ES2292569T3

ES2292569T3 - Accionador piezoelectrico multicapa.

Info

Publication number: ES2292569T3
Application number: ES01913697T
Authority: ES
Inventors: Rudolf Heinz; Bertram Sugg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2008-03-16
Anticipated expiration: 2021-02-21
Also published as: KR20020084307A; CZ20023364A3; WO2001078158A1; EP1275160A1; CZ302047B6; KR100686907B1; JP4921675B2; DE50113169D1; JP2004508695A; EP1275160B1; DE10017975A1

Abstract

Accionador multicapa con una pila (31) de finas capas aislantes (20) de un material piezo activo con electrodos internos (21, 22) incorporados, saliendo correlativamente de la pila (31), conectados eléctricamente en paralelo a través de un electrodo externo (23, 24) asignado a la respectiva cara de la pila (31), presentando al menos uno de los electrodos externos (23, 24) una capa conductora (15) y un tejido (5) conectado en algunos puntos con la capa conductora (15), comprendiendo el tejido (5), en cada caso, al menos hilos de trama (10) discurriendo considerablemente paralelos unos respecto a otros y, en cada caso, al menos hilos de cadena (11) discurriendo considerablemente paralelos unos respecto a otros, unidos, particularmente soldados, por sus puntos de intersección (13), caracterizado porque los hilos de trama (10) y los hilos de cadena (11) del tejido (5) se entretejen o se entrelazan de tal manera, que los espacios producidos tengan al menos aproximadamente la forma de un rombo y se origina como primer ángulo interno (16) de los espacios romboidales (12), que asciende a 2fi, un ángulo, para el que se aplica al menos aproximadamente: ** ver fórmula** con ** ver fórmula** y designando deltal/l la variación relativa en longitud de la pila (31) de la longitud 1 durante una contracción longitudinal o dilatación longitudinal y deltab/b la contracción transversal relativa o dilatación transversal relativa de la pila (31) del ancho de la cara b mediante la variación en longitud deltal, de forma que durante la operación del accionador multicapa, en la región del electrodo externo (23, 24), se equilibren al menos considerablemente las fuerzas surgidas debido a una contracción longitudinal o a una dilatación longitudinal de la pila (31) dentro del tejido (5).

Description

Accionador piezoeléctrico multicapa.

La presente invención hace referencia a un accionador multicapa con una pila de finas capas aislantes de un material piezoactivo según la categoría de la reivindicación principal.

Estado actual de la técnica

Los accionadores piezoeléctricos multicapa conocidos, tal y como se emplean, por ejemplo, en inyectores diesel de conducto común y/o en la técnica de inyección directa de gasolina, muestran dependiendo de la geometría de los electrodos internos utilizados puntos de deslaminado parcial en las zonas inactivas del accionador multicapa, es decir, particularmente en la zona límite, lo que puede conducir finalmente a fisuras en los electrodos externos situados externamente. Estas fisuras conducen a una interrupción del suministro de corriente a las partes del accionador multicapa, de forma que las capas aislantes individuales con material piezoactivo o grupos de estas capas aislantes se desconecten del suministro externo de tensión y sean, por tanto, inactivas.

Un accionador multicapa monolítico, tal y como era también punto de partida para la presente invención, se conoce, por ejemplo, gracias a la DE 196 48 545 A1, discutiéndose ya también el problema de delaminación y de formación de fisuras en el accionador piezoeléctrico.

Para evitar estas delaminaciones y/o la formación de fisuras, allí se propone, proporcionar a la superficie lateral del accionador piezoeléctrico una metalización básica y, sobre esta metalización básica, disponer entonces un electrodo estructurado tridimensionalmente, conductor eléctrico, conectado con la metalización básica a través de puntos de contacto o puntos de soldadura y formado flexible al mismo tiempo entre los puntos individuales de contacto. Por otra parte, allí ya se propone configurar este electrodo estructurado tridimensionalmente en forma de género metálico de punto y/o tejido metálico, que presente una estructuración ondulada o espigada.

Mediante la formación tridimensionalmente estructurada propuesta de los electrodos debería lograrse que las fuerzas de estiramiento resultantes durante la operación del accionador multicapa, particularmente en las zonas límites, se compensaran mediante la estructura del electrodo externo, de forma que los puntos de soldadura y/o puntos de contacto se carguen lo menos posible y no se rompieran.

Era objetivo de la presente invención proporcionar un modo de ejecución alternativo a la solución propuesta en la DE 196 48 545 A1, pudiendo prescindirse particularmente también de una estructuración tridimensional mediante una formación especial del electrodo externo. Por otra parte, las fuerzas surgidas en los electrodos externos, originadas por una contracción longitudinal y/o dilatación longitudinal y un alargamiento transversal y/o comprensión transversal producida asimismo de este modo, deberían compensarse mediante la estructura del electrodo externo.

Gracias a la WO 00/79607 A1 no publicada previamente se conoce ya un accionador piezoeléctrico, que presenta una estructura multicapa de capas piezoeléctricas y electrodos internos dispuestos entre ellas, efectuándose un contacto lateral mutuo de los electrodos internos a través de los electrodos externos, a través de los cuales se puede suministrar una tensión eléctrica. Un electrodo externo se aplica distribuido en forma de red o tejido sobre, en cada caso, una superficie lateral y contacta al menos puntualmente con los respectivos electrodos internos. Entre los contactos hay una zona flexible. Como primer electrodo externo se efectúa una superficie conductora sobre, en cada caso, una superficie lateral, en contacto con los respectivos electrodos internos, y el segundo electrodo externo reticular o en forma de tejido se dispone sobre el primer electrodo. El suministro de la tensión eléctrica se lleva a cabo a través de tomas, que tengan asimismo zonas flexibles entre las zonas de la superficie o puntos de contacto y que se encuentran en zonas rebajadas elásticas.

Ventajas de la invención

El accionador multicapa conforme a la invención presenta la ventaja respecto al estado actual de la técnica de que las fuerzas surgidas durante la operación del accionador multicapa en la zona de los electrodos externos, es decir, tanto las fuerzas longitudinales como también las fuerzas transversales, pueden compensarse, al menos considerablemente, de forma que durante la operación no se transmita esencialmente ninguna fuerza a la parte del electrodo externo configurada como tejido. Por consiguiente, los puntos de soldadura o puntos de contacto se descargan claramente y se vuelven a prueba de fallo. Tampoco ahora resulta particularmente necesario, que el tejido configurado como parte de los electrodos externos participe en gran parte de los alargamientos y/o dilataciones del accionador. Por consiguiente, por un lado, se evita en conjunto un deslaminado de los electrodos externos y una aparición de fisuras en el accionador multicapa, y por otro lado, se descargan claramente los puntos de soldadura producidos.

Por otra parte, el accionador multicapa conforme a la invención presenta la ventaja de que, también en caso de una rotura imprevista de un punto de soldadura, se disponga siempre de tantas rutas conductoras eléctricas como posibilidades de punteado de este punto de soldadura roto, de forma que pueda evitarse considerablemente la aparición de capas aislantes inactivas.

\newpage

Gracias a que los electrodos externos tienen un tejido, que tiene una estructura similar a la de un tamiz, se puede ahora también llevar a cabo efectiva y eficazmente y controlar el proceso de soldadura, es decir, la soldadura en algunos puntos del tejido aplicado con la capa conductora situado por debajo, en contacto directo con los electrodos internos, por un lado, y la soldadura en algunos puntos del tejido aplicado con contactos de conexión en contacto con una alimentación externa de tensión, por otro lado.

Finalmente, mediante la estructura del tejido resulta ahora también posible de manera sencilla, lavar el fundente empleado en la soldadura y/o los restos de fundente que queden.

Resulta muy especialmente favorable, que los hilos de trama y de cadena del tejido aplicado se entretejan y/o se entrelacen de tal manera, que los espacios creados, es decir, las mallas, tengan, al menos aproximadamente, la forma de un rombo.

Un aspecto especialmente favorable de la invención consiste en definir el ángulo interno de este rombo a través de la variación relativa en longitud y/o la contracción transversal relativa del accionador multicapa surgida durante la operación. Mediante un ajuste definido de este ángulo a un valor preestablecido puede obtenerse una anulación al menos casi total de las fuerzas longitudinales y transversales en el tejido. Resulta además favorable, que este ángulo interno del rombo pueda especificarse de manera evidente, independientemente de la variación relativa concreta en longitud y/o contracción transversal relativa concreta del accionador multicapa, a través de los coeficientes piezoeléctricos del material piezoactivo de las capas aislantes.

Por consiguiente, mediante la formación del tejido en forma de tamiz con mallas romboidales con ángulo interno definido aplicado como parte de los electrodos externos puede evitarse casi totalmente una carga mecánica de este tejido. Mediante la formación romboidal de las mallas del tamiz y la sobresoldadura definida de este tamiz sobre la capa conductora aplicada sobre la superficie lateral del accionador multicapa, no aparece particularmente tampoco ningún alargamiento en los hilos del tamiz y/o tejido. La sobresoldadura se lleva a cabo, en todos los demás aspectos, preferentemente de tal manera, que el citado ángulo interno se alinee transversalmente a la dirección de la dilatación longitudinal o contracción longitudinal.

Los perfeccionamientos favorables de la invención se deducen de las medidas citadas en las subreivindicaciones.

Así, puede resultar favorable, que el tejido se implemente en forma de tamiz y al mismo tiempo los hilos de trama y de cadena de este tejido y/o tamiz se encuentren estrechamente superpuestos. En este caso se limita una deformación elástica de los hilos de trama y/o de cadena en caso de alargamiento del accionador multicapa.

Resulta además favorable, que el metal de aportación empleado en la soldadura sólo penetre parcialmente en los puntos de intersección (puntos de soldadura) entre los hilos de trama y de cadena y pueda obstaculizar allí adicionalmente el alargamiento y/o la deformación elástica del tejido.

El rombo está orientado además preferentemente de tal manera, que una de las diagonales de este rombo se alinee paralelamente a una contracción o dilatación longitudinal surgida durante la operación de la pila.

El tejido aplicado puede, por un lado, transformarse favorablemente antes de la soldadura mediante estiramiento en la forma romboidal correcta o, por otro lado, estar ya así tejido y/o fabricado.

El accionador multicapa conforme a la invención con el tejido configurado como parte del electrodo externo presenta, en conjunto, la ventaja de una sencilla elaboración y ratios de fallo claramente reducidos.

Dibujos

La presente invención se describe más a fondo mediante los dibujos y en la siguiente descripción. Muestra: la Figura 1, un tejido en forma de tamiz con mallas romboidales; la Figura 2, una ampliación detallada de la Figura 1; y la Figura 3, un accionador multicapa con un tejido conforme a la Figura 1 como parte de los electrodos externos.

Ejemplos de ejecución

La Figura 3 muestra primero un corte de un accionador multicapa 30 conocido en forma de pila 31 de capas aislantes 20 piezoactivas, particularmente cerámicas, con electrodos internos metálicos 21, 22 incorporados entre ellas. Los electrodos internos 21, 22 salen correlativamente de la pila 31 y se conectan eléctricamente en paralelo a través de los electrodos externos 23, 24 asignados. Para la conexión en paralelo de los electrodos internos 21, 22 se aplica, particularmente se sobresuelda, sobre las caras de contacto de la pila 31 una metalización básica en forma de capa conductora 15, que presenta un espesor típico de 2 a 60 micrómetros. Alternativamente a la sobresoldadura, la capa conductora 15 puede aplicarse también por serigrafía o galvánicamente.

Por otra parte, en la Figura 3 se representa, que la capa conductora 15 aplicada sobre las superficies de contacto y/o superficies laterales de la pila 31 se encuentra, en cada caso, en contacto con un tejido 5 a través de puntos de soldadura 13, lo que se explica a continuación aún en mayor detalle.

En la Figura 3 se sugiere adicionalmente, que durante la operación del accionador multicapa 30 aparece una variación en longitud \Deltal en la dirección longitudinal. Esta variación en longitud puede ser, dependiendo de la tensión aplicada desde fuera, una contracción longitudinal o una dilatación longitudinal. La dirección longitudinal está caracterizada en la Figura 3, en todos los demás aspectos, por la dirección y. Mediante la variación en longitud en la dirección y aparece también inevitablemente una contracción transversal o dilatación transversal \Deltab en la dirección x y en la dirección z. Otros detalles, aparte de la estructura del tejido 5, del accionador multicapa 30 conocido se pueden extraer de la DE 196 48 545 A1. Por otra parte, también en la DE 40 36 287 C2 se describen estos accionadores multicapa monolíticos.

La Figura 1 explica de detalle la estructura del tejido 5 conforme a la Figura 3, que se suelda en algunos puntos sobre la capa conductora 15. El tejido 5 consiste además en hilos de trama 10 que discurren al menos considerablemente paralelos y hilos de cadena 11 que discurren al menos considerablemente paralelos, unidos, particularmente soldados, por sus puntos de intersección 13. Los hilos de trama 10 y los hilos de cadena 11 se fabrican, en el ejemplo explicado, a partir de hilos eléctricamente conductores, particularmente hilo metálico, que presenta preferentemente un diámetro de 10 a 250 micrómetros, particularmente de 50 a 150 micrómetros.

El tejido 5 tiene por consiguiente, la forma de un tamiz, estando unidos los puntos de intersección 13 de los hilos de trama 10 y los hilos de cadena 11. Además, los hilos de trama 10 y los hilos de cadena 11 se entretejen y/o se entrelazan de tal manera en el tejido 5, que los espacios 12 obtenidos, es decir, las mallas formadas, tengan, al menos aproximadamente, la forma de un rombo. El tejido 5 está además orientado de tal manera y/o colocado de tal manera sobre la capa conductora 15, que una primera diagonal 26 de los espacios romboidales 12 se alinea paralelamente a la contracción longitudinal y/o dilatación longitudinal surgida durante la operación de la pila 31. La primera diagonal 26 está orientada, por consiguiente, paralelamente a la dirección y, mientras que la segunda diagonal de los espacios romboidales 12 está orientada paralelamente a la dirección x o a la dirección z.

La luz de malla de los espacios 12, es decir, las distancias mutuas de los hilos de trama 10 y/o de los hilos de cadena11 asciende habitualmente a entre 30 y 400 micrómetros, particularmente de 100 a 200 micrómetros.

El tejido 5 está soldado, en todos los demás aspectos, preferentemente en todos los puntos de intersección 13 de los hilos de trama 10 y los hilos de cadena 11 con la capa conductora 15.

Para garantizar, que durante una contracción longitudinal y/o dilatación longitudinal del accionador piezoeléctrico 30 el tejido 5 se encuentre lo más libre de fuerzas posible, de forma que sobre los puntos de soldadura y/o puntos de intersección 13 no actúe, en la medida de lo posible, ninguna fuerza, los espacios romboidales 12 están sujetos preferentemente a una condición limitante en lo que al ángulo interno de los espacios 12 se refiere. Esto se describe más a fondo con ayuda de la Figura 2.

La Figura 2 muestra individualmente un detalle de la Figura 1 en la zona de una intersección 13, representándose únicamente una parte de un espacio romboidal 12. En la Figura 2 se registran adicionalmente la primera diagonal del rombo 25 y la segunda diagonal del rombo 26 de este espacio romboidal 12. La segunda diagonal del rombo 26 es además paralela a la dirección y está orientada conforme a la Figura 1 y/o Figura 3. En la Figura 2 se representa adicionalmente, que los hilos de cadena 11 y los hilos de trama 10 encierran un primer ángulo interno 16, que se designa en lo sucesivo con 2\phi. El primer ángulo interno 16 es, en el ejemplo explicado conforme a la Figura 2, aquel ángulo interno del espacio romboidal 12, dividido por la mitad por la segunda diagonal del rombo 25, es decir, la diagonal del rombo que discurre paralelamente a la dirección x.

El primer ángulo interno 16 (2\phi) se dimensiona ahora, es decir, los hilos de trama 10 y los hilos de cadena 11 se entretejen y/o se estiran tras la tejedura de tal manera de tal manera, que, por un lado, esté orientado transversalmente a la dirección del alargamiento longitudinal, y por otro lado, se adapten al alargamiento transversal/contracción transversal y al alargamiento longitudinal/contracción longitudinal, de forma que en los hilos de trama 10 y en los hilos de cadena 11 no aparezca, al menos aproximadamente, ningún alargamiento.

En este punto hay que destacar, que en los accionadores piezoeléctricos habituales 30 la variación relativa en la longitud de la pila 31, es decir \Deltal/l, designando l la altura de la pila 31, se encuentre entre el 0,1% y el 0,15%. Las contracciones transversales y/o dilataciones transversales relativas \Deltab/b habituales de la pila 31, producidas mediante la variación en longitud \Deltal inducida, se encuentran correspondientemente a aproximadamente la mitad de la variación relativa en longitud de la pila 31. La variable b es, además, la longitud lateral de una superficie lateral del accionador piezoeléctrico 30. En el ejemplo explicado, la pila 31 tiene una base cuadrada en la dirección longitudinal, en vista superior. No obstante, resulta asimismo posible configurar la pila 31 con base rectangular, hexagonal u
octogonal.

Un accionador piezoeléctrico 30 en forma de sillar de longitud l se alarga, por consiguiente, por ejemplo, en caso de aplicación de un campo eléctrico E a las capas aislantes 20 en \Deltal en la dirección del campo, mientras que se contrae simultáneamente en las direcciones ortogonales. E ancho b se reduce además en \Deltab. Las relaciones \varepsilon = \Deltal/l y \delta = \Deltab/b se designan como alargamiento longitudinal y/o contracción transversal.

\newpage

De la exigencia de que en el tejido romboidal sobresoldado 5 la longitudes laterales de los rombos se mantenga constante, es decir, que el espacio romboidal 12 no se deforme ni elástica ni plásticamente, para el primer ángulo interno 16 se deduce fácilmente la siguiente relación:

100

Como en todos los casos la variación relativa en longitud \Deltal/l y/o la contracción transversal relativa \Deltab/b es siempre considerablemente menor que 1, esta Fórmula puede aproximarse en todos los casos relevantes para la práctica mediante la Fórmula:

101

Como sigue aplicándose \delta = d_{31}\cdot E y \varepsilon = d_{33}\cdot E, resulta finalmente para el ángulo \phi:

102

De la Fórmula anterior se deduce, particularmente, que el primer ángulo interno 16 (2\phi) no depende de la intensidad de campo E aplicada, sino sólo de los coeficientes piezoeléctricos d_{31} y d_{33} del material de las capas aislantes 20 asignados a las direcciones individuales, que consisten, por ejemplo, en un material cerámico piezoactivo.

Claims

1. Accionador multicapa con una pila (31) de finas capas aislantes (20) de un material piezoactivo con electrodos internos (21, 22) incorporados, saliendo correlativamente de la pila (31), conectados eléctricamente en paralelo a través de un electrodo externo (23, 24) asignado a la respectiva cara de la pila (31), presentando al menos uno de los electrodos externos (23, 24) una capa conductora (15) y un tejido (5) conectado en algunos puntos con la capa conductora (15), comprendiendo el tejido (5), en cada caso, al menos hilos de trama (10) discurriendo considerablemente paralelos unos respecto a otros y, en cada caso, al menos hilos de cadena (11) discurriendo considerablemente paralelos unos respecto a otros, unidos, particularmente soldados, por sus puntos de intersección (13), caracterizado porque los hilos de trama (10) y los hilos de cadena (11) del tejido (5) se entretejen o se entrelazan de tal manera, que los espacios producidos tengan al menos aproximadamente la forma de un rombo y se origina como primer ángulo interno (16) de los espacios romboidales (12), que asciende a 2\phi, un ángulo, para el que se aplica al menos aproximadamente:

103

con 104

designando \Deltal/l la variación relativa en longitud de la pila (31) de la longitud 1 durante una contracción longitudinal o dilatación longitudinal y \Deltab/b la contracción transversal relativa o dilatación transversal relativa de la pila (31) del ancho de la cara b mediante la variación en longitud \Deltal, de forma que durante la operación del accionador multicapa, en la región del electrodo externo (23, 24), se equilibren al menos considerablemente las fuerzas surgidas debido a una contracción longitudinal o a una dilatación longitudinal de la pila (31) dentro del tejido (5).

2. Accionador multicapa con una pila (31) de finas capas aislantes (20) de un material piezoactivo con electrodos internos (21, 22) incorporados, saliendo correlativamente de la pila (31), conectados eléctricamente en paralelo a través de un electrodo externo (23, 24) asignado a la respectiva cara de la pila (31), presentando al menos uno de los electrodos externos (23, 24) una capa conductora (15) y un tejido (5) conectado en algunos puntos con la capa conductora (15), comprendiendo el tejido (5), en cada caso, al menos hilos de trama (10) discurriendo considerablemente paralelos unos respecto a otros y, en cada caso, al menos hilos de cadena (11) discurriendo considerablemente paralelos unos respecto a otros, unidos, particularmente soldados, por sus puntos de intersección (13), caracterizado porque los hilos de trama (10) y los hilos de cadena (11) del tejido (5) se entretejen o se entrelazan de tal manera, que los espacios producidos tengan al menos aproximadamente la forma de un rombo y se origina como primer ángulo interno (16) de los espacios romboidales (12), que asciende a 2\phi, un ángulo, para el que se aplica al menos aproximadamente:

105

designando d_{31} y d_{33} los coeficientes piezoeléctricos del material piezoactivo de las capas aislantes (20) correspondientes a la variación en longitud \Deltal y/o a la contracción transversal \Deltab inducida de este modo, de forma que durante la operación del accionador multicapa, en la región del electrodo externo (23, 24), se equilibren al menos considerablemente las fuerzas surgidas debido a una contracción longitudinal o a una dilatación longitudinal de la pila (31) dentro del tejido (5).

3. Accionador multicapa acorde a la Reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los hilos de trama (10) y los hilos de cadena (11) se entretejen o se entrelazan juntos de tal manera y porque el tejido (5) está conectado de tal manera en algunos puntos con la capa conductora (15), que una primera diagonal (26) de los espacios romboidales (12) se alinea paralelamente a la contracción longitudinal o dilatación longitudinal surgida durante la operación de la pila (31).

4. Accionador multicapa acorde a al menos una de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque el tejido (5) consiste en hilos conductores eléctricos (10, 11), particularmente alambre metálico.

5. Accionador multicapa acorde a al menos una de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque la capa conductora (15) es una capa de soldadura metálica, una capa impresa o una capa de depósito galvánico, particularmente con un espesor de 2 \mum a 60 \mum.

6. Accionador multicapa acorde a, al menos, una de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque la pila (31) presenta, en vista superior, en la dirección longitudinal, una base rectangular, cuadrada, hexagonal o octogonal.

7. Accionador multicapa acorde a, al menos, una de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque los hilos (10, 11) o el alambre tienen un diámetro de 10 \mum a 250 \mum, particularmente de 50 \mum a 150 \mum.