EP2456970A1 - Piezoaktor mit elektrischer kontaktierung - Google Patents

Piezoaktor mit elektrischer kontaktierung

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Publication number
EP2456970A1
EP2456970A1 EP10734999A EP10734999A EP2456970A1 EP 2456970 A1 EP2456970 A1 EP 2456970A1 EP 10734999 A EP10734999 A EP 10734999A EP 10734999 A EP10734999 A EP 10734999A EP 2456970 A1 EP2456970 A1 EP 2456970A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezoelectric actuator
contact pin
continuation
stack
actuator according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP10734999A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhard Gabl
Jan-Thorsten Reszat
Markus Laussermayer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Priority to EP14172402.1A priority Critical patent/EP2799703A1/de
Publication of EP2456970A1 publication Critical patent/EP2456970A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/875—Further connection or lead arrangements, e.g. flexible wiring boards, terminal pins
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/005—Arrangement of electrical wires and connections, e.g. wire harness, sockets, plugs; Arrangement of electronic control circuits in or on fuel injection apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H10N30/883—Additional insulation means preventing electrical, physical or chemical damage, e.g. protective coatings

Definitions

  • a piezoactuator in multilayer construction is described in which piezoelectric layers and electrode layers are arranged alternately one above the other to form a stack.
  • Electrode layers expands the stack along the electric field direction resulting from the applied voltage.
  • a valve piston of a control valve is actuated, which as
  • Injection valve in a motor vehicle is used.
  • a piezoelectric actuator is for example in the publications
  • a piezoactuator in multilayer construction is specified in which piezoelectric layers and electrode layers are arranged alternately one above the other to form a stack.
  • the stack has four side surfaces and two end surfaces.
  • the piezoelectric actuator can be clamped to the end faces, which provides a mechanical bias along the longitudinal axis of the stack.
  • the stack comprises a plurality of thin foils made of piezoceramic, which comprise, for example, a material such as lead zirconate titanate.
  • a piezoelectric layer may comprise one or more of these films. Between these layers of piezoceramic electrode layers are arranged. Depending on the desired voltage-dependent
  • One possible material for the electrode layer is
  • Silver palladium or copper This can be applied to the piezoelectric layer as a paste by means of a screen printing process, and then the stack can be sintered.
  • the electrode layers can be applied continuously to the
  • the embodiment of the electrical contacting of the electrode layers depends on whether the electrode layers are arranged continuously on the surface of the piezoelectric layers.
  • Electrodes are electrically connected to a contact pin.
  • a contact pin At the contact pin can a
  • Continuation be arranged so that it connects the contact pin and continuation electrically conductive.
  • the continuation has a contact point with the contact pin.
  • the contact point is designed to to connect the continuation with the contact pin electrically conductive.
  • the continuation has a free end, which is provided for producing an electrical connection.
  • a straight line that passes through the contact point and the free end of the continuation includes an angle with the longitudinal axis of the contact pin, which is greater than 0 ° and less than 180 °.
  • the contact point is arranged between an upper end and a lower end of the stack.
  • the applied first electrode layers are made continuous.
  • the electrical connection of the electrode layers to the contact pin may, for example, be realized by thin wires which individually connect each second electrode layer to the contact pin on a side surface of the stack.
  • the continuation is firmly connected to the contact pin, for example, soldered to this or by means of an eyelet, which firmly surrounds the contact pin, attached to the contact pin.
  • the continuation comprises, for example, a flexible conductor wire.
  • the continuation comprises a rigid pin-shaped element. A combination of these two possibilities would also be conceivable.
  • the continuation is attached to the contact pin.
  • the angle at which the continuation is attached to the contact pin should be between 0 ° and 180 ° with respect to the longitudinal axis of the contact pin.
  • the free end of the continuation may be oriented outwardly as viewed from the center of the stack. This free end can be used to apply a voltage between the
  • Electrode layers serve and thus an electrical
  • the electrode layers lead out of the stack alternately on opposite side surfaces and a plurality of the electrode layers are connected by means of a
  • the electrode layers do not cover the entire surface of a piezoelectric layer.
  • the areas of the stack in which adjacent electrode layers do not overlap in the stacking direction become inactive Called zones.
  • the areas of the stack in which adjacent electrode layers overlap in the stacking direction are called active zones.
  • Such a construction of the stack allows, for example, a common electrical contacting of all electrode layers, which lead out of the stack on the same side, via a common outer electrode.
  • the outer electrode is for example by means of a
  • Baking paste which by a screen printing process on the
  • the contact pin is arranged parallel to the longitudinal axis of the stack.
  • Step be attached for example via an intermediate element on the stack. Because of the orientation of the Continuation with respect to the contact pin is already established, the orientation of the continuation is fixed with respect to the stack in a parallel arrangement between the contact pin and stack.
  • an electrically conductive intermediate element between the outer electrode and the contact pin is arranged, which the
  • External electrode and the contact pin electrically conductively connects.
  • the intermediate element may comprise one or more individual elements.
  • it can be an elastic component that adapts to the movements of the stack. This prevents a loss of electrical
  • Piezoelectric actuator In particular, the tearing of the connection between the contact pin and the intermediate element and between
  • the piezoelectric actuator for example, a valve piston of a control valve
  • the electrically conductive intermediate element comprises wires arranged in parallel, which connects the outer electrode to the contact pin in an electrically conductive manner.
  • the parallel wires may be aligned perpendicular to the longitudinal axis of the stack.
  • Harhtharfe use This includes a plurality of thinner,
  • the wire can with the
  • a thin, electrically conductive wire is wound in a plurality of turns around the stack. After soldering the wire to the outer electrodes, the wire connection between the two outer electrodes can be severed and the connection
  • the outer electrodes are electrically isolated from each other.
  • the straight line passing through the contact point between the continuation and the contact pin and the free end of the continuation with the longitudinal axis of the
  • the continuation can be arranged perpendicular to the contact pin. If the contact pin is also arranged parallel to the longitudinal axis of the stack, then the continuation is arranged not only perpendicular to the contact pin but also perpendicular to the longitudinal axis of the stack. This orientation is advantageous for a connection of the piezoelectric actuator to a voltage source, since a lateral electrical further contact of the piezoelectric actuator in this way is possible.
  • the piezoelectric actuator has a housing.
  • This housing may for example be a casting of an elastic material, such as silicone or include such a potting. Ideally, the housing encloses at least the side surfaces of the stack. All other forms of housing that do not hinder the operation of the piezoelectric actuator are conceivable. A housing can provide protection against environmental influences such as moisture.
  • Stack is needed to a voltage source, it may be appropriate to leave it completely in the housing.
  • a lateral connection is advantageous in some applications, since the mechanical contact surfaces, which are located, for example, at the end faces of the stack, are separated from the electrical connections.
  • the continuation projects out of a side surface of the housing.
  • connection element serves to apply an electrical voltage between the electrode layers. The amount of voltage applied can be used to control the behavior of the stack.
  • the connection element may be a
  • connection element can also be a part of an electrical continuation contact, which is arranged at the installation location of the piezoelectric actuator.
  • the continuations can be connected to the further contact, for example via a plug connection. Via the further contact, a voltage can be applied to the stack and also regulated.
  • the piezoelectric actuator has two contact pins and the electrode layers are alternately electrically conductively connected to a respective contact pin.
  • Each of the contact pins has a continuation. Over the free ends of the continuations, a voltage can be applied between adjacent electrode layers.
  • the electrode layers are alternately on opposite side surfaces of the stack with a
  • every second electrode layer may be connected to a contact pin by means of a conductive wire. Since a continuation is attached to the contact pin, in this way becomes an electric conductive connection between the electrode layers and the continuation made.
  • Another possibility would be to produce a conductive connection between the electrode layers and the continuation via an outer electrode and an intermediate element. This is particularly advantageous in the case that the
  • Electrode layers do not cover the entire cross-sectional area of the piezoelectric layer.
  • a voltage can then be applied to the continuations via the connection element.
  • the continuation can be oriented differently with respect to the longitudinal axis of the stack.
  • the free ends of the continuations may be arranged on the same side surface of the piezoelectric actuator.
  • the free ends of the continuations can be arranged one above the other with respect to the longitudinal axis of the stack.
  • the free ends of the continuation are arranged side by side with respect to the longitudinal axis of the stack.
  • the free ends of the continuations can be arranged at the same height on the same side surface of the piezoelectric actuator or at the same height at different side surfaces of the piezoelectric actuator.
  • the free ends of the continuations are arranged on different side surfaces of the piezoelectric actuator.
  • 2a shows a cross section through a piezoelectric actuator with two perpendicular to the longitudinal axis of the stack arranged continuations
  • 2b shows a cross section through a piezoelectric actuator with two continuations, which at opposite
  • FIG. 3a shows a side view of the piezoelectric actuator as shown in FIG.
  • Figure 3b is a side view of the piezoelectric actuator as shown in FIG.
  • Figure 3c is a side view of a piezoelectric actuator with two
  • FIG. 1 schematically shows a piezoelectric actuator 10.
  • the electrode layers 12 can clearly be seen, which lead alternately out of the stack 16 in the embodiment shown here.
  • an outer electrode 20 is mounted, wherein in the here
  • a conductive intermediate member 22 is arranged, which is formed from thin conductive wires 23. These parallel wires 23 connect the outer electrode 20 with a rigid
  • the contact pin 24 is arranged parallel to the longitudinal axis 18 of the stack 16.
  • Continuation 30 and the contact pin 24 is made, the contact point 32.
  • the free end 34 of the continuation 30 shows in a stack 16 facing away from the direction. Placing a straight line through the contact point 32 and the free end 34 of the continuation 30, so includes this straight line with the longitudinal axis 18 of the contact pin 24 an angle ⁇ , which is 90 ° in the example shown.
  • FIG. 2 a shows a cross section perpendicular to the longitudinal axis 18 of a piezoactuator 10 with two continuations 30 arranged perpendicular to the longitudinal axis 18 of the stack 16.
  • the stack 16 can be seen, on each of which an outer electrode 20 is applied on two opposite side surfaces 19.
  • These outer electrodes 20 are conductively connected via a bent intermediate element 22, each with a contact pin 24.
  • a continuation 30 is electrically conductively soldered.
  • a potting compound 42 is injected, which forms the housing 40 of the piezoelectric actuator 10 together with a sleeve 44.
  • the potting compound 42 may comprise an elastic material, such as silicone.
  • Electrode layers 12 is applied in the piezoelectric actuator 10.
  • the continuations 30 protrude from the housing 40 on the same side surface 46.
  • FIG. 2b shows a structure similar to that in FIG. 2a, with the difference that the continuations 30 on the opposite side surfaces 46 of the housing 40 protrude therefrom.
  • FIG. 3c shows a side view of a piezoactuator 10.

Landscapes

  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoaktor (10) in Vielschichtbauweise, bei dem piezoelektrische Schichten (14) und Elektrodenschichten (12) alternierend übereinander zu einem Stapel (16) angeordnet sind. Mehrere der Elektroden- schichten (12) sind mit einem Kontaktstift (24) elektrisch leitend verbunden, wobei am Kontaktstift (24) eine Weiterführung (30) elektrisch leitend angeordnet ist. Die Weiterführung (30) weist eine Kontaktstelle (32) mit dem Kontaktstift (24) sowie ein freie Ende (34) zur Herstellung eines elektrischen Anschlusses des Piezoaktors (10) auf. Eine Gerade, die durch die Kontaktstelle (32) und das freie Ende (34) der Weiterführung (30) verläuft, schließt mit einer Längsachse (18) des Kontaktstifts (24) einen Winkel (μ) ein, der größer ist als 0° und kleiner is als 180°.

Description

Beschreibung
Piezoaktor mit elektrischer Kontaktierung
Es wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise beschrieben, bei dem piezoelektrische Schichten und Elektrodenschichten alternierend übereinander zu einem Stapel angeordnet sind. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die
Elektrodenschichten dehnt sich der Stapel entlang der aus der angelegten Spannung resultierenden elektrischen Feldrichtung aus .
Mittels eines solchen Piezoaktors wird beispielsweise ein Ventilkolben eines Steuerventils betätigt, welches als
Einspritzventil in einem Kraftfahrzeug dient.
Ein Piezoaktor ist beispielsweise in den Druckschriften
DE 199 45 933 Cl oder der WO 2005/035971 Al beschrieben.
Es ist eine zu lösende Aufgabe, einen Piezoaktor anzugeben, welcher über eine hohe Zuverlässigkeit verfügt und für eine Vielzahl möglicher Anwendungsbereiche und Einbauorte geeignet ist .
Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise angegeben, bei dem piezoelektrische Schichten und Elektrodenschichten alternierend übereinander zu einem Stapel angeordnet sind. Der Stapel weist beispielsweise vier Seitenflächen und zwei Stirnflächen auf. Der Piezoaktor kann an den Stirnflächen eingespannt sein, was für eine mechanische Vorspannung entlang der Längsachse des Stapels sorgt.
Beispielsweise umfasst der Stapel eine Vielzahl dünner Folien aus Piezokeramik, welche beispielsweise ein Material wie Bleizirkonattitanat umfassen. Eine piezoelektrische Schicht kann eine oder mehrere dieser Folien aufweisen. Zwischen diesen Schichten aus Piezokeramik sind Elektrodenschichten angeordnet. Je nach dem gewünschten spannungsabhängigen
Verhalten des Piezoaktors muss nicht unbedingt auf jede piezoelektrische Schicht eine Elektrodenschicht folgen.
Ein mögliches Material für die Elektrodenschicht ist
Silberpalladium oder Kupfer. Dieses kann als Paste mittels eines Siebdruckverfahrens auf die piezoelektrische Schicht aufgebracht werden und anschließend kann der Stapel gesintert werden .
Die Elektrodenschichten können durchgehend auf die
piezoelektrischen Schichten aufgebracht sein oder sie können die Querschnittsfläche der piezoelektrischen Schichten nur teilweise bedecken. Die Ausführungsform der elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten hängt davon ab, ob die Elektrodenschichten durchgehend auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schichten angeordnet sind.
Mehrere der Elektrodenschichten sind mit einem Kontaktstift elektrisch leitend verbunden. Am Kontaktstift kann eine
Weiterführung so angeordnet sein, dass sie den Kontaktstift und die Weiterführung elektrisch leitend verbindet.
Insbesondere weist die Weiterführung eine Kontaktstelle mit dem Kontaktstift auf. Die Kontaktstelle ist dazu ausgelegt, die Weiterführung mit dem Kontaktstift elektrisch leitend zu verbinden. Die Weiterführung weist ein freies Ende auf, welches zur Herstellung eines elektrischen Anschlusses vorgesehen ist. Eine Gerade, welche durch die Kontaktstelle und das freie Ende der Weiterführung verläuft, schließt einen Winkel mit der Längsachse des Kontaktstifts ein, der größer als 0° und kleiner als 180° ist.
In einer Ausführungsform ist die Kontaktstelle zur
Herstellung der Verbindung zwischen der Weiterführung und des Kontaktstifts entlang des Stapels aus piezoelektrischen
Schichten und Elektrodenschichten angeordnet. Insbesondere ist die Kontaktstelle zwischen einem oberen Ende und einem unteren Ende des Stapels angeordnet.
In einer Ausführungsform, in der die Elektrodenschichten durchgehend ausgeführt sind, führen die aufgebrachten
Elektrodenschichten an allen Seitenflächen des Stapels aus diesem heraus. Die elektrische Verbindung der Elektrodenschichten mit dem Kontaktstift kann zum Beispiel durch dünne Drähte realisiert sein, die jede zweite Elektrodenschicht an einer Seitenfläche des Stapels einzeln mit dem Kontaktstift verbinden .
An dem Kontaktstift kann eine Weiterführung angebracht sein. Diese Weiterführung ist mit dem Kontaktstift an einer
Kontaktstelle elektrisch leitend verbunden. Beispielsweise ist die Weiterführung fest mit dem Kontaktstift verbunden, zum Beispiel an diesem angelötet oder mittels einer Öse, welche den Kontaktstift fest umschließt, am Kontaktstift befestigt .
Alle anderen Befestigungsmöglichkeiten, die einen leitenden Kontakt zwischen dem Kontaktstift und der Weiterführung ermöglichen und die ausreichende Stabilität hinsichtlich eines elektrischen Anschlusses bietet, sind jedoch ebenfalls denkbar .
Die Weiterführung umfasst beispielsweise einen flexiblen Leitungsdraht. Vorzugsweise umfasst die Weiterführung ein starres stiftförmiges Element. Eine Kombination aus diesen beiden Möglichkeiten wäre ebenso denkbar.
Die Weiterführung ist am Kontaktstift angebracht. Der Winkel, in dem die Weiterführung am Kontaktstift angebracht ist, soll zwischen 0° und 180° bezüglich der Längsachse des Kontaktstifts betragen. Durch die Möglichkeit verschiedene Winkel zu wählen, kann eine individuelle Ausrichtung der elektrischen Anschlüsse erreicht werden und eine seitliche Weiterkontak- tierung des Stapels über die Weiterführung wird ermöglicht.
Das freie Ende der Weiterführung kann vom Zentrum des Stapels gesehen nach außen weisend ausgerichtet sein. Dieses freie Ende kann zum Anlegen einer Spannung zwischen den
Elektrodenschichten dienen und somit einen elektrischen
Anschluss des Stapels bilden.
Vorzugsweise führen die Elektrodenschichten abwechselnd an gegenüberliegenden Seitenflächen aus dem Stapel heraus und mehrere der Elektrodenschichten sind mittels einer
Außenelektrode, welche seitlich am Stapel aufgebracht ist, kontaktiert .
Bei einem Stapel, in dem die Elektrodenschichten wechselseitig aus diesem herausführen, bedecken die Elektrodenschichten nicht die ganze Fläche einer piezoelektrischen Schicht. Die Bereiche des Stapels in denen sich benachbarte Elektrodenschichten in Stapelrichtung nicht überlappen, werden inaktive Zonen genannt. Die Bereiche des Stapels, in denen sich benachbarte Elektrodenschichten in Stapelrichtung überlappen, werden aktive Zonen genannt.
Eine solche Konstruktion des Stapels erlaubt beispielsweise eine gemeinsame elektrische Kontaktierung aller Elektrodenschichten, die an derselben Seite aus dem Stapel herausführen, über eine gemeinsame Außenelektrode.
Die Außenelektrode wird beispielsweise mittels einer
Einbrennpaste, die durch ein Siebdruckverfahren auf die
Außenseite des Stapels aufgebracht ist, hergestellt und anschließend mit dem Stapel gesintert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kontaktstift parallel zur Längsachse des Stapels angeordnet.
Da an dem Kontaktstift die Weiterführung befestigt ist, folgt aus einer festen Orientierung des Kontaktstifts bezüglich des Stapels auch eine feste Orientierung der Weiterführung zu dem Stapel. Insbesondere ist in diesem Fall der Winkel zwischen dem Kontaktstift und der Weiterführung fest. Dies kann sehr hilfreich sein, um die Lage des freien Endes der
Weiterführung und somit den späteren elektrischen Anschluss des Piezoaktors einzustellen, da nur der Winkel der
Weiterführung bezüglich des Kontaktsstifts berücksichtigt werden muss und nicht der Winkel zwischen der Weiterführung und der Längsachse des Stapels.
Bei der Herstellung des Piezoaktors kann auch der Kontaktstift mit einer Weiterführung schon vorgefertigt worden sein und das so entstandene Bauteil kann in einem einzigen
Arbeitsschritt beispielsweise über ein Zwischenelement am Stapel angebracht werden. Dadurch, dass die Orientierung der Weiterführung bezüglich des Kontaktstifts schon feststeht, ist bei einer parallelen Anordnung auch zwischen Kontaktstift und Stapel die Orientierung der Weiterführung bezüglich des Stapels festgelegt.
Außerdem ist eine parallele Orientierung des Kontaktstifts bezüglich des Stapels platzsparend.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein elektrisch leitendes Zwischenelement zwischen der Außenelektrode und dem Kontaktstift angeordnet, welches die
Außenelektrode und den Kontaktstift elektrisch leitend verbindet .
Das Zwischenelement kann ein oder mehrere Einzelelemente umfassen. Beispielsweise kann es sich um ein elastisches Bauteil handeln, welches sich den Bewegungen des Stapels anpasst. Dies verhindert einen Verlust der elektrischen
Verbindung zwischen der Außenelektrode und dem Kontaktstift und sorgt für eine beständige Betriebsfähigkeit des
Piezoaktors. Insbesondere kann das Abreißen der Verbindung zwischen Kontaktstift und Zwischenelement und zwischen
Zwischenelement und Außenelektrode verhindert werden.
Durch ein solches Abreißen der elektrischen Verbindung zwischen dem Kontaktstift und den Elektrodenschichten könnte ein Ausfall des Piezoaktors erfolgen. Sollte der Piezoaktor beispielsweise einen Ventilkolben eines Steuerventils
betätigen, welches als Einspritzventil in einem Kraftfahrzeug dient, dann muss der Piezoaktor umgehend ausgetauscht werden, um einen weiteren Betrieb des Einspritzventils und somit des Motors zu gewährleisten. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das elektrisch leitende Zwischenelement parallel angeordnete Drähte umfasst, welche die Außenelektrode mit dem Kontaktstift elektrisch leitend verbindet. Beispielsweise können die parallelen Drähte senkrecht zur Längsachse des Stapels ausgerichtet sein.
Um die Außenelektrode mit dem Kontaktstift elektrisch leitend zu verbinden, findet beispielsweise eine sogenannte Drahtharfe Verwendung. Diese umfasst eine Mehrzahl dünner,
elektrisch leitfähiger Drähte. Der Draht kann mit der
Außenelektrode und dem Kontaktstift verlötet sein.
Beispielsweise können zwei Außenelektroden am Stapel
angebracht sein, die abwechselnd die Elektrodenschichten kontaktieren. Zur Herstellung der Drahtharfe wird ein dünner, elektrisch leitfähiger Draht in einer Vielzahl von Windungen um den Stapel gewickelt. Nach dem Verlöten des Drahtes mit den Außenelektroden kann die Drahtverbindung zwischen den beiden Außenelektroden durchtrennt und die Verbindung
vollständig entfernt werden. Somit sind die Außenelektroden voneinander elektrisch isoliert.
Vorzugsweise schließt die Gerade, die durch die Kontaktstelle zwischen der Weiterführung und dem Kontaktstift und das freie Ende der Weiterführung verläuft, mit der Längsachse des
Kontaktstifts einen Winkel von 90° ein.
Die Weiterführung kann senkrecht zum Kontaktstift angeordnet sein. Falls der Kontaktstift auch parallel zur Längsachse des Stapels angeordnet ist, dann ist die Weiterführung nicht nur senkrecht zum Kontaktstift sondern auch senkrecht zur Längsachse des Stapels angeordnet. Diese Orientierung ist für einen Anschluss des Piezoaktors an eine Spannungsquelle vorteilhaft, da auch eine seitliche elektrische Weiterkontak- tierung des Piezoaktors auf diese Weise möglich ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Piezoaktor ein Gehäuse auf.
Dieses Gehäuse kann beispielsweise ein Verguss aus einem elastischen Material, wie zum Beispiel Silikon sein oder einen derartigen Verguss umfassen. Idealerweise umschließt das Gehäuse mindestens die Seitenflächen des Stapels. Auch alle anderen Gehäuseformen, die einen Betrieb des Piezoaktors nicht behindern, sind denkbar. Ein Gehäuse kann Schutz gegen Umwelteinflüsse wie beispielsweise Nässe bieten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der
Kontaktstift vollständig vom Gehäuse umschlossen.
Da der Kontaktstift nicht mehr direkt zum Anschluss des
Stapels an eine Spannungsquelle benötigt wird, kann es zweckmäßig sein, ihn komplett im Gehäuse zu belassen. Ein seitlicher Anschluss ist bei manchen Anwendungen von Vorteil, da die mechanischen Kontaktflächen, die sich beispielsweise an den Stirnseiten des Stapels befinden, von den elektrischen Anschlüssen getrennt sind.
Vorzugsweise ragt die Weiterführung aus einer Seitenfläche des Gehäuses heraus.
Auf diese Weise wird eine elektrische Weiterkontaktierung an einer Seitenfläche des Gehäuses ermöglicht.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Weiterführung an einem freien Ende mit einem Anschlusselement verbunden ist und der Piezoaktor über dieses Anschlusselement angesteuert werden kann. Das Anschlusselement dient dazu, eine elektrische Spannung zwischen die Elektrodenschichten anzulegen. Über die Höhe der angelegten Spannung kann das Verhalten des Stapels geregelt werden. Bei dem Anschlusselement kann es sich um einen
Aufsatz auf die Weiterführung handeln. Ein solcher Aufsatz kann an jeder Weiterführung aufgebracht sein. Auch können zwei Aufsätze in einem Bauteil integriert sein und gemeinsam ein Anschlusselement bilden.
Das Anschlusselement kann auch ein Teil einer elektrischen Weiterkontaktierung sein, die am Einbauort des Piezoaktors angeordnet ist. Die Weiterführungen können mit der Weiterkontaktierung beispielsweise über eine Steckverbindung verbunden sein. Über die Weiterkontaktierung kann eine Spannung an den Stapel angelegt und auch geregelt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Piezoaktor zwei Kontaktstifte auf und die Elektrodenschichten sind abwechselnd mit jeweils einem Kontaktstift elektrisch leitend verbunden. Jeder der Kontaktstifte weist eine Weiterführung auf. Über die freien Enden der Weiterführungen kann eine Spannung zwischen benachbarten Elektrodenschichten angelegt werden .
Beispielsweise sind die Elektrodenschichten abwechselnd an gegenüberliegenden Seitenflächen des Stapels mit einem
Kontaktstift verbunden. An dem Kontaktstift ist eine
Weiterführung angebracht.
Im Falle durchgehender Elektrodenschichten kann jede zweite Elektrodenschicht mittels eines leitfähigen Drahtes mit einem Kontaktstift verbunden sein. Da am Kontaktstift eine Weiterführung angebracht ist, wird auf diese Weise eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektrodenschichten und der Weiterführung hergestellt.
Eine andere Möglichkeit wäre, über eine Außenelektrode und ein Zwischenelement eine leitfähige Verbindung zwischen den Elektrodenschichten und der Weiterführung herzustellen. Dies ist insbesondere für den Fall vorteilhaft, dass die
Elektrodenschichten nicht die gesamte Querschnittsfläche der piezoelektrischen Schicht bedecken.
An die Weiterführungen kann dann über das Anschlusselement eine Spannung angelegt werden. Je nach der gewünschten
Ausführung des Anschlusses kann die Weiterführung bezüglich der Längsachse des Stapels unterschiedlich orientiert sein.
Im Falle zweier Weiterführungen kann die Weiterkontaktierung in beliebiger Orientierung der Weiterführungen zueinander erfolgen. Dadurch kann der Piezoaktor individuell, je nachdem welche Orientierung der freien Enden der Weiterführungen gewünscht ist, angefertigt werden.
Beispielsweise können die freien Enden der Weiterführungen an derselben Seitenfläche des Piezoaktors angeordnet sein.
Eine solche Anordnung der freien Enden der Weiterführungen ist beispielsweise sehr platzsparend. In diesem Fall ist eine elektrische Weiterkontaktierung auch über nur eine Seitenfläche nötig. Dies ist oft aus Platzgründen bevorzugt und der Einbau eines solchen Piezoaktors ist unter Umständen
leichter, als im Falle einer Anordnung der Weiterführungen an unterschiedlichen Seitenflächen.
Die freien Enden der Weiterführungen können übereinander bezüglich der Längsachse des Stapels angeordnet sind. Dabei können die freien Enden der Weiterführungen in
verschiedener Höhe des Stapels auf derselben Seitenfläche des Piezoaktors oder auch an verschiedenen Seitenflächen
angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform sind die freien Enden der Weiterführung nebeneinander bezüglich der Längsachse des Stapels angeordnet.
Die freien Enden der Weiterführungen können auf gleicher Höhe an derselben Seitenfläche des Piezoaktors angeordnet sein oder auf der gleichen Höhe an verschiedenen Seitenflächen des Piezoaktors .
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die freien Enden der Weiterführungen an unterschiedlichen Seitenflächen des Piezoaktors angeordnet.
Eine solche Anordnung der freien Enden der Weiterführungen hat den Vorteil, dass die Weiterkontaktierung räumlich getrennt voneinander erfolgen kann.
Im Folgenden werden der angegebene Piezoaktor und seine bevorzugten Ausführungsformen anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Piezoaktor mit einem über ein Zwischenelement mit den Elektrodenschichten verbundenen
Kontaktstift, an dem eine Weiterführung angebracht ist,
Figur 2a einen Querschnitt durch einen Piezoaktor mit zwei zur Längsachse des Stapels senkrecht angeordneten Weiterführungen, Figur 2b einen Querschnitt durch einen Piezoaktor mit zwei Weiterführungen, welche an gegenüberliegenden
Seiten des Stapels angeordnet sind,
Figur 3a eine Seitenansicht des Piezoaktors wie er in Figur
2a gezeigt ist,
Figur 3b eine Seitenansicht des Piezoaktors wie er in Figur
2b gezeigt ist und
Figur 3c eine Seitenansicht eines Piezoaktors mit zwei
bezüglich der Längsachse des Piezoaktor
übereinander angeordneten Weiterführungen.
Figur 1 zeigt schematisch einen Piezoaktor 10. Deutlich sind die Elektrodenschichten 12 zu erkennen, welche in der hier dargestellten Ausführung wechselseitig aus dem Stapel 16 führen. An den gegenüberliegenden Seiten des Stapels 16 ist eine Außenelektrode 20 angebracht, wobei in der hier
verwendeten Ansicht nur eine Außenelektrode 20 zu sehen ist.
An der Außenelektrode 20 ist ein leitendes Zwischenelement 22 angeordnet, welches aus dünnen leitenden Drähten 23 gebildet ist. Diese parallel zueinander angeordneten Drähte 23 verbinden die Außenelektrode 20 mit einem starren
Kontaktstift 24. An diesem starren Kontaktstift 24 ist eine Weiterführung 30, welche aus einem metallischen Stift
besteht, fest angelötet. Der Kontaktstift 24 ist parallel zur Längsachse 18 des Stapels 16 angeordnet.
Der Punkt, an dem der elektrische Kontakt zwischen der
Weiterführung 30 und dem Kontaktstift 24 hergestellt ist, ist die Kontaktstelle 32. Das freie Ende 34 der Weiterführung 30 zeigt in eine dem Stapel 16 abgewandte Richtung. Legt man eine Gerade durch die Kontaktstelle 32 und das freie Ende 34 der Weiterführung 30, so schließt diese Gerade mit der Längsachse 18 des Kontaktstifts 24 einen Winkel μ ein, der in dem dargestellten Beispiel 90° beträgt.
Figur 2a zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Längsachse 18 eines Piezoaktors 10 mit zwei senkrecht zur Längsachse 18 des Stapels 16 angeordneten Weiterführungen 30.
In der Mitte der Abbildung ist der Stapel 16 zu sehen, an dem an zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen 19 jeweils eine Außenelektrode 20 aufgebracht ist. Diese Außenelektroden 20 sind über ein gebogenes Zwischenelement 22 leitend mit jeweils einem Kontaktstift 24 verbunden.
Am Kontaktstift 24 ist elektrisch leitend eine Weiterführung 30 angelötet. Um diese Anordnung ist eine Vergussmasse 42 gespritzt, welche zusammen mit einer Hülse 44 das Gehäuse 40 des Piezoaktors 10 bildet. Die Vergussmasse 42 kann ein elastisches Material, wie zum Beispiel Silikon, umfassen.
An der rechten Seite von Figur 2a ist zu sehen, dass nur die beiden Weiterführungen 30 aus dem Gehäuse 40 herausragen. An die freien Enden 34 der Weiterführungen 30 sind Anschlusskontakte 36 angebracht, über die eine Spannung an die
Elektrodenschichten 12 im Piezoaktor 10 angelegt ist. Die Weiterführungen 30 ragen an derselben Seitenfläche 46 aus dem Gehäuse 40 heraus.
Figur 2b zeigt einen ähnlichen Aufbau wie in Figur 2a mit dem Unterschied, dass die Weiterführungen 30 an gegenüberliegenden Seitenflächen 46 des Gehäuses 40 aus diesem herausragen.
Figur 3a zeigt eine Seitenansicht des Piezoaktors 10, wie er bereits im Querschnitt in Figur 2a gezeigt ist. Deutlich ist zu sehen, dass die Weiterführungen 30 im Winkel μ = 90° zur Längsachse 18 des Piezoaktors 10 hin angeordnet sind.
Ebenfalls ist zu sehen, dass die Weiterführungen 30
nebeneinander senkrecht zur Längsachse 18 des Piezoaktors 10 angeordnet sind.
Figur 3b zeigt eine Seitenansicht des Piezoaktors 10, wie er bereits im Querschnitt in Figur 2b gezeigt ist. Deutlich ist zu sehen, dass die Weiterführungen 30 im Winkel μ = 90° zur Längsachse 18 des Piezoaktors 10 hin angeordnet sind.
Ebenfalls ist zu sehen, dass die Weiterführungen 30 an gegenüberliegenden Seitenflächen 46 aus dem Gehäuse 40 des Piezoaktors 10 auf gleicher Höhe aus diesem herausführen.
Figur 3c zeigt eine Seitenansicht eines Piezoaktors 10.
Ebenso wie in Figur 3a führen die Weiterführungen 30 an der gleichen Seitenfläche 46 des Gehäuses 40 aus diesem heraus. In diesem Beispiel sind sie jedoch übereinander senkrecht entlang der Längsachse 18 angeordnet.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Bezugszeichenliste :
10 Piezoaktor
12 Elektrodenschicht
14 piezoelektrische Schicht
16 Stapel
18 Längsachse
19 Seitenfläche des Stapels
20 Außenelektrode
22 Zwischenelement
23 Draht
24 Kontaktstift
30 Weiterführung
32 Kontaktstelle
34 freies Ende der Weiterführung
36 Anschlusselement
40 Gehäuse
42 Verguss
44 Hülse
46 Seitenfläche des Gehäuses μ Winkel zwischen einer Geraden die durch den Kontaktpunkt und das freie Ende der Weiterführung läuft und dem
Kontaktstift

Claims

Patentansprüche
1. Piezoaktor in Vielschichtbauweise, bei dem
piezoelektrische Schichten (14) und Elektrodenschichten
(12) alternierend übereinander zu einem Stapel (16) angeordnet sind, wobei mehrere der Elektrodenschichten (12) mit einem Kontaktstift (24) elektrisch leitend verbunden sind, wobei am Kontaktstift (24) eine
Weiterführung (30) angeordnet ist, welche eine
Kontaktstelle (32) aufweist zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mit dem Kontaktstift (24) und wobei die Weiterführung (30) ein freies Ende (34) aufweist zur Herstellung eines elektrischen
Anschlusses des Piezoaktors (10), und wobei eine Gerade, die durch die Kontaktstelle (32) und das freie Ende (34) der Weiterführung (30) verläuft mit einer Längsachse
(18) des Kontaktstifts (24) einen Winkel (μ)
einschließt, der größer ist als 0° und kleiner ist als 180°.
2. Piezoaktor nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenschichten (12) abwechselnd an gegenüberliegenden Seitenflächen
(19) aus dem Stapel (16) herausführen und wobei mehrere der Elektrodenschichten (12) mittels einer
Außenelektrode (20), welche seitlich am Stapel (16) aufgebracht ist, kontaktiert sind.
3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der
Kontaktstift (24) parallel zur Längsachse (18) des
Stapels (16) angeordnet ist.
4. Piezoaktor nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein elektrisch leitendes Zwischenelement (22) zwischen der Außenelektrode (20) und dem Kontaktstift (24) angeordnet ist und diese elektrisch leitend verbindet.
5. Piezoaktor nach Anspruch 4, wobei das elektrisch
leitende Zwischenelement (22) parallel angeordnete
Drähte umfasst, welche die Außenelektrode (20) mit dem Kontaktstift (24) elektrisch leitend verbinden.
6. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Gerade, die durch die Kontaktstelle (32) zwischen der Weiterführung (30) und dem Kontaktstift (24) und das freie Ende (34) der Weiterführung (30) verläuft, mit der Längsachse (18) des Kontaktstifts (24) einen Winkel (μ) von 90° einschließt.
7. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein Gehäuse (40) aufweist.
8. Piezoaktor nach Anspruch 7, wobei der Kontaktstift (24) vollständig vom Gehäuse (40) umschlossen ist.
9. Piezoaktor nach Anspruch 7 oder 8, wobei die
Weiterführung (30) aus einer Seitenfläche (46) des
Gehäuses (40) herausragt.
10. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Weiterführung (30) an dem freien Ende (34) mit einem Anschlusselement (36) verbunden ist und wobei der Piezoaktor (10) über das Anschlusselement (36)
angesteuert werden kann.
11. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Piezoaktor (10) zwei Kontaktstifte (24) aufweist und wobei die Elektrodenschichten (12) abwechselnd mit jeweils einem der Kontaktstifte (24) elektrisch leitend verbunden sind und jeder der
Kontaktstifte (24) eine Weiterführung (30) aufweist und wobei über die freien Enden (34) der Weiterführungen (30) eine Spannung zwischen benachbarten Elektrodenschichten (12) des Stapels (16) angelegt werden kann.
12. Piezoaktor nach Anspruch 11, wobei die freien Enden (34) der Weiterführungen (30) an derselben Seitenfläche (19) des Piezoaktors (10) angeordnet sind.
13. Piezoaktor nach Anspruch 12, wobei die freien Enden (34) der Weiterführungen (30) übereinander bezüglich der Längsachse (18) des Stapels (16) angeordnet sind.
14. Piezoaktor nach Anspruch 12, wobei die freien Enden (34) der Weiterführungen (30) nebeneinander bezüglich der Längsachse (18) des Stapels (16) angeordnet sind.
15. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 11, wobei die freien Enden (34) der Weiterführungen (30) an unterschiedlichen Seitenflächen (19) des Piezoaktors (10) angeordnet sind.
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