbunden werden, um die Funktionsfähigkeit des piezokeramischen Bauteils zu gewährleisten. Diese Backup-Außenelektroden bestehen im Allgemeinen aus einem zusammenhängenden, vorzugsweise netzartigen Metallkörper, der beispielsweise als Siebgewebe, gestanztes Blech, oder Streckmetall (ähnlich sogenannten Koronar-Stents in der Medizintechnik) ausgeführt ist. Die Backup-Außenelektroden sind über die gesamte aktive Lange des Vielschichtbauteils mit der Außenelektroden-Metallisierungsschicht durch geeignete Fügeverfahren, wie beispielsweise Lötverfahren, verbunden und stellen so den elektrischen und mechanischen Kontakt der Außenkontaktierung zu allen Bereichen der Metallisierungsschicht und damit zu jeder Innenelektrode des Vielschichtaufbaus des Piezoaktors sicher.
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Durch die Dehnung des piezokeramischen Vielschichtbauteils wahrend des Betriebs ist die Grenzfläche zwischen der jeweiligen Backup-Außenelektrode und der Metallisierungsschicht sowie die Backup-Außenelektrode selbst, einer zyklischen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt. Insbesondere bei ungünstigen Belastungssituationen und/oder Umgebungsbedingungen beim Betrieb des Piezoaktors kann es zu einer Ablösung und Dekontaktierung der Backup-Außenelektrode von der Metallisierungsschicht kommen, was zum Verlust der Bauteilfunktion führt.
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Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Außenkontaktierungskonzepts ist je nach Ausführung eine gewisse, durch die mechanische Steifigkeit des Außenelektrodenverbunds hervorgerufene Minderung der Bauteilfunktion durch Behinderung der Dehnung des Vielschicht-Piezoaktors. In der eingangs genannten
DE 102 36 986 A1 wird daher vorgeschlagen, spiralförmige Außenelektroden auf die Seitenflächen des Piezoaktors aufzubringen, um eine gewisse mechanische Flexibilität zu erreichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht von einem Piezoaktor mit einem Mehrlagenaufbau aus Piezoelementen aus, die jeweils zwischen Innenelektroden wechselnder Polarität eingefasst sind und die in Richtung des Lagenaufbaus und der Wirkrichtung des Piezoaktors über spiralförmigen Außenelektroden mit jeweils einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind, wobei die spiralförmigen Außenelektroden über eine äußere Metallisierungsschicht mit den jeweiligen Innenelektroden einer Polarität verbunden sind. Gemäß der Erfindung sind die spiralförmigen Außenelektroden in vorteilhafter Weise jeweils in einer sich über die Länge des Piezoaktors in Wirkrichtung erstreckenden Kerbe so eingefügt, dass sich jeweils eine vorgegebene Kontaktfläche zwischen jeweils einem Teilbereich jeder Windung der jeweiligen spiralförmigen Außenelektrode und der Metallisierungsschicht in der Kerbe des Piezoaktors ergibt.
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Die Kontaktflächen sind dabei so gewählt, dass ein hinreichend guter elektrischer Kontakt bei einem minimalen Beitrag zur Steifigkeit des Piezoaktors gewährleistet ist, wobei auf einfache Weise das Material und/oder die Steigung der Windungen so gewählt werden kann, dass sich eine minimale Eigensteifigkeit der spiralförmigen Außenelektroden ergibt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kerbe im Querschnitt als ein Kreissegment (beispielsweise ein Halbkreis) ausgeführt, mit einem zum Radius der jeweiligen spiralförmigen Außenelektroden korrespondierenden Radius, sodass sich als Kontaktfläche ein konkaves Radialsegment einer Zylindermantelfläche ergibt.
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Mit der Erfindung kann somit in vorteilhafter Weise die Aufgabe gelöst werden, eine Verbesserung bei der Anbringung von sogenannten Backup-Außenelektroden für Vielschicht-Piezoaktoren zu erreichen, wobei einerseits ein verringertes Risiko für eine Ablösung oder Dekontaktierung der Backup-Außenelektrode von der Metallisierungsschicht am Piezoaktor und andererseits eine verringerte Behinderung der Bauteildehnung und somit eine verbesserte Bauteilfunktion bewirkt werden kann.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Minimierung der Steifigkeit der Backup-Außenelektrode als Spirale oder Wendel in Bauteillängsrichtung und somit einer Minimierung der durch die Dehnung des Piezoaktors während des Betriebs induzierten mechanischen Spannungen und durch das erfindungsgemäßen Design für die Form der Außenkontaktierungen erreicht.
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An der zu kontaktierenden Bauteilfläche am Piezoaktor kann in an sich bekannter Weise eine Einbrand-Metallisierungsschicht mit gleichmäßiger Schichtdicke aufgebracht werden, um den Kontakt der Backup-Außenelektrode zu allen Innenelektroden des Piezoaktors zu ermöglichen. Auf diese zu kontaktierende, zylindermantelflächenförmige konkave Fläche ist die Backup-Außenelektrode mittels geeigneter Fügeverfahren aufgebracht.
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Da der Draht der spiralfederförmigen Backup-Außenelektrode an jeder Federwindung nur in einem Teilbereich mit der zu kontaktierenden Bauteilaußenfläche am Piezoaktor verbunden ist, trägt die Backup-Außenelektrode im erfindungsgemäßen Spiralfeder-Design nur minimal zur Steifigkeit des Außenelektrodenverbunds in der Bauteillängsrichtung bei. Um einen minimalen Steifigkeitseinfluss der Spiralfeder zu erreichen, ist es daher vorteilhaft, eine Feder mit geringer Eigensteifigkeit und vorzugsweise mit geringer Steigung der Federwindungen zu verwenden.
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Weiterhin kann die Erfindung in vorteilhafter Weise so ausgeführt werden, dass die spiralförmigen Außenelektroden jeweils mit einem Anschlusspin zum Anschluss an eine Spannungsquelle versehen sind, der mit mindesten einer Windung der spiralförmigen Außenelektrode an einer von den Kontaktflächen zur Metallisierungsschicht größtmöglichst entfernten Stelle kontaktiert ist. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn der jeweilige Anschlusspin vorzugsweise ein zylindrischer Anschlusspin ist, der innen an der dem Piezoaktor gegenüberliegenden Seite der Windungen angebracht ist.
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Wie eingangs erwähnt, wird die Kontaktierung der positiven und negativen Außenelektroden des Piezoaktors über entsprechende Kontaktverbindungen an die Spannungsquelle (z. B. Steuergerät) vorgenommen. Es ist bisher üblich, die jeweilige Außenelektrode mit thermischen Fügeverfahren, wie Löten, Punkt- oder Spaltschweißen an einen entsprechenden Metallkontakt (z. B. als Draht) anzuschließen.
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Die bekannten Anbindungsprinzipien sind vor allem deshalb nachteilig, da durch die Beeinflussung des Substrats des Piezoaktors durch den thermischen Fügeprozess es zu Vorschädigungen der Außenelektrode oder der Keramik des Piezoaktors kommen kann, wodurch die Dauerhaltbarkeit des Piezoaktors negativ beeinflusst werden kann. Außerdem haben sich die bisher angewendeten Fügeverfahren relativ sensibel hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Anbindung herausgestellt. Dies ist zum Teil darin begründet, dass bei dem thermischen Fügeprozess das gesamte Substrat (Piezoaktor mit Außenelektroden) mit seinen typischen thermischen Eigenschaften, wie Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, etc., die Eigenschaften der entstehenden Verbindungsstelle beeinflusst. Beispielsweise können bei der praktischen Anwendung der Piezoaktoren bei Einspritzsystemen Ausfälle auf ein Versagen der Anbindung zwischen der Außenelektrode und dem Anschlussdraht als Anschlusspin zurückgeführt werden.
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Außerdem kann beim herkömmlichen Fügeprozess die Anbindung des Anschlussdrahts an die Außenelektrode zu einem lokal veränderten Verhalten der Außenelektrode gegenüber dem Piezoaktor führen, sodass in diesem Bereich insbesondere die mechanische Steifigkeit der Außenelektrode deutlich erhöht ist. Wahrend des Betriebs des Piezoaktors kann daraus eine Behinderung der Aktordehnung sowie eine Induzierung von mechanischen Spannungen im Piezoaktor resultieren, mit entsprechenden negativen Auswirkungen auf die Funktion und Dauerhaltbarkeit des Piezoaktors.
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Die erfindungsgemäße Anbringung von Anschlusspins zwischen der jeweiligen Außenelektrode und der Anschlussverbindung zur Spannungsquelle kann dagegen bewirken, dass eine Beeinflussung des Substrats (Piezoaktor mit Außenelektrode) durch die Anbindungsstelle vermindert wird und dadurch eine erhöhte Zuverlässigkeit der Anbindung gewährleistet ist. Auch durch die deutlich verringerte Steifigkeit der Verbindungsstelle werden die Behinderung der Aktordehnung sowie die Induzierung von mechanischen Spannungen im Piezoaktor minimiert.
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Ein vorteilhafte Verwendung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Piezoaktors ergibt sich, wenn der Piezoaktor Bestandteil eines Piezoinjektors zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor ist. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Steuerventils genutzt, das wiederum den Hub einer Düsennadel in einem sogenannten Piezoinjektor regelt und damit zur zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in periodisch arbeitenden Verbrennungsmotoren verwendet werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Piezoaktors mit Innen- und Außenelektroden.
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2A, 2B und 2C Seiten- und Vorderansichten eines Piezoaktors und einer erfindungsgemäßen spiralförmigen Außenelektrode.
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3A, 3B, 3C und 3D Seiten- und Vorderansichten von verschiedenen Geometrien eines Piezoaktors mit erfindungsgemäßen spiralförmigen Außenelektroden.
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4A und 4B Seiten- und Vorderansichten von verschiedenen Geometrien eines Piezoaktors, erfindungsgemäßen spiralförmigen Außenelektroden und Anschlusspins.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Ein in 1 schematisch dargestellter an sich bekannter Piezoaktor 1 umfasst mehrere als Mehrlagenaufbau übereinandergestapelte Piezoelemente, die jeweils aus Piezoschichten 3 aus Piezokeramik und diese einschließende Innenelektroden 4 und 5 bestehen. Die Innenelektroden 4 und 5 der Piezoelemente sind mit Außenelektroden 6 und 7 wechselseitig an eine Spannungsquelle 8 angeschlossen, sodass unter Ausnutzung des Piezoeffekts bei Anlage der elektrischen Spannung an die jeweiligen Innenelektroden 4 und 5 über die zwischenliegenden Piezoschichten 3 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Stapelrichtung des Mehrlagenaufbaus bewirkt werden kann.
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Aus 2A ist eine erfindungsgemäße Anordnung zu entnehmen, bei der an Seitenflächen eines Piezoaktors 10 ein Kerbe 11, hier ein halbkreisförmiger Einschnitt, angebracht ist, in die eine Metallisierungsschicht 12 eingebrannt ist, um die Innenelektroden des Piezoaktors 10 mit einer in 2B ersichtlichen spiralförmigen Außenelektrode 13 zu verbinden. In 2C ist die fertige Verbindung zwischen der Außenelektrode 13 und der Metallisierungsschicht 12 gezeigt.
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Ausführungsbeispiele nach 3 zeigen in 3A ein komplettes Design der Innenelektroden mit seitlicher Kontaktierung über die Metallisierungsschichten 12 mit den Außenelektroden 13; in 3B ein komplettes Design der Innenelektroden an einem Piezoaktor 14 mit einer Eckkontaktierung über die Metallisierungsschichten 12 mit den Außenelektroden 13; in 3C ein komplettes Design der Innenelektroden an einem teilweise runden Piezoaktor 15 mit seitlicher Kontaktierung über die Metallisierungsschichten 12 mit den Außenelektroden 13; in 3D ein komplettes Design der Innenelektroden an einem runden Piezoaktor 16 mit seitlicher Kontaktierung über die Metallisierungsschichten 12 mit den Außenelektroden 13.
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Aus 4 ist zu entnehmen, dass die spiralförmigen Außenelektroden 13 jeweils mit einem Anschlusspin 17 zum Anschluss an eine externe Spannungsquelle versehen sind, der mit mindestens einer Windung der spiralförmigen Außenelektrode 13 an einer von den Kontaktflächen zur Metallisierungsschicht 12 größtmöglichst entfernten Stelle kontaktiert ist. 4A zeigt einen im Querschnitt quadratischen Piezoaktor 10 und 4B zeigt einen im Querschnitt runden Piezoaktor 16.
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Der Anschlusspin 17 ist hier als ein axial innerhalb der als Spiralfeder ausgeführten Außenelektrode 13 eingeführter Anschlussdraht ausgeführt. Die Verbindungsstelle zwischen der Außenelektrode 13 und dem eingeschobenen Anschlusspin 17 wird an der dem Piezoaktor 10 gegenüberliegenden, freien Seite der Außenelektrode 13 ausgeführt. Somit ist die mechanische, elektrische und auch thermische Verbindung des Anschlusspins 17 an den Piezoaktor 10 bzw. 14, 15, 16 über die Außenelektrode 13 federnd gestaltet und mechanisch sowie thermisch abgekoppelt, wodurch der Einfluss der Anschluss-Pin-Anbindung auf den Piezoaktor 10 bzw. 15, 15, 16 hinsichtlich der mechanischen Steifigkeit sowie hinsichtlich der thermischen oder thermomechanischen Belastung des Grundmaterials beim Fügeprozess des Piezoaktors 10 bzw. 14, 15, 16 minimiert wird. Dies führt zu einer verbesserten Funktion, d. h. geringeren Hub-Behinderung sowie zu einer verbesserten Robustheit mit höherer Zuverlässigkeit der Kontaktierung des Piezoaktors 10 bzw. 14, 15, 16 im System.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10236986 A1 [0002, 0006]
