WO2005124884A1 - Piezoaktor mit flexibler, flächenhafter aussenelektrode zur kontaktierung eines anschlusskontaktes - Google Patents

Piezoaktor mit flexibler, flächenhafter aussenelektrode zur kontaktierung eines anschlusskontaktes Download PDF

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    • H10N30/875—Further connection or lead arrangements, e.g. flexible wiring boards, terminal pins

Definitions

  • the invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.
  • a piezo element can be constructed from a material with a suitable crystal structure using the so-called piezo effect.
  • This piezo actuator can be constructed here in several layers (multilayer actuators), the internal electrodes via which the electrical voltage is applied being arranged between the layers in the form of a so-called interdigital internal electrode design.
  • Piezo actuators of this type can be provided, for example, for driving switching valves in fuel injection systems in motor vehicles.
  • a piezo actuator is known from DE 100 26 005 AI, in which the respective outer electrodes, which provide the inner electrodes with the required voltage potentials.
  • len supply built up like a net or tissue distributed on each side surface and are contacted at least point by point with the respective internal electrodes.
  • the mesh-like or fabric-like outer electrodes are extended in such a way via the multilayer structure of the piezo layers that the electrical voltage is supplied to the extensions via corresponding connections.
  • the piezo actuator described at the outset with a multilayer structure of piezo layers and internal electrodes arranged between them has planar external electrodes which are in contact with the respective internal electrodes.
  • the contacting of the inner electrodes in the corner or side area of the piezo actuator is advantageously carried out in such a way that a side strip of the respective areal outer electrode extending over the length of the piezo actuator to be contacted is contacted with the piezo actuator and the respective inner electrodes and another side strip
  • the flat outer electrode is provided with a connection contact for the external power supply. There is a flexible area between the two side strips.
  • external electrodes in such a way that they are particularly suitable for piezo actuators which have only a narrow strip on the surface for contacting. This is particularly important for so-called corner contacting, where only a small area is available for contacting due to the special internal electrode design.
  • This kind of in- Internal electrode designs are often chosen in order to be able to utilize as large an active area as possible, although here too there is a relatively small passive area which tends to crack during operation.
  • a special flat outer electrode is particularly advantageous here, which ensures the current supply to the inner electrodes even when cracks form.
  • the contacting of the inner electrodes enables an electrode structure which is only connected to the inner electrode on a narrow strip, but fully takes over the functions of the outer electrode, namely in particular the contacting of the component to the outside, the current supply to the inner electrodes and if cracks form in the Ceramic of the piezo actuator bridging across the cracks or a tolerance to cracks.
  • an electrically conductive foil e.g. a sputtered Kapton film, a Teflon film or similar can be used.
  • a rubber film interspersed with metal flakes or a plastic film coated on one or both sides with a conductive adhesive can also be used here.
  • a planar outer electrode made of a mesh, fabric or sieve-like material, for example a metallic Invar sieve, can also be advantageously used here.
  • the planar outer electrode can be soldered or welded to the respective connection contact and the inner electrodes in a manner known per se.
  • the flat outer electrode with its flexible area around the corner led around the piezo actuator can also be located on the side face of the piezo actuator, preferably here also in the vicinity of the corner area.
  • the flat outer electrode can easily be provided with a metallic contact pin.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a piezo actuator with a multilayer structure of layers made of piezoceramic and a flat outer electrode
  • FIG. 2 shows a plan view of the end face of the piezo actuator with connections for the outer electrodes for supplying the electrical voltage
  • FIG. 3 shows a variant of the flat surface Outer electrode as sieve outer electrode and Figures 4 and 5 embodiments of the geometric arrangement of the flat outer electrode.
  • FIG. 1 shows a piezo actuator 1, which is constructed in a manner known per se from piezo foils of a ceramic material with a suitable crystal structure, so that, using the so-called piezo effect when an external electrical voltage is applied to internal electrodes, Roden 2 and 3 between the layers of piezo film via appropriate electrical connections, a mechanical reaction of the piezo actuator 1 takes place in a manner known per se from the prior art.
  • FIG. 1 shows sections of mutual contacts, here the inner electrodes 3 on a side strip 4, in the corner region of the piezo actuator 1 with a planar outer electrode 5, which is guided away from the piezo actuator 1 with a flexible region 6 and via a connection pin 7 as a connection contact with a electrical voltage can be supplied.
  • an electrically conductive, flexible film can be used as the material for the outer electrodes 5 and 8, in particular for designing the flexible region 6 between the contacted side strip 4 and the connecting pin 7.
  • a sputtered Kapton film a rubber film interspersed with metal flakes, the degree of filling should be so high that the required conductivity is guaranteed, or a plastic film coated on one or both sides with conductive adhesive.
  • the outer electrodes 5 and 8 according to FIG. 1 can also be glued to the piezo actuator 1 if they cannot be soldered. The contact is made on the narrow side strip 4 and the conductive film in any case protrudes beyond the piezo actuator 1.
  • FIG. 1 A plan view of the end face of the piezo actuator 1 with the inner electrode 2 can be seen from FIG. Contact is here with the external electrode 8 and for the underlying inner electrode 3 with the outer electrode 5 schematically indicated.
  • a metallic mesh screen 10 and 11 is provided as a further exemplary embodiment for a planar outer electrode.
  • an Invar sieve is preferably proposed here.
  • FIG. 4 and 5 show exemplary embodiments which in the case of FIG. 4 outer electrodes 5 and 8 guided around the corner area on the outside (cf. FIG. 1) and in the case of FIG. 5 on the respective side of the piezo actuator 1 inwardly corrugated outer electrodes 5 and 8 show.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung ei­nes mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, mit einem Mehr­schichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden (2,3), wobei Außenelektroden (5, 8; 10, 11) flächenhaft aufgebracht sind und mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind. Die Kontaktierung der Innenelektroden im Eckbereich des Piezoaktors (1) ist derart vorgenommen ist, dass ein sich über die zu kontaktierende Länge des Piezoaktors erstreckender Seitenstreifen (4) der jeweiligen flächenhaften Außen­elektrode mit dem Piezoaktor und den je­weiligen Innenelektroden kontaktiert ist und ein anderer Seitenstreifen der flächenhaften Außenelektrode mit einem Anschlusskontakt (7, 9) für die äu­ßere Spannungszuführung versehen ist. Zwischen den beiden Seitenstreifen ist ein flexibler Bereich (6) vorhan­den.

Description

PIEZOAKTOR MIT FLEXIBLER, FLACHENHAFTER AUSSENELEKTRODE ZUR KONTAKTIERUNG EINES ANSCHLUSSKONTAKTES
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs . Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement 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 dieses Piezoaktors kann hier in mehreren Schichten erfolgen (Multilayer-Aktoren) , wobei die Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten in Form eines sogenannten interdigitalen Innenelektrodendesigns angeordnet werden. Solche Piezoaktoren können beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Aus der DE 100 26 005 AI ist ein solcher Piezoaktor bekannt, bei dem die jeweiligen Außenelektroden, die die Innenelektroden mit den erforderlichen Spannungspotentia- len versorgen, netz- oder gewebeartig auf jeweils einer Seitenfläche verteilt aufgebaut und zumindest punktweise mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind. Die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden sind dabei derart über den Mehrschichtaufbau der Piezolagen verlängert, dass an den Verlängerungen die Zuführung der elektrischen Spannung über entsprechende Anschlüsse erfolgt.
Vorteile der Erfindung
Der eingangs beschriebene Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden weist flächenhafte Außenelektroden auf, die mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind. Erfindungsgemäß ist in vorteilhafter Weise die Kontaktie- rung der Innenelektroden im Eck- oder Seitenbereich des Piezoaktors derart vorgenommen, dass ein sich über die zu kontaktierende Länge des Piezoaktors erstreckender Seitenstreifen der jeweiligen flächenhaften Außenelektrode mit dem Piezoaktor und den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert ist und ein anderer Seitenstreifen der flächenhaften Außenelektrode ist mit einem Anschlusskontakt für die äußere SpannungsZuführung versehen. Zwischen den beiden Seitenstreifen ist ein flexibler Bereich vorhanden.
Mit der Erfindung ist es in vorteilhafter Weise möglich, Außenelektroden so zu gestalten, dass sie speziell für Piezoaktoren geeignet sind, die nur einen schmalen Streifen auf der Oberfläche für die Kontaktierung zur Verfügung haben. Dies kommt insbesondere bei einer sogenannten Übereckkontaktierung zum Tragen, wo aufgrund des speziellen Innenelektrodendesigns außen nur ein kleiner Bereich zur Kontaktierung zur Verfügung steht. Diese Art des In- nenelektrodendesigns wird häufig gewählt, um eine möglichst große aktive Fläche ausnützen zu können, wobei a- ber auch hier ein relativ kleiner passiver Bereich existiert, der im Betrieb zu Rissen neigt. Hier ist eine spezielle flächenhafte Außenelektrode besonders vorteilhaft, welche auch bei Rissbildung die Stromzuführung zu den Innenelektroden sicherstellt.
Die erfindungsgemäße Kontaktierung der Innenelektroden ermöglicht zusammenfassend also eine Elektrodenstruktur, die nur auf einem schmalen Streifen an die Innenelektrode angebunden ist, aber voll die Funktionen der Außenelektrode übernimmt, nämlich insbesondere die Kontaktierung des Bauteils nach außen, die Stromzuführung zu den Innenelektroden und bei Rissbildung in der Keramik des Piezoaktors eine Brückenbildung über die Risse hinweg bzw. eine Toleranz gegenüber Rissen.
Als Ausführungsformen für die flächenhaften Außenelektrode kann beispielsweise eine elektrisch leitende Folie, z.B. eine besputterte Kaptonfolie, eine Teflonfolie oder vergleichbares verwendet werden. Auch kommt hier eine mit Metallflakes durchsetzte Gummifolie oder eine mit einem Leitkleber ein- oder beidseitig beschichtete Plastikfolie in Betracht .
Vorteilhaft anwendbar ist hier auch eine flächenhafte Außenelektrode aus einem netz-, gewebe- oder siebartigen Material, zum Beispiel ein metallisches Invar-Sieb. In jedem Fall kann die flächenhafte Außenelektrode in an sich bekannter Weise mit dem jeweiligen Anschlusskontakt und den Innenelektroden verlötet oder verschweißt werden.
Bei einem bevorzugten Anwendungsfall ist die flächenhafte Außenelektrode mit ihrem flexiblen Bereich um den Eckbe- reich des Piezoaktors herumgeführt. Andererseits kann die flächenhafte Außenelektrode mit ihrem flexiblen Bereich sich auch an der Seitenfläche des Piezoaktors, bevorzugt auch hier in der Nähe des Eckbereichs, befinden. Als Anschlusskontakt für die äußere SpannungsZuführung kann die flächenhaften Außenelektrode auf einfache Weise mit einem metallischen Kontaktpin versehen werden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Ansicht eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokera- mik und einer flächenhaften Außenelektrode, Figur 2 eine Draufsicht auf die Stirnfläche des Piezoaktors mit Anschlüssen für die Außenelektroden zur Zuführung der elektrischen Spannung, Figur 3 eine Variante der flächenhaften Außenelektrode als Sieb-Außenelektrode und Figuren 4 und 5 Ausführungsbeispiele der geometrischen Anordnung der flächenhaften Außenelektrode.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein 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 Innenelekt- roden 2 und 3 zwischen den Lagen aus Piezofolie über entsprechende elektrische Anschlüsse eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in an sich aus dem Stand der Technik bekannter Weise erfolgt.
In der Figur 1 sind ausschnittsweise wechselseitige Kontaktierungen, hier der Innenelektroden 3 an einem Seitenstreifen 4, im Eckbereich des Piezoaktors 1 mit einer flächenhaften Außenelektrode 5 gezeigt, die mit einem flexiblen Bereich 6 vom Piezoaktors 1 weggeführt ist und über einen Anschlusspin 7 als Anschlusskontakt mit einer elektrischen Spannung versorgt werden kann. Eine Außenelektrode 8, die zur Kontaktierung der Innenelektroden 2 geeignet ist und über einen Anschlusspin 9 als Anschlusskontakt mit der anderen Polarität der elektrischen Spannung versorgt werden kann, ist teilweise ebenfalls aus der Figur 1 ersichtlich.
Als Material für die Außenelektroden 5 und 8, insbesondere zur Gestaltung des flexiblen Bereichs 6 zwischen dem kontaktierten Seitenstreifen 4 und dem Anschlusspin 7 kann zum Beispiel eine elektrisch leitende, flexible Folie verwendet werden. Je nach geforderter mechanischer Dehnung kommen mehrere Möglichkeiten in Frage, zum Beispiel eine besputterte Kaptonfolie, eine mit Metallflakes durchsetzte Gummifolie, wobei der Füllgrad so hoch sein sollte, dass die geforderte Leitfähigkeit garantiert ist, oder eine mit Leitkleber ein- oder beidseitig beschichtete Plastikfolie. Die Außenelektroden 5 und 8 nach der Figur 1 können auch, sofern sie nicht lötbar sind, an den Piezoaktor 1 angeklebt werden. Die Kontaktierung erfolgt auf dem schmalen Seitenstreifen 4 und die leitende Folie ragt in jedem Fall über den Piezoaktor 1 heraus.
Aus Figur 2 ist eine Draufsicht auf die Stirnfläche des Piezoaktors 1 beispielhaft mit der Innenelektrode 2 zu entnehmen. Eine Kontaktierung ist hier mit der Außen- elektrode 8 und für die darunter liegenden Innenelektrode 3 mit der Außenelektrode 5 schematisch angedeutet.
In Figur 3 ist als weiteres Ausführungsbeispiel für eine flächenhafte Außenelektrode ein metallisches Siebgeflecht 10 und 11 vorgesehen. Um die Anpassung der Wärmedehnung an die Keramik des Piezoaktors 1 möglichst optimal zu erreichen, wird hier vorzugsweise ein Invar-Sieb vorgeschlagen.
Aus Figur 4 und Figur 5 sind Ausführungsbeispiele zu entnehmen, die im Fall der Figur 4 um den Eckbereich außen herumgeführte Außenelektroden 5 und 8 (vgl. Figur 1) und im Fall der Figur 5 an der jeweiligen Seite des Piezoaktors 1 nach innen gewellte Außenelektroden 5 und 8 zeigen.

Claims

Patentansprüche
1) Piezoaktor, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden (2,3), einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden (2,3) über Außenelektroden (5, 8; 10, 11) , über die eine elektrische Spannung zuführbar ist, wobei die jeweilige Außenelektrode (5, 8; 10, 11) flächenhaft aufgebracht ist und zumindest punktweise mit den jeweiligen Innenelektroden (2,3) kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet:, dass die Kontaktierung der Innenelektroden (2,3) im Eckoder Seitenbereich des Piezoaktors (1) derart vorgenommen ist, dass ein sich über die zu kontaktierende Länge des Piezoaktors (1) erstreckender Seitenstreifen (4) der jeweiligen flächenhaften Außenelektrode (5, 8; 10, 11) mit den jeweiligen Innenelektroden (2,3) kontaktiert ist und ein anderer Seitenstreifen der flächenhaften Außenelektrode (5,8/10,11) mit einem Anschlusskontakt (7,9) für die äußere SpannungsZuführung versehen ist und dass zwischen den beiden Seitenstreifen (4) ein flexibler Bereich (6) vorhanden ist. 2) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächenhaften Außenelektrode (5,8) eine elektrisch leitende Folie ist.
3) Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Folie eine besputterte Kaptonfolie oder eine Teflonfolie ist.
4) Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Folie eine mit Metallflakes durchsetzte Gummifolie ist.
5) Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Folie eine mit einem Leitkleber ein- oder beidseitig beschichtete Plastikfolie ist.
6) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächenhaften Außenelektrode (10,11) aus einem netz-, gewebe- oder siebartigen Material ist.
7) Piezoaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das netz-, gewebe- oder siebartigen Material ein metallisches Invar-Sieb ist.
8) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächenhaften Außenelektrode (5, 8; 10, 11) mit ihrem flexiblen Bereich (6) um den Eckbereich des Piezoaktors (1) herumgeführt ist.
9) Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flächenhaften Außenelektrode (5, 8; 10, 11) mit ihrem flexiblen Bereich (6) sich an der Seitenflächen des Piezoaktors (1) an der die Kontaktierung zu den Innenelektroden (2,3) liegt befindet.
10) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächenhaften Außenelektroden (5,8/10,11) mit einem metallischen Kontaktpin als Anschlusskontakt (7,9) für die äußere SpannungsZuführung versehen ist.
11) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächenhaften Außenelektroden (5,8/10,11), die Anschlusskontakte (7,9) und die Innenelektroden (2,3) zur Kontaktierung verlötet oder verschweißt sind.
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