WO2000052769A1 - Piezoelektrischer aktor - Google Patents

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piezoelectric
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Rudolf Heinz
Friedrich Boecking
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M63/0026Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators

Definitions

  • the invention is based on a piezoelectric actuator, in particular for actuating control valves or injection valves in motor vehicles, with an actuator body in the form of a multi-layer laminate of layers of piezoelectric material stacked on top of one another and metallic or electrically conductive layers in between, serving as electrodes, which alternate through on the Common electrode paths lying in the longitudinal direction of the actuator body are contacted and with electrical connection conductors which are in electrical contact with the common electrode paths in order to supply the piezoelectric actuator with operating voltage.
  • Such a piezoelectric actuator is such. B. from DE 196 50 900 AI of Robert Bosch GmbH known.
  • Such piezoelectric multi-layer actuators perform, when they are subjected to a pulsating electrical voltage at their electrode layers, analogous pulsating strokes, changing the distance between their two end faces.
  • the to the control or injection valve facing end has a plunger-like element that transmits the actuator stroke to the valve.
  • the piezoelectric actuator is connected in the active area of the actuator body.
  • the electrode tracks which transmit the electrical voltage to the electrode layers and which lie on both sides of the actuator body cover the full length of the active region of the actuator body, and the disadvantage arises that the electrical ones
  • Connection conductors must participate in the stroke of the actuator.
  • contacting the same with the common electrode tracks is problematic, since such contact made by a solder connection tends to form cracks during operation of the actuator.
  • a generic piezoelectric actuator is to be designed in such a way that reliable contacting of the connecting conductors with the common electrode tracks is achieved over the life of the piezoelectric actuator or the valve equipped with it, and at the same time the usual soldered connections can be replaced by clamp connections.
  • the essence of the invention is to remove the contacting of the connection conductors with the common electrode tracks from the active area of the piezoelectric actuator.
  • the actuator body has a cover layer made of piezo-inactive ceramic material on at least one end side opposite the valve side, and in that the
  • Connection conductors only in the area of this cover layer are electrically contacted with the common electrode tracks.
  • the piezoelectric actuator body can of course also have a piezo-inactive cover layer on its valve-side end face.
  • connection conductors with the common electrode tracks lies in the region of the piezo-inactive cover layer of the actuator body, which is not subject to the actuator stroke, means that there are no longer any connections in the active region of the piezoelectric actuator, and crack formation at soldering points and contact problems during its operation are avoided.
  • the common electrode tracks are in contact with the connection conductors on the jacket side of the cover layer.
  • the common electrode tracks are guided up to the end face of the cover layer and are there in contact with the connection conductors.
  • Connection leads can either be soldered or clamped.
  • connection conductors with the common electrode tracks on the piezo-inactive Cover layer in contact diametrically opposed to each other. This applies both to piezoelectric actuators with a circular cross section and to those with a rectangular or square cross section.
  • FIG. 1 schematically shows part of a longitudinal section through a piezoelectric actuator designed according to a first exemplary embodiment
  • Figure 2 shows in the same view a second embodiment of a piezoelectric actuator according to the invention.
  • FIG. 1 shows, in the form of a broken longitudinal section, a first exemplary embodiment of a piezoelectric actuator, which has an actuator body 10 in the form of a multi-layer laminate composed of layers of piezoelectric material 11 and layers lying between them metallic or electrically conductive layers 12, 13 serving as electrodes, which are alternately electrically contacted by common electrode tracks 14, 15 lying in the longitudinal direction on the jacket side of the actuator body and are shown broken off)
  • an actuator body 10 in the form of a multi-layer laminate composed of layers of piezoelectric material 11 and layers lying between them metallic or electrically conductive layers 12, 13 serving as electrodes, which are alternately electrically contacted by common electrode tracks 14, 15 lying in the longitudinal direction on the jacket side of the actuator body and are shown broken off
  • the common electrode tracks 14, 15 lie on diametrically opposite sides on the outer surface of the piezoelectric actuator body 10, where the alternating electrode layers 12 and 13 are alternately exposed on the outer surface of the actuator body 10.
  • the electrode tracks 14 and 15 can have a different shape than that shown in FIG. 1 and here have, for example only, the shape of straight, flat strips or webs in the axial direction of the actuator body 10.
  • the actuator body 10 has on its (upper in the figure 1)
  • connection conductors 16 and 17 are in electrical contact with the electrode tracks 14 and 15 only in the area of this cover layer 18.
  • the contact points of the connection conductors 16 and 17 with the common electrode tracks 14, 15 lie on the outer surface of the cover layer 18.
  • Each connection conductor 16 and 17 can either be soldered to the respective common electrode track 14 and 15 or connected with a clamp connection. Of course, one of the connection conductors 16 or 17 can also be soldered and the other clamped.
  • a clamped contacting of the common electrode tracks with the connection conductors 16 and 17 is also advantageous with the tensioning of the actuator body.
  • a piezoelectric multi-layer actuator as described here must be installed under a mechanical pretension, since otherwise it would tear apart when actuated.
  • the mechanical prestress is applied to the end faces of the actuator body 10 by suitable prestressing members (not shown), so that the actuator strokes are carried out on the end face facing the valve, not shown in the figures, against the prestress applied by the prestressing members.
  • the end face of the actuator body 10 facing the valve can also have a piezo-inactive cover layer, similar to the cover layer 18.
  • the contact points of the connecting conductors 16, 17 can be provided both on the jacket surface and on the end face 9 of the cover layer 18, which means a combination of the exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 2.
  • the piezoelectric actuator described above by way of example with reference to FIGS. 1 and 2 offers simple and reliable contacting with high fatigue strength and little tendency to form cracks in the contacting solder over the life of the actuator, since the contacting of the common electrode tracks with the voltage-supplying connection conductors made of the piezoactive Area of the actuator is removed.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen, mit einem Aktorkörper (10) in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials (11) und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten (12, 13), die abwechselnd durch an der Mantelseite in Längsrichtung des Aktorkörpers (10) liegende gemeinsame Elektrodenbahnen (14, 15) kontaktiert sind und mit elektrischen Anschlussleitern (16, 17), die um dem piezoelektrischen Aktor (10) Betriebsspannung zuzuführen, jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) elektrisch in Kontakt stehen. Der Aktorkörper (10) weist an wenigstens einer de Ventilseite gegenüberliegenden Stirnseite (9) eine Deckschicht (18) aus piezo-inaktivem Keramikmaterial auf, und die Anschlussleiter (16, 17) stehen nur im Bereich dieser Deckschicht (18) jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) in Kontakt.

Description

WO 00/52769 PCTtDEOO/00121
PIEZOELEKTRISCHER AKTOR
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen, mit einem Aktorkörper in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, die abwechselnd durch an der Mantelseite in Längsrichtung des Aktorkörpers liegende gemeinsame Elektrodenbahnen kontaktiert sind und mit elektrischen Anschlussleitern, die, um dem piezoelektrischen Aktor Betriebsspannung zuzuführen, jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen elektrisch in Kontakt stehen.
Ein solcher piezoelektrischer Aktor ist z. B. aus der DE 196 50 900 AI der Robert Bosch GmbH bekannt.
Derartige piezoelektrische Mehrlagenaktoren führen, wenn sie mit einer pulsierenden elektrischen Spannung an ihren Elektrodenschichten beaufschlagt werden, analog pulsierende Hübe unter Änderung des Abstandes zwischen ihren beiden Stirnseiten aus. Die zu dem Steuer- oder Einspritzventil weisende Stirnseite besitzt ein stößelartiges Organ, das den Aktorhub auf das Ventil überträgt .
Bei der oben zitierten DE 196 50 900 AI erfolgt der Anschluss des piezoelektrischen Aktors im aktiven Bereich des Aktorkörpers . Dabei überdecken die die elektrische Spannung zu den Elektrodenschichten übertragenden, zu beiden Seiten des Aktorkörpers liegenden Elektrodenbahnen die volle Länge des aktiven Bereichs des Aktorkörpers, und es entsteht der Nachteil, dass die elektrischen
Anschlussleiter den Hub des Aktors mitmachen müssen. Zusätzlich ist die Kontaktierung derselben mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen problematisch, da eine solche durch eine Lötverbindung ausgeführte Kontaktierung während des Betriebs des Aktors zur Rissbildung neigt.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Ein gattungsgemäßer piezoelektrischer Aktor soll so ausgeführt werden, dass eine über die Lebensdauer des piezoelektrischen Aktors bzw. des mit ihm ausgerüsteten Ventils sichere Kontaktierung der Anschlussleiter mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen erreicht wird und dass gleichzeitig die üblichen gelöteten Verbindungen durch Klemmverbindungen ersetzt werden können.
Der Kern der Erfindung liegt darin, die Kontaktierung der Anschlussleiter mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen aus dem aktiven Bereich des piezoelektrischen Aktors herauszunehmen.
Verwirklicht wird dies vorteilhaft dadurch, dass der Aktorkörper an wenigstens einer der Ventilseite gegenüberliegenden Stirnseite eine Deckschicht aus piezo- inaktivem Keramikmaterial aufweist, und dass die
Anschlussleiter nur im Bereich dieser Deckschicht jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen elektrisch kontaktiert sind.
Obwohl für die in dieser Anmeldung in Rede stehende Kontaktierung des piezoelektrischen Aktors nur die an der der Ventilseite gegenüberliegende Stirnseite des Aktorkörpers vorhandene piezo-inaktive Deckschicht wesentlich ist, kann der piezoelektrische Aktorkörper selbstverständlich auch eine piezo-inaktive Deckschicht an seiner ventilseitigen Stirnseite aufweisen.
Dadurch, dass die Kontaktierung der Anschlussleiter mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen im Bereich der nicht dem Aktorhub unterworfenen piezo-inaktiven Deckschicht des Aktorkörpers liegt, befinden sich keine Anschlüsse mehr im aktiven Bereich des piezoelektrischen Aktors, und Rissbildungen an Lötstellen und Kontaktprobleme während seines Betriebs sind vermieden.
Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors stehend die gemeinsamen Elektrodenbahnen mit den Anschlussleitern an der Mantelseite der Deckschicht in Kontakt.
Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Aktors sind die gemeinsamen Elektrodenbahnen bis zur Stirnseite der Deckschicht geführt und stehen dort mit den Anschlussleitern in Kontakt.
Die Kontaktierung der gemeinsamen Elektrodenbahnen mit den
Anschlussleitern kann entweder gelötet oder geklemmt sein.
Für die Zuführung der Anschlussleiter zum Aktorkörper durch ein Ventilgehäuse hindurch kann es von Vorteil sein, wenn die Kontaktstellen, wo die Anschlussleiter mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen an der piezo-inaktiven Deckschicht in Kontakt stehen, einander diametral gegenüberliegen. Dies gilt sowohl für piezoelektrische Aktoren mit kreisrundem Querschnitt als auch für solche mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt.
Es sei erwähnt, dass die Gestaltung der gemeinsamen Elektrodenbahnen entlang des Aktorkörpers nicht Gegenstand dieser Anmeldung ist, so dass in den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen einfach angenommen wird, dass diese Elektrodenbahnen die Form flacher an der
Mantelfläche des Aktorkörpers anliegender Bänder oder Stege haben .
Die nachfolgende Beschreibung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnung zwei verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors.
Zeichnung
Figur 1 zeigt schematisch einen Teil eines Längsschnitts durch einen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gestalteten piezoelektrischen Aktor, und
Figur 2 zeigt in derselben Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors.
Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt in Form eines abgebrochenen Längsschnitts ein erstes Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Aktors, der einen Aktorkörper 10 in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials 11 und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten 12, 13, die abwechselnd durch an der Mantelseite des Aktorkörpers in Längsrichtung liegende gemeinsame Elektrodenbahnen 14, 15 elektrisch kontaktiert sind und abgebrochen dargestellte) elektrische
Anschlussleiter 16, 17 aufweist, die jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen 14, 15 elektrisch in Kontakt stehen, um dem piezoelektrischen Aktor Betriebsspannung zuzuführen. Wie gezeigt, liegen die gemeinsamen Elektrodenbahnen 14, 15 an diametral gegenüberliegenden Seiten auf der Mantelfläche des piezoelektrischen Aktorkörpers 10, dort wo die einander abwechselnden Elektrodenschichten 12 und 13 abwechselnd an der Mantelfläche des Aktorkörpers 10 freiliegen. Die Elektrodenbahnen 14 und 15 können eine andere Form haben, als sie in Figur 1 dargestellt ist und haben hier nur beispielhaft die Form von geradlinigen ebenen Streifen oder Stegen in Axialrichtung des Aktorkörpers 10.
Der Aktorkörper 10 hat an seiner (in der Figur 1 oberen)
Stirnseite, die der den Aktorhüben unterworfenen zum Ventil weisenden Stirnseite gegenüberliegt, eine Deckschicht 18 aus piezo-inaktivem Keramikmaterial, und die Anschlussleiter 16 und 17 stehen mit den Elektrodenbahnen 14 und 15 nur im Bereich dieser Deckschicht 18 in elektrischem Kontakt. Gemäß Figur 1 liegen die Kontaktstellen der Anschlussleiter 16 und 17 mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen 14, 15 an der Mantelfläche der Deckschicht 18. Jeder Anschlussleiter 16 und 17 kann mit der jeweiligen gemeinsamen Elektrodenbahn 14 und 15 entweder verlötet oder mit einer Klemmverbindung angeschlossen sein. Selbstverständlich kann auch einer der Anschlussleiter 16 oder 17 gelötet und der andere geklemmt sein.
Werden gemäß Figur 2 die gemeinsamen Elektrodenbahnen 14, 15 auf die Deckfläche der piezo-inaktiven Deckschicht 18 umgeleitet, ist mit der Verspannung des Aktorkörpers auch eine geklemmte Kontaktierung der gemeinsamen Elektrodenbahnen mit den Anschlussleitern 16 und 17 vorteilhaft. Hier ist zu erwähnen, dass ein piezoelektrischer Mehrlagenaktor, wie er hier beschrieben w;:ird, unter einer mechanischen Vorspannung eingebaut werden uι∑ss, da er sonst bei einer Betätigung auseinanderreißen würde . Die mechanische Vorspannung wird durch geeignete (nicht gezeigte) Vorspannungsglieder auf die Stirnseiten des Aktorkörpers 10 aufgebracht, so dass die Aktorhübe auf der in den Figuren nicht gezeigten zum Ventil weisenden Stirnseite gegen die von den Vorspannungsgliedern aufgebrachte Vorspannung ausgeführt werden.
Selbstverständlich kann auch die zum Ventil weisende Stirnseite des Aktorkörpers 10 eine piezo-inaktive Deckschicht, ähnlich wie die Deckschicht 18 haben.
Außerdem können die Kontaktstellen der Anschlussleiter 16, 17 sowohl auf der Mantel- als auch auf der Stirnfläche 9 der Deckschicht 18 vorgesehen sein, was eine Kombination der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 1 und 2 bedeutet .
Zusammengenommen bietet der oben beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschriebene piezoelektrische Aktor eine einfache und sichere Kontaktierung mit hoher Dauerfestigkeit und geringer Neigung zur Rissbildung im Kontaktierungslot über die Lebensdauer des Aktors, da die Kontaktierung der gemeinsamen Elektrodenbahnen mit den spannungszuführenden Anschlussleitern aus dem piezoaktivem Bereich des Aktors herausgenommen ist .

Claims

Ansprüche
1. Piezoelektrischer Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen, mit einem Aktorkörper (10) in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials (11) und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten (12, 13)', die abwechselnd durch an der Mantelseite in Längsrichtung des Aktorkörpers (10) liegende gemeinsame Elektrodenbahnen (14, 15) kontaktiert sind und mit elektrischen Anschlussleitern (16, 17), die, um dem piezoelektrischen Aktor (10) Betriebsspannung zuzuführen, jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) elektrisch in Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (10) an wenigstens einer der Ventilseite gegenüberliegenden Stirnseite (9) eine Deckschicht (18) aus piezo-inaktivem Keramikmaterial aufweist, und dass die
Anschlussleiter (16, 17) nur im Bereich dieser Deckschicht (18) jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) elektrisch kontaktiert sind.
2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) an der Mantelseite der Deckschicht (18) mit den Anschlussleitern (16, 17) elektrisch kontaktiert sind.
3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) jeweils bis zur Stirnseite (9) der Deckschicht (18) führen und dort mit den Anschlussleitern (16, 17) in Kontakt stehen.
4. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleiter (16, 17) mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (12, 13) verlötet sind.
5. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleiter (16, 17) durch eine Klemmverbindung mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen elektrisch kontaktiert sind.
6. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschichten (12, 13) abwechselnd an zwei einander diametral gegenüberliegenden Seiten der Mantelfläche des Aktorkörpers (10) jeweils mit den gemeinsamen Elektrodenbahnen (14, 15) elektrisch kontaktiert sind und dass die Kontaktstellen der Anschlussleiter (16, 17) mit der jeweiligen Elektrodenbahn ebenfalls an diesen einander diametral gegenüberliegenden Positionen liegen.
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