DE10335019A1

DE10335019A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE10335019A1
Application number: DE10335019A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hedrich; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-17
Also published as: WO2005015651A1

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils vorgeschlagen, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind. Mit einer aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden (2, 3) ist eine wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) jeweils nach außen führbar. Die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) erfolgt mit Kontaktelementen (5, 6; 12, 13), die in einer inneren Ausnehmung (5, 6) des Piezoaktors (1) mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert und dabei senkrecht zum Lagenaufbau nach außen geführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Es ist beispielsweise aus der DE 199 28 189 A1 bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement zur Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen 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.
Der Aufbau eines solchen Piezoaktors erfolgt beim Stand der Technik in mehreren Schichten als sogenannter Multilayer-Aktor, wobei Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils in Wirkrichtung zwischen den Schichten angeordnet werden und mittels Kontaktflächen, die außen liegen, kontaktiert werden. Diese sind in der Regel aus einer Grundmetallisierungsschicht sowie Elementen zur Überbrückung der sich in der Regel nicht vermeiden lassenden Delaminationsrisse aufgebaut. Insbesondere können hier Metallgewebe und leitfähige Polymere verwendet werden. Zur Herstellung solcher Piezoaktoren sind in der Regel aufwendige Schleifprozesse notwendig.
Weiterhin müssen diese Außenkontaktierungen wegen der an ihnen anliegenden elektrischen Potentiale gegen die Umgebung isoliert werden. Möglich sind auch eingesinterte Stifte als Außenkontaktierungen, die aber bezüglich des Dehnungsverhalten des Piezoaktors bzw. der Keramik der Piezolagen auch im Fertigungsprozess Nachteile aufweisen.
Vorteile der Erfindung
Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, weist einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden auf, die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind. Es ist weiterhin eine aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden nach außen führbar. In vorteilhafter Weise erfolgt erfindungsgemäß die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden mit Kontaktele menten derart, dass diese in mindestens einer inneren Ausnehmung des Piezoaktors mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert und dabei senkrecht zum Lagenaufbau nach außen geführt sind.
Bei einer Ausführungsform können die Kontaktelemente vorteilhaft elektrisch leitende Elemente sein, die in einer einzigen Bohrung durch ein isolierendes Material voneinander getrennt sind und mit einem leitfähigen Stoff jeweils abwechselnd an die jeweiligen Innenelektroden mit dem positiven und dem negativen Anschluss einer Spannungsquelle geführt sind. Die Kontaktelemente können alternativ auch aus einem flexiblen Elektrodenmaterial hergestellt sein.
Bevorzugt sind die Kontaktelemente elektrisch leitende Stifte, die mit einem leitfähigen Stoff, z.B. ein Polymer, derart umgeben sind, dass die jeweilige Kontaktierung der Innenelektroden mit dem positiven und dem negativen Anschluss einer Spannungsquelle durchführbar ist.
Mit der Erfindung ist in vorteilhafter Weise erreicht, dass die bisher übliche Außenkontaktierung unter Berücksichtigung der Hub- und Wärmedehnungskompensation in den Piezoaktor hinein verlegt worden ist. Die gesamte Konstruktion wird dadurch robuster und die Herstellung kostengünstiger.
Die innenliegende Kontaktierung besteht dabei bevorzugt aus zwei einfachen Kontaktstiften, die die elektrischen Pole des Piezoaktors darstellen und durch ein leitfähiges, flexibles Material mit den Innenelektroden verbunden sind. Durch diese neuartige Kontaktierung entstehen vor allem Vorteile hinsichtlich der Kompaktheit, so dass sich auf gleicher Querschnittsfläche gegenüber der konventionellen Außenkontaktierungen mehr aktive Keramikquerschnitte anordnen lassen oder auch ein Piezoaktor mit einem geringerem Platzbedarf realisiert werden kann.
Ferner ist auch die Robustheit verbessert, da die mechanisch empfindliche Schnittstelle Metall-Keramik zwischen Kontaktelement und Piezolagen im Fertigungsprozess und im Betrieb besser geschützt ist.
Auch die Herstellungskosten können dadurch vermindert werden, dass Schleifarbeitsgänge in der Hartbearbeitung zur Herstellung der Außenkontaktierung entfallen können. Unter Verwendung der Ausnehmungen als Bezugsbasis können Herstellungstoleranzen dann einfacher eingehalten oder eingeengt werden, da die Bezugsbasis während des gesamten Fertigungsprozesses erhalten bleibt. Außerdem ist aufgrund der gleichen äußeren Bauform auch die Kompatibilität zu den bisherigen Piezoaktordesignformen gewährleistet.
Auf einfache Weise können die Kontaktelemente durch die gesamte Länge des Piezoaktors und einen vorgegebenen Bereich nach außen geführt werden. Alternativ es ist auch möglich, die Kontaktelemente nur über einen Teil der Länge des Piezoaktors und einen vorgegebenen Bereich nach außen zu führen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Kontaktelemente außerhalb des Piezoaktors in einem isolierenden Aktorfuß eingebettet und der Piezoaktor und der Aktorfuß sind in eine metallische Hülse derart dichtend eingefügt, dass die gesamte Anordnung im Bereich aggressiver Flüssigkeiten betreibbar ist.
Die gesamte Anordnung als Piezoaktormodul kann damit in vorteilhafter Weise zur Nadelhubsteuerung für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, bei der das Piezoaktormodul eine Stahl-Schweißkonstruktion ist, die der Trennung des Piezoaktors vom umgebenden Kraftstoff dient. Ein wesentliches Bauteil stellt dabei der Aktorfuß dar, der hier die mechanische Basis sowie die elektrische Kontaktierung für den Piezo aktor und eine O-Ringnut zur Abdichtung des Kraftstoffes anbietet. Dieser Aktorfuß ist somit einfach als Stahl-Kunststoffspritzgussteil mit eingelegten Kontaktdrähten oder -stiften ausgeführt.
Ein wesentlicher Vorteil auch der zuvor genannten Ausführungsform besteht vor allem darin, dass diese Konstruktion gegenüber der bekannten Außenkontaktierung kostengünstiger ist, da etliche Teile und Fertigungsprozesse, wie zuvor erwähnt, eingespart werden.
Die Kontaktelemente können hier beispielsweise nur einen kurzen Bereich aus dem Aktorfuß herausragen und dort mit weiteren, vorzugsweise in einem weiteren Bauteil eingebetteten Kontaktstiften kontaktiert werden, beispielsweise durch Schweißen oder dergleichen. Bevorzugt sind herbei der Aktorfuß und/oder das weitere Bauteil Kunststoffspritzteile und die Hülse ist aus Stahl hergestellt.
Grundsätzlich ist die Verwendung eines Aktorfußes dadurch vorteilhaft, dass der Aktorfuß zwei parallele Bohrungen anbietet, durch die die Kontaktelemente des Piezoaktors geschoben werden können. Je nach Platzbedarf der Durchführungen kann die O-Ringnut des Piezoaktormoduls an dem bestehenden Absatz des Aktorfußes verbleiben oder alternativ auf den Absatz der Hülse verlagert werden, da dort durch die Verlegung der elektrischen Anschlüsse Platz gewonnen wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Piezoaktor mit innenliegender Kontaktierung der Innenelektroden,
2 einen Querschnitt durch den Piezoaktor nach der 1,
3 ein Ausführungsbeispiel eines Piezoaktormoduls mit Hülse und Aktorfuß,
4 eine Abwandlung des Piezoaktormoduls nach der 3 mit einem weiteren Bauteil zur Verlängerung der Kontaktelemente,
5 ein Ausführungsbeispiel mit nur einer Bohrung für die innenliegende Kontaktierung der Innenelektroden,
6 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel nach der 5 und
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem flexiblen Elektrodenmaterial für die innenliegende Kontaktierung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 und 2 ist in verschiedenen Ansichten ein als sogenannter Multilayer aufgebauter 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 hier nur beispielhaft mit Bezugszeichen versehene Innenelektroden 2 und 3 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Wirkrichtung 4 erfolgt.
Der hier beschriebene Piezoaktor 1 hat vorzugs- aber nicht notwendigerweise eine rundes Design, wie aus der 2 ersichtlich ist. Im Inneren des Piezoaktors 1 befinden sich zwei in Längsrichtung erstreckte Bohrungen 5 und 6, wobei die Innenelektroden 2 und 3 je nach Polarität an die linke Bohrung 5 oder an die rechte Bohrung 6 herangeführt sind.
In den Bohrungen 5 und 6 sind Kontaktelemente 7 und 8, hier runde Stifte, in einem leitfähigen aber flexiblen Stoff 9, z.B. Polymer, fest eingebettet, die die Innenelektroden nach außen kontaktieren und darüber hin aus auch eine Zentriermöglichkeit anbieten. Dieses Polymer sollte so beschaffen sein, dass es auf im gegebenen Bauraum die durch Schalthub und Temperaturwechsel entstehende Dehnung aufnimmt, so dass die elektrische Kontaktierung der Innenelektroden über die Lebensdauer des Piezoaktors gegeben ist. Sollte die Kontaktierung zwischen Polymer und Innenelektroden nicht ausreichen, kann diese durch eine Grundmetallisierung in den Bohrungen verbessert werden.
Hierbei kann es zweckmäßig sein, wenn die Kontaktelemente 7 und 8 unterschiedlich dick oder lang sind, um eine Verwechselung der Pole auszuschließen.
Aus 3 und 4 sind Ausführungsbeispiele eines Piezoaktormoduls 10 zu entnehmen, die im Inneren einer Stahlhülse 11 jeweils einen Piezoaktor 1 enthalten, wie er anhand der vorhergehenden Figuren beschrieben ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach der 3 sind Kontaktelemente 12 und 13 durch einen Stahl-Kunststoffverband, geführt, der einen isolierenden Aktorfuß 14a, z.B. ein angespritztes Kunststoffteil, das mit Stahl 14b umgeben und in der Stahlhülse 11 fest verankert ist. Somit ist der isolierende Aktorfuß 14 und der Piezoaktor 1 in die Stahlhülse 11 derart dichtend eingefügt, dass die gesamte Anordnung im Bereich aggressiver Flüssigkeiten betreibbar ist.
Das Ausführungsbeispiel nach der 4 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach der 3 dadurch, dass die Kontaktelemente 12 und 13 des Piezoaktors 1 so kurz wie möglich gehalten werden. Ein Aktorfuß 15a, 15b ist hier ebenfalls ein Stahl-Kunststoffverband.
Ein weiteres Bauteil 16, ebenfalls ein Stahl-Kunststoffverband, ist hier mit eingelegten Kontakten 17 und 18 ausgeführt. Diese Kontakte sind hier so gestaltet, dass sie im Aktorfuß 15a mit den Kontaktelementen 12 und 13 vorzugsweise durch Widerstandsschweißen elektrisch verbunden werden können. Am anderen Ende können diese Kontakte 17 und 18 so gestaltet werden, dass sie in eine vorhandene Konstruktion ohne Änderung integriert werden kann. Sie sind beispielsweise so lang, dass diese bei einem Einsatz zur Nadelhubsteuerung in einer Kraftstoffeinspritzung bis zum Flachstecker des Injektors reichen, so dass hier zusätzliche Kontakte und der zugehörige Kontaktierungsprozess entfallen kann.
Aus 5 ist ein Längsschnitt und aus 6 ein Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 20 gezeigt, bei dem im Unterschied zu den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen nur eine Bohrung 21 vorhanden ist, in der die beiden nach außen geführten Kontaktelemente 7 und 8 liegen. Diese werden hier von einem isolierenden Material 22 voneinander elektrisch getrennt, wie es insbesondere auch aus der 6 zu erkennen ist. Die Kontaktelemente 7 und 8 können auch hier aus einem thermisch dehnungsangepassten Material, z.B. Invar hergestellt sein.
Die Kontaktelemente 7 und 8 werden hier ebenfalls beispielsweise unter Verwendung eines Klebeprozesses zu den Innenelektroden 2 und 3 der Keramikschichten über ein aus der 6 ersichtliches leitfähiges Polymer 23 kontaktiert. Um die Innenelektroden 2 und 3 wechselweise an die beiden Kontaktelemente 7 und 8 anzubinden, müssen die einzelnen Innenelektrodenlayouts nicht bedruckte Bereiche in Form des hier dargestellten passiven Bereiches 24 aufweisen.
Alternativ könnten die Kontaktelemente gemäß 7 auch aus einem flexiblen Metallgewebe 25 in einem leitfähigen Polymer 23 gebildet sein und z.B. durch einen Lötprozess mit den Innenelektroden 2 und 3 und den nach außen geführten Stiften 26 verbunden werden. Auch ein Verkleben des Metallgewebes 25 mit den Innenelektroden 2 und 3 wäre hier möglich.

Claims

Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden (2,3), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind, und mit – einer aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden (2,3) wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektroden (2,3), die jeweils nach außen führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2,3) mit Kontaktelementen (7,8;12,13;25,26) erfolgt, die in einer inneren Ausnehmung (5,6) des Piezoaktors (1) mit den jeweiligen Innenelektroden (2,3) kontaktiert und dabei senkrecht zum Lagenaufbau nach außen geführt sind.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente (7,8;12,13) elektrisch leitende Stifte sind, die jeweils mit einem leitfähigen Stoff (9) derart umgeben sind, dass die jeweilige Kontaktie rung der Innenelektroden (2,3) mit dem positiven und dem negativen Anschluss einer Spannungsquelle durchführbar ist.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente (7,8;25,26) elektrisch leitende Elemente sind, die in einer einzigen Bohrung (21) durch ein isolierendes Material voneinander getrennt sind und mit einem leitfähigen Stoff (23) jeweils abwechselnd an die jeweilige Innenelektroden (2,3) mit dem positiven und dem negativen Anschluss einer Spannungsquelle geführt sind.
Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente (25) aus einem flexiblen Elektrodenmaterial hergestellt sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – der leitfähige Stoff (9) ein Polymer ist und dass – die Ausnehmungen (5,6) Bohrungen sind, die gegebenenfalls mit einer Grundmetallisierung versehen sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente (7,8;12,13;25,26) durch die gesamte Länge des Piezoaktors (1;20) und einen vorgegebenen Bereich nach außen geführt sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente (7,8;12,13;25,26) über einen Teil der Länge des Piezoaktors und einen vorgegebenen Bereich nach außen geführt sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente (12,13) außerhalb des Piezoaktors in einem isolierenden Aktorfuß (14a,14b;15a,15b,16) eingebettet sind und dass der Piezoaktor (1) und der Aktorfuß (14a,14b;15a,15b) in eine metallische Hülse (11) derart dichtend eingefügt ist, dass die gesamte Anordnung (10) im Bereich aggressiver Flüssigkeiten betreibbar ist.
Piezoaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente (12,13) nur einen kurzen Bereich aus dem Aktorfuß (15a) herausragen und dort mit weiteren, vorzugsweise in einem Bauteil (16) eingebetteten Kontaktstiften (17,18) kontaktierbar sind.
Piezoaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – die weiteren, vorzugsweise in einem Bauteil (16) eingebetteten Kontaktstifte (17,18) durch Schweißen oder dergleichen mit den Kontaktelementen (12,13) kontaktierbar sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktorfuß (14a;15a) und/oder das weitere Bauteil (16) Kunststoffspritzteile sind und die Verbandsteile (14b;15b) und die Hülse (11) aus Stahl hergestellt sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die gesamte Anordnung (10) zur Nadelhubsteuerung für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist.