WO2007036392A1 - Piezoaktor mit schutzwiderstand - Google Patents

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WO2007036392A1
WO2007036392A1 PCT/EP2006/065325 EP2006065325W WO2007036392A1 WO 2007036392 A1 WO2007036392 A1 WO 2007036392A1 EP 2006065325 W EP2006065325 W EP 2006065325W WO 2007036392 A1 WO2007036392 A1 WO 2007036392A1
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piezoelectric actuator
layer
electrode
electrodes
actuator according
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PCT/EP2006/065325
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French (fr)
Inventor
Thomas Pauer
Friedrich Boecking
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H10N30/875—Further connection or lead arrangements, e.g. flexible wiring boards, terminal pins

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric actuator, as it can be used, for example, as an adjusting device in injection systems for internal combustion engines.
  • Ceramic piezoactuators are known from the prior art, in which the piezoelectric effect is utilized for the movement of components.
  • the patent DE 199 28 177 C2 shows a piezoelectric actuator, which consists of a ceramic piezoelectric body.
  • the piezoelectric body is composed of a plurality of piezoelectric layers, between each of which a layer electrode is arranged.
  • the layer electrodes are mutually connected to a connection electrode, so that directly adjacent layer electrodes are connected to respectively different connection electrodes. If a direct electrical voltage is applied between the two connection electrodes, an electric field is created between the layer electrodes. This causes the piezo layers to change in thickness, so that overall the length of the piezoelectric actuator changes.
  • the piezoelectric actuator can be used as an actuator, eg in fuel injection systems, depending on the set voltage. Due to the plurality of layer electrodes, which have only a small distance, a very high electric field can be applied without having to use an excessively high electrical voltage. This allows to effect a large stroke of the piezoelectric actuator with a relatively low control voltage. However, the short distance of the layer electrodes from each other, which is usually in the range of 50 to 100 microns, but also represents a weak point of this piezoelectric actuator concept.
  • the layer electrodes are made of a metal, such as silver or silver palladium, and this metal has a certain diffusion mobility within the ceramic piezolayers.
  • connection electrodes are usually electrically insulated from each other, now a very high current flows through this line bridge, which means on the one hand a voltage loss and on the other hand to a strong warming in this
  • the piezoelectric actuator according to the invention has the advantage that it still works even when a short circuit occurs between two layer electrodes. This is achieved by providing protective resistors between at least one of the terminal electrodes and the respective layer electrodes. These are dimensioned so that when a line bridge between two layer electrodes is formed, the now flowing high leakage current can melt through the respective protective resistor.
  • the respective protective resistor is formed within the layer electrode, so that the connection electrodes and the other geometry of the piezoelectric actuator does not need to be changed.
  • the protective resistance is arranged within the layer electrode and is, for example, strip-shaped, wherein the strip is formed relatively close to the connection electrode or at the edge of the layer electrode towards the connection electrode.
  • the strip consists of a material which has a corresponding electrical resistance and thus forms the protective resistor. It can be one or a plurality of
  • the protective resistor can be formed by a granular, piezoactive material, wherein the grains are coated with a metal layer.
  • the electrical conduction comes through within this granular, piezoactive material
  • the size of the resistor is adjustable. If the current through this protective resistor exceeds a certain level, the metal with which the grains are coated melts and becomes flowable so that the electrical resistance is finally interrupted.
  • the metal coating of the grains is preferably made of the same material from which the layer electrodes.
  • the protective resistor within the layer electrode can also be formed by resistance bridges, so that in one strip, one or more resistance bridges are formed, which form the protective resistance. Over the width and length of these resistance bridges, the protective resistance can also be adjusted. It is also possible to form the protective resistors in that metallic resistance bridges are provided between the connection electrodes and the layer electrode, the width of which is chosen such that the electrical resistance lies in the desired range. Such an arrangement is particularly advantageous in cylindrical piezoelectric actuators, in which the connection electrodes run in the interior. Here, radially extending, bar-shaped connections to the layer electrodes can be provided, which form the protective resistor.
  • the terminal electrodes are designed as a helically wound wire, which produce a connection with the layer electrodes in the interior of the piezoelectric actuator.
  • the helically wound wire can have such a punctiform contact with the layer electrodes that a suitable protective resistance is thereby formed.
  • FIG. 1 shows a piezoactuator with a rectangular cross section, as known from the prior art
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram for a piezoactuator according to the invention, which has corresponding protective resistors,
  • FIG. 3b show two adjacent layer electrodes of a piezoelectric actuator according to the invention with a rectangular cross-section
  • FIG. 4b likewise shows two adjacent layer electrodes of a rectangular piezoelectric actuator, wherein the protective resistors are designed differently here,
  • FIG. 5 shows an enlarged view of a protective resistor, as may be provided inside the layer electrode,
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment in which the piezoactuator has a rectangular cross-section, but cylindrical connecting electrodes,
  • FIG. 7 shows a cross section through a piezoelectric actuator according to FIG. 6, FIG.
  • FIG. 8 shows a cylindrical piezoelectric actuator with internal connection electrodes
  • FIG. 9b show two layer electrodes of the cylindrical piezoactuator according to FIG. 8,
  • FIG. 10 shows, as a further exemplary embodiment, a layer electrode, as can be used in a cylindrical piezoactuator,
  • FIG. 11 shows an internal connection electrode, as can be used in a cylindrical piezoactuator
  • FIG. 12 shows a cylindrical piezoactuator with two layer electrodes shown by way of example and a helical connection electrode which is used for such a piezoactuator.
  • FIG. 13 shows the helical connection electrode with a coating
  • FIG. 14 shows a section through the connection electrode according to FIG. 13 along the lines A - A and
  • FIG. 15 shows a further cross section corresponding to the representation according to FIG. 14, in which corresponding protective resistors are provided. Description of the embodiments
  • FIG. 1 shows a piezoactuator 1, as known from the prior art and having a rectangular cross-section, wherein the edges are chamfered.
  • the piezoelectric actuator 1 has a plurality of piezoelectric layers 3, which are made of a piezoactive ceramic material. Between the piezoelectric layers 3, a metallic layer electrode 5, 6 is provided in each case, wherein the respectively adjacent layer electrodes 5, 6 are electrically isolated from each other by the piezoelectric layers 3 lying between them.
  • One half of the layer electrodes 5 is connected to a first connection electrode 8, while the respectively adjacent connection electrodes 6 are connected to a second connection electrode 9.
  • the connection electrodes 8, 9 are in this case applied to the surface of the piezoelectric actuator 1 and electrically conductively connected to the respective layer electrodes 5, 6.
  • connection electrodes 8, 9 have such great flexibility that, despite the change in length of the piezoactuator 1, an electrical connection to the respective layer electrodes 5, 6 always remains.
  • the connection electrodes 8, 9 are connected to electrical terminals 11, 12, with which an electrical voltage can be applied between the connection electrodes 8, 9.
  • connection electrodes 8, 9 produces an electric field between the layer electrodes 5, 6, which passes through the piezoelectric layers 3.
  • the thickness of the piezoelectric layers 3 and thus the entire length of the piezoelectric actuator 1 changes. This allows to move a corresponding actuator very quickly and also very precisely with the piezoactuator 1.
  • the layer electrodes 5, 6 consist of a metal, for example silver or silver palladium, wherein this metal has a certain mobility within the ceramic from which the piezo layers 3 consist.
  • Such a line bridge 14 leads to a short circuit between two adjacent layer electrodes 5, 6, so that now a correspondingly high current flows through the line bridge 14. This leads locally to a strong heating of the piezoelectric actuator 1 and thus to a melting of the metallic layer electrodes 5, 6, which ultimately leads to a destruction of the piezoelectric actuator 1.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram in which the layer electrodes 5, 6 and the connection electrodes 8, 9 are shown. Between the terminal electrode 9 and the layer electrodes 6, a protective resistor 16 is provided which is dimensioned such that it limits the current on the one hand, if between two layer electrodes 5, 6, a line bridge 14 is formed, on the other hand melted at a high current through the line bridge 14 and so interrupts the electrical contact between the defective layer electrode 6 and the connection electrode 9.
  • the interposed piezoelectric layer 3 has due to the lack of electric field no change in thickness more, but at typically 200 piezo layers 3 of the failure of individual piezo layers for the overall function of the piezoelectric actuator 1 without significant importance.
  • FIG. 3 a shows a layer electrode 6 according to the invention, in which the protective resistor 16 is formed as a strip within the layer electrode 6.
  • FIG. 3b shows the adjacent layer electrode 5, which is connected directly to the connection electrode 8 without a protective resistor. Since the protective resistor 16 is integrated here directly into the layer electrode 6, there is no change in the piezoelectric actuator 1 in terms of its geometric dimensions, so that both the terminal electrodes 8, 9 and the installation conditions need not be changed.
  • FIG. 4 a shows an alternative embodiment of the layer electrode 6 with protective resistors 16, which are formed here by resistance bridges 116. These still consist of the granular piezoactive material, with the advantage that over the width of the resistance bridges 116 there is an additional dimensioning possibility for the protective resistor.
  • FIG. 4b shows, in an alternative embodiment of the layer electrode according to FIG. 3a, a protective resistor 16, which is formed here at the edge of the layer electrode 6, is connected directly to the connection electrode 9.
  • the mode of operation of the protective resistor 16 is here identical to the protective resistor as shown in FIG.
  • the protective resistor 16, which is provided as a strip in the layer electrode 6, can be formed, for example, by granular piezoactive material, as shown in FIG. 5 in an enlargement.
  • the individual grains 18 are provided with a metal coating 20, which forms the electrically conductive path within the layer electrode 6. If there is now an excessively high current through this metal coating 20, it melts and the metal moves within the protective resistor 16 so that after a certain time it separates the layer electrode 6 from the connection electrode 9.
  • FIG. 6 shows a further piezoactuator 1, which likewise has a rectangular cross section.
  • the connection electrodes 8 ', 9' are here designed as metal tubes, which protrude into a semicircular recess in the piezoelectric actuator 1.
  • Figure 7 shows a cross section through the piezoelectric actuator according to Figure 6, wherein a layer electrode 6 is shown.
  • the connection electrode 9 ' is connected via protective resistors 16' to the layer electrode 6, which are formed by bar-shaped connections.
  • the layer electrode 6 is here separated electrically from the second connection electrode 8 ', while the above or below Layer electrode 5 is connected to the connection electrode 8 'in the known manner.
  • FIG. 8 shows a piezoactuator 1 which has a circular cross section.
  • the piezoactuator 1 two bores 17, 19 are formed, in each of which a connection electrode 82 ', 9 "is arranged, which are connected in a known manner alternately to the layer electrodes 5, 6, the protective resistor 16" being formed hereby.
  • the connection electrode 9 " is enveloped by a material with a corresponding electrical resistance, by which ultimately the electrical contact between the connection electrode 9" and the layer electrodes 5 comes about.
  • 9a shows a layer electrode 6, which is connected to the connection electrode 9 ",
  • the layer electrode 6 has two recesses 22, 23, so that no electrical connection between the connection electrode 8" and the layer electrode 6 is formed.
  • connection electrode 9 By means of the material surrounding the connection electrode 9 ", a protective resistor 16" is formed, via which the layer electrode 6 is connected to the connection electrode 9 "
  • the material which surrounds the connection electrode 9" can also be, for example, a grain of metal-coated Ceramic grains, as shown in Figure 5. It However, other materials are conceivable that have a correspondingly high resistivity.
  • connection electrode 9b shows the layer electrode 5 located above or below it, which is connected to the connection electrode 8 ", which is not connected to the connection electrode 9" by a correspondingly large-dimensioned recess 23 '.
  • FIG. 10 shows a further exemplary embodiment of a layer electrode 6, as may be provided in a round piezoelectric actuator.
  • the protective resistor 16 ' is formed here by resistance bridges, which are provided within the layer electrode 6 and via which the electrical connection to the connection electrode 9 "is formed, in which case the covering of the connection electrodes 9" is omitted.
  • the correspondingly above or below layer electrode 5 is connected to the connection electrode 8 "and insulated from the connection electrode 9".
  • connection electrode 9 ' here consists of a metallic tube 109 which is surrounded by a metal coating 25 which has radially outwardly pointing web-like protuberances form the protective resistor 16 '.
  • the connection electrode 9 'electrically insulating, preferably ceramic material 27 is provided, so that the metallic tube 109 is finally connected via the protective resistors 16' with the respective layer electrode 5, 6.
  • the circular piezoelectric actuator 1 can thus be constructed in the known manner and connected to the connection electrodes 8, 9, wherein only one of the connection electrodes must be replaced by a connection electrode 9 "according to FIG.
  • FIG. 12 shows a further exemplary embodiment of a piezoactuator 1 with a circular cross section.
  • the piezoelectric actuator 1 has two bores 17, 19, which receive the connection electrodes.
  • two layer electrodes 5, 6 are shown here, which in a known manner are alternately pulled through to the wall of the bores 17, 19 and can thus be contacted at this point.
  • a spring electrode 30 is inserted, which consists of a helically wound wire.
  • the helical spring electrode 30 is coated with a ceramic layer 32, as shown in FIG. In cross-section, as shown in FIG. 14, one can see the ceramic coating 32, which on all sides forms the helical spring. the electrode 30 surrounds.
  • the ceramic coating 32 is removed with a planar polished section 34, so that a blank position of the width D is formed, as shown in FIG.
  • the helical spring electrode 30 contacts the respective layer electrodes 5, 6 in a punctiform manner, which, when appropriately dimensioned, produces a contact resistance which serves as a protective resistor 16.
  • the protective resistors 16 should preferably be dimensioned so that they heat and melt correspondingly in the event of an excessive current, even before the current flowing in the event of a short circuit between two layer electrodes 5, 6 becomes one
  • Destruction of the piezoelectric actuator 1 leads.
  • the protective resistors 16 within the layer electrodes 5, 6 by a granular ceramic material which is metallically coated, it is also possible, for example, to dope the layer electrode 5, 6 in a region in order to obtain a corresponding electrical resistance there ,

Landscapes

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

Abstract

Piezoaktor mit einer Vielzahl von Piezolagen (3), zwischen denen jeweils eine Schichtelektrode (5; 6) angeordnet ist, wobei die Schichtelektroden (5; 6) abwechselnd mit jeweils einer Anschlusselektrode (8; 9; 8'; 9'; 8'; 9') verbunden sind. Zwischen wenigstens einer Anschlusselektrode (8; 9; 8'; 9'; 8'; 9') und den mit dieser Anschlusselektrode (8; 9; 8'; 9'; 8'; 9') verbundenen Schichtelektroden (5; 6) ist ein Schutzwiderstand (16; 16'; 16') vorgesehen.

Description

Piezoaktor mit Schutzwiderstand
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, wie er beispielsweise als Stelleinrichtung in Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen verwendbar ist.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind keramische Piezoaktoren bekannt, bei denen der piezoelektrische Effekt zur Bewegung von Bauteilen ausgenutzt wird. So zeigt beispielsweise die Patentschrift DE 199 28 177 C2 einen Piezoaktor, der aus einem keramischen Piezo- körper besteht. Der Piezokörper setzt sich zusammen aus einer Vielzahl von Piezolagen, zwischen denen jeweils eine Schichtelektrode angeordnet ist. Die Schichtelektroden sind hierbei wechselseitig mit einer Anschlusselektrode verbunden, so dass direkt benachbarte Schichtelektroden mit jeweils verschiedenen Anschlusselektroden verbunden sind. Wird eine elektrische Gleichspannung zwischen den beiden Anschlusselektroden angelegt, so entsteht zwischen den Schichtelektroden ein elektrisches Feld. Dies bewirkt, dass sich die Piezolagen in ihrer Dicke ändern, so dass sich insgesamt die Länge des Piezoaktors ändert. Dadurch kann der Piezoaktor je nach eingestellter Spannung als Stellglied, z.B. in Kraftstoffeinspritzanlagen, verwendet werden. Durch die Vielzahl von Schichtelektroden, die nur einen geringen Abstand aufweisen, kann ein sehr hohes elektrisches Feld angelegt werden, ohne dass eine übermäßig hohe elektrische Spannung verwendet werden muss. Dies erlaubt, mit einer relativ niedrigen Steuerspannung einen großen Hub des Piezoaktors zu bewirken. Der geringe Abstand der Schichtelektroden voneinander, der meist im Bereich von 50 bis 100 μm liegt, stellt jedoch auch einen Schwachpunkt dieses Piezoaktor-Konzepts dar. Die Schichtelektroden bestehen aus einem Metall, beispielsweise Silber oder Silberpalladium, und dieses Metall weist eine gewisse Diffusions-Beweglichkeit innerhalb der kerami- sehen Piezolagen auf. So kann es mit der Zeit vorkommen, dass sich zwischen zwei benachbarten Schichtelektroden durch Diffusion von metallischem Schichtelektrodenmaterial eine Leitungsbrücke entsteht und damit ein Kurzschluss zwischen den beiden Anschlusselektroden. Da die Anschlusselektroden normalerweise elektrisch gegeneinander isoliert sind, fließt jetzt ein sehr hoher Strom durch diese Leitungsbrücke, was einerseits einen Spannungsverlust bedeutet und andererseits zu einer starken Erwärmung in diesem
Bereich führt. Diese Erwärmung führt zu einer Vergrößerung der Schädigung und kann letztendlich zu einer Zerstörung des Piezoaktors führen.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Piezoaktor weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass dieser auch beim Entstehen eines Kurzschlusses zwischen zwei Schichtelektroden nach wie vor arbeitet. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen wenigstens einer der Anschlusselektroden und den jeweiligen Schichtelektroden Schutzwiderstände vorgesehen sind. Diese sind so dimensioniert, dass dann, wenn eine Leitungsbrücke zwischen zwei Schichtelektroden entsteht, der jetzt fließende hohe Leckstrom den jeweiligen Schutzwiderstand durchschmelzen lässt. Dadurch wird die elektrische Verbindung zwischen der defekten Schichtelektrode und der betroffenen Anschlusselektrode unterbrochen, so dass die entsprechende Schichtelektrode nicht mehr mit der Anschlusselektrode verbunden ist und damit auch die dazwischen liegende Piezolage nicht mehr dem elektrischen Feld ausgesetzt ist, jedoch die restlichen Schichtelektroden nach wie vor funktionieren. Da bei Pie- zoaktoren, wie sie beispielsweise in Injektoren für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen verwendet werden, einige hundert Piezolagen und damit auch Schichtelektroden vorgesehen sind, spielt dies für den Gesamthub des Piezoaktors praktisch keine Rolle, so dass dieser auch beim Ausfall einiger Schichten problemlos den Injektor steuern kann.
Durch die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der jeweilige Schutzwiderstand innerhalb der Schichtelektrode ausgebildet, so dass die Anschlusselektroden und die sonstige Geometrie des Piezoaktors nicht geändert werden muss. In vorteilhafter Wei- se ist der Schutzwiderstand innerhalb der Schichtelektrode angeordnet und beispielsweise streifenförmig ausgebildet, wobei der Streifen relativ nahe an der Anschlusselektrode o- der am Rand der Schichtelektrode zur Anschlusselektrode hin ausgebildet ist. Der Streifen besteht aus einem Material, das einen entsprechenden elektrischen Widerstand auf- weist und so den Schutzwiderstand bildet. Es kann hierbei ein oder eine Mehrzahl von
Streifen vorgesehen sein.
In vorteilhafter Weise kann der Schutzwiderstand durch eines körniges, piezoaktives Material gebildet werden, wobei die Körner mit einer Metallschicht überzogen sind. Die e- lektrische Leitung kommt innerhalb dieses körnigen, piezoaktiven Materials durch diese
Metallbeschichtung zustande, wobei über die Schichtdicke der Metallschicht die Größe des Widerstands einstellbar ist. Übersteigt der Strom durch diesen Schutzwiderstand eine bestimmte Höhe, so schmilzt das Metall, mit dem die Körner beschichtet sind, und wird fließfähig, so dass der elektrische Widerstand letztendlich unterbrochen wird. Hierbei ist die Metallbeschichtung der Körner vorzugsweise aus demselben Material, aus dem auch die Schichtelektroden bestehen.
Der Schutzwiderstand innerhalb der Schichtelektrode kann auch durch Widerstandsbrücken gebildet werden, so dass in einem Streifen eine oder mehrere Widerstandsbrücken ausgebildet sind, die den Schutzwiderstand bilden. Über die Breite und Länge dieser Widerstandsbrücken kann ebenfalls der Schutzwiderstand eingestellt werden. Es ist auch möglich, die Schutzwiderstände dadurch zu bilden, dass zwischen den Anschlusselektroden und der Schichtelektrode metallische Widerstandsbrücken vorgesehen sind, deren Breite so gewählt wird, dass der elektrische Widerstand im gewünschten Bereich liegt. Eine solche Anordnung ist vor allem bei zylindrischen Piezoaktoren von Vorteil, bei denen die Anschlusselektroden im Inneren verlaufen. Hier können radial verlaufende, steg- förmige Verbindungen zu den Schichtelektroden vorgesehen sein, die den Schutzwiderstand bilden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Anschlusselektroden als wendeiförmig gewundener Draht ausgeführt, welcher im Inneren des Piezoaktors eine Verbindung mit den Schichtelektroden herstellen. Hierbei kann der wendeiförmig gewundene Draht einen solchen punktförmigen Kontakt zu den Schichtelektroden aufweisen, dass dadurch ein geeigneter Schutzwiderstand gebildet wird. - A -
Zeichnung
In der Zeichnung sind verschiedene Ausfuhrungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezo- aktors dargestellt. Es zeigt
Figur 1 einen Piezoaktor mit rechteckformigem Querschnitt, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist,
Figur 2 ein Ersatzschaltbild für einen erfindungsgemäßen Piezoaktor, der entsprechende Schutzwiderstände aufweist,
Figur 3a und
Figur 3b zeigen zwei benachbarte Schichtelektroden eines erfindungsgemäßen Piezoak- tors mit rechteckformigem Querschnitt,
Figur 4a und
Figur 4b zeigen ebenfalls zwei benachbarte Schichtelektroden eines rechteckförmigen Piezoaktors, wobei die Schutzwiderstände hier verschieden ausgebildet sind,
Figur 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Schutzwiderstands, wie er innerhalb der Schichtelektrode vorgesehen sein kann,
Figur 6 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel, bei dem der Piezoaktor einen rechteckförmigen Querschnitt, jedoch zylindrischen Anschlusselektroden aufweist,
Figur 7 einen Querschnitt durch einen Piezoaktor nach Figur 6,
Figur 8 einen zylindrischen Piezoaktor mit innen liegenden Anschlusselektroden,
Figur 9a und
Figur 9b zeigen zwei Schichtelektroden des zylindrischen Piezoaktors nach Figur 8,
Figur 10 zeigt als weiteres Ausfuhrungsbeispiel eine Schichtelektrode, wie sie in einem zylindrischen Piezoaktor verwendet werden kann,
Figur 11 eine innen liegende Anschlusselektrode, wie sie in einem zylindrischen Piezoaktor verwendet werden kann,
Figur 12 einen zylindrischen Piezoaktor mit zwei exemplarisch dargestellten Schichtelektroden und eine wendeiförmige Anschlusselektrode, die für einen solchen Piezoaktor Verwendung findet,
Figur 13 die wendeiförmige Anschlusselektrode mit einer Beschichtung,
Figur 14 einen Schnitt durch die Anschlusselektrode nach Figur 13 entlang der Linie A- A und
Figur 15 einen weiteren Querschnitt entsprechend der Darstellung nach Figur 14, bei der entsprechende Schutzwiderstände vorgesehen sind. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt einen Piezoaktor 1, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist und der einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Kanten angeschrägt sind. Der Piezoaktor 1 weist eine Vielzahl von Piezolagen 3 auf, die aus einem piezoaktiven keramischen Material gefertigt sind. Zwischen den Piezolagen 3 ist jeweils eine metallische Schichtelektrode 5, 6 vorgesehen, wobei die jeweils benachbarten Schichtelektroden 5, 6 gegeneinander durch die dazwischen liegende Piezolagen 3 elektrisch isoliert sind. Eine Hälfte der Schichtelektroden 5 ist mit einer ersten Anschlusselektrode 8 verbunden, wäh- rend die jeweils benachbarten Anschlusselektroden 6 mit einer zweiten Anschlusselektrode 9 verbunden sind. Die Anschlusselektroden 8, 9 sind hierbei auf die Oberfläche des Piezoaktors 1 aufgebracht und elektrisch leitend mit den jeweiligen Schichtelektroden 5, 6 verbunden. Die Anschlusselektroden 8, 9 weisen eine so große Flexibilität auf, dass trotz der Längenänderung des Piezoaktors 1 stets eine elektrische Verbindung zu den je- weiligen Schichtelektroden 5, 6 verbleibt. Die Anschlusselektroden 8, 9 sind mit elektrischen Anschlüssen 11, 12 verbunden, mit denen zwischen den Anschlusselektroden 8, 9 eine elektrische Spannung angelegt werden kann.
Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Anschlusselektroden 8, 9 entsteht ein elektrisches Feld zwischen den Schichtelektroden 5, 6, das die Piezolagen 3 durchsetzt. Je nach Höhe der elektrischen Spannung und damit des elektrischen Feldes, ändert sich die Dicke der Piezolagen 3 und damit die gesamte Länge des Piezoaktors 1. Dies erlaubt, mit dem Piezoaktor 1 sehr schnell und auch sehr präzise ein entsprechendes Stellglied zu bewegen.
Die Schichtelektroden 5, 6 bestehen aus einem Metall, z.B. Silber oder Silberpalladium, wobei dieses Metall eine gewisse Beweglichkeit innerhalb der Keramik aufweist, aus denen die Piezolagen 3 bestehen. Insbesondere bei längerem Betrieb des Piezoaktors 1 kann dies dazu führen, dass sich Metall aus den Schichtelektroden 5, 6 löst und eine Leitungs- brücke 14 zwischen zwei benachbarten Schichtelektroden 5, 6 bildet. Eine solche Leitungsbrücke 14 führt zu einem Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Schichtelektroden 5, 6, so dass jetzt ein entsprechend hoher Strom durch die Leitungsbrücke 14 fließt. Dies führt lokal zu einer starken Erwärmung des Piezoaktors 1 und damit zu einem Aufschmelzen der metallischen Schichtelektroden 5, 6, was letztendlich zu einer Zerstörung des Piezoaktors 1 führt. Um diese Zerstörung des Piezoaktors 1 abzuwenden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, Schutzwiderstände 16 zwischen der Anschlusselektrode 5, 6 und der Piezolage 3 anzuordnen, die als Schmelzsicherung dienen. Figur 2 zeigt hierzu ein Ersatzschaltbild, bei dem die Schichtelektroden 5, 6 und die Anschlusselektroden 8, 9 gezeigt sind. Zwischen der Anschlusselektrode 9 und den Schichtelektroden 6 ist jeweils ein Schutzwiderstand 16 vorgesehen, der so dimensioniert ist, dass er einerseits den Strom begrenzt, wenn zwischen zwei Schichtelektroden 5, 6 eine Leitungsbrücke 14 entsteht, andererseits bei anhaltend hohem Strom durch die Leitungsbrücke 14 durchschmilzt und so den elektrischen Kontakt zwischen der defekten Schichtelektrode 6 und der Anschlusselektrode 9 unterbricht. Dadurch wird auch die elektrische Verbindung zwischen der Leitungsbrücke 14 und der Anschlusselektrode 9 unterbrochen, so dass die defekten Schichtelektroden 5, 6 nicht mehr mit der Spannungsversorgung verbunden sind. Die dazwischen liegende Piezolage 3 weist aufgrund des fehlenden elektrischen Feldes keine Dickenänderung mehr auf, jedoch ist bei typischerweise 200 Piezolagen 3 der Ausfall einzelner Piezolagen für die Gesamtfunktion des Piezoaktors 1 ohne nennenswerte Bedeutung.
Figur 3a zeigt eine erfindungsgemäße Schichtelektrode 6, in der der Schutzwiderstand 16 als Streifen innerhalb der Schichtelektrode 6 ausgebildet ist. Figur 3b zeigt die benach- barte Schichtelektrode 5, die direkt ohne einen Schutzwiderstand mit der Anschlusselektrode 8 verbunden ist. Da der Schutzwiderstand 16 hier direkt in die Schichtelektrode 6 integriert ist, ergibt sich keine Änderung des Piezoaktors 1 hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen, so dass sowohl die Anschlusselektroden 8, 9 als auch die Einbauverhältnisse nicht geändert werden müssen.
Figur 4a zeigt eine alternative Ausgestaltung der Schichtelektrode 6 mit Schutzwiderständen 16, die hier durch Widerstandsbrücken 116 gebildet werden. Diese bestehen nach wie vor aus dem körnigen piezoaktiven Material, wobei hier der Vorteil besteht, dass ü- ber die Breite der Widerstandsbrücken 116 eine zusätzliche Dimensionierungsmöglich- keit für dem Schutzwiderstand besteht. Figur 4b zeigt in einer alternativen Ausgestaltung der Schichtelektrode nach Figur 3a einen Schutzwiderstand 16, der hier am Rand der Schichtelektrode 6 ausgebildet ist, direkt mit der Anschlusselektrode 9 verbunden ist. Die Wirkungsweise des Schutzwiderstandes 16 ist hier jedoch identisch zu dem Schutzwiderstand, wie er in Figur 3 gezeigt ist. Der Schutzwiderstand 16, der als Streifen in der Schichtelektrode 6 vorgesehen ist, kann beispielsweise durch körniges piezoaktives Material gebildet werden, wie es Figur 5 in einer Vergrößerung zeigt. Die einzelnen Körner 18 sind mit einer Metallbeschichtung 20 versehen, die den elektrisch leitenden Pfad innerhalb der Schichtelektrode 6 bildet. Kommt es jetzt zu einem übermäßig hohen Strom durch diese Metallbeschichtung 20, so schmilzt dieser auf und das Metall bewegt sich innerhalb des Schutzwiderstandes 16 so, dass dieser nach einer gewissen Zeit die Schichtelektrode 6 von der Anschlusselektrode 9 trennt.
Figur 6 zeigt einen weiteren Piezoaktor 1, der ebenfalls einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Die Anschlusselektroden 8', 9' sind hier als Metallröhrchen ausgebildet, die in eine halbkreisförmige Ausnehmung in den Piezoaktor 1 hineinragen. Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch den Piezoaktor nach Figur 6, wobei eine Schichtelektrode 6 dargestellt ist. Die Anschlusselektrode 9' ist über Schutzwiderstände 16' mit der Schicht- elektrode 6 verbunden, die durch stegförmige Verbindungen gebildet werden. Je nach
Anzahl und Breite der die Schutzwiderstände 16' bildenden stegförmigen Verbindungen ergibt sich ein mehr oder weniger großer Schutzwiderstand zwischen der Anschlusselektrode 9' und der Schichtelektrode 6. Die Schichtelektrode 6 ist hier von der zweiten Anschlusselektrode 8' elektrisch getrennt, während die darüber bzw. darunter liegende Schichtelektrode 5 mit der Anschlusselektrode 8' in der bekannten Weise verbunden ist.
Figur 8 zeigt einen Piezoaktor 1, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Im Piezoaktor 1 sind zwei Bohrungen 17, 19 ausgebildet, in denen jeweils eine Anschlusselektrode 82', 9" angeordnet ist. Diese sind in bekannter Weise abwechselnd mit den Schicht- elektroden 5, 6 verbunden, wobei der Schutzwiderstand 16" hier dadurch gebildet ist, dass die Anschlusselektrode 9" von einem Material mit einem entsprechenden elektrischen Widerstand umhüllt ist, durch das letztendlich der elektrische Kontakt zwischen der Anschlusselektrode 9" und den Schichtelektroden 5 zustande kommt. Figur 9a zeigt hierzu eine Schichtelektrode 6, die mit der Anschlusselektrode 9" verbunden ist. Die Schichtelektrode 6 weist zwei Ausnehmungen 22, 23 auf, so dass keine elektrische Verbindung zwischen der Anschlusselektrode 8" und der Schichtelektrode 6 entsteht. Durch das Material, das die Anschlusselektrode 9" umgibt, wird ein Schutzwiderstand 16" gebildet, über den die Schichtelektrode 6 mit der Anschlusselektrode 9" verbunden ist. Das Material, das die Anschlusselektrode 9" umgibt, kann beispielsweise ebenfalls eine Kör- nung aus metallbeschichteten Keramikkörnern sein, wie sie in Figur 5 dargestellt ist. Es sind jedoch auch andere Materialien denkbar, die einen entsprechend hohen spezifischen Widerstand aufweisen.
Figur 9b zeigt die darüber bzw. darunter liegende Schichtelektrode 5, die mit der An- schlusselektrode 8" verbunden ist. Durch eine entsprechend groß dimensionierte Ausnehmung 23' ist diese nicht mit der Anschlusselektrode 9" verbunden.
Figur 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schichtelektrode 6, wie sie in einem runden Piezoaktor vorgesehen sein kann. Der Schutzwiderstand 16' wird hier durch Widerstandsbrücken gebildet, die innerhalb der Schichtelektrode 6 vorgesehen sind und über die die elektrische Verbindung zur Anschlusselektrode 9" gebildet ist. In diesem Fall entfällt die Umhüllung der Anschlusselektroden 9". Die entsprechend darüber oder darunter liegende Schichtelektrode 5 ist mit der Anschlusselektrode 8" verbunden und gegen die Anschlusselektrode 9" isoliert.
Figur 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Schutzwiderstand in die Anschlusselektroden 9" integriert ist. Die Anschlusselektrode 9" besteht hier aus einem metallischen Rohr 109, das von einer Metallbeschichtung 25 umgeben ist, welche radial nach außen weisende, stegartige Ausstülpungen aufweist, die den Schutzwiderstand 16' bilden. Zwischen den Schutzwiderständen 16' ist elektrisch isolierendes, vorzugsweise keramisches Material 27 vorgesehen, so dass das metallische Rohr 109 letztendlich über die Schutzwiderständen 16' mit der jeweiligen Schichtelektrode 5, 6 verbunden ist. Der kreisrunde Piezoaktor 1 kann hierbei also in der bekannten Art und Weise aufgebaut und mit den Anschlusselektroden 8, 9 verbunden werden, wobei lediglich eine der Anschluss- elektroden durch eine Anschlusselektrode 9" nach Figur 11 ersetzt werden muss.
Figur 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 1 mit kreisrundem Querschnitt. Der Piezoaktor 1 weist zwei Bohrungen 17, 19 auf, die die Anschlusselektroden aufnehmen. Exemplarisch sind hier zwei Schichtelektroden 5, 6 dargestellt, die in bekannter Weise abwechselnd bis zur Wand der Bohrungen 17, 19 durchgezogen und so an dieser Stelle kontaktierbar sind. In die Bohrungen 17, 19 wird eine Federelektrode 30 eingebracht, die aus einem wendeiförmig aufgewickelten Draht besteht. Um die Übergangswiderstände 16 zu bilden, wird die wendeiförmige Federelektrode 30 mit einer Keramikschicht 32 überzogen, wie in Figur 13 dargestellt. Im Querschnitt, wie er in Figur 14 dargestellt ist, sieht man den Keramiküberzug 32, der allseitig die wendeiförmige Fe- derelektrode 30 umgibt. Um einen entsprechenden Übergangswiderstand, der als Schutzwiderstand 16 dient, zu bilden, wird der Keramiküberzug 32 mit einem flächenhaften Anschliff 34 abgetragen, so dass eine blanke Stelle der Breite D entsteht, wie in Figur 15 dargestellt. Dadurch berührt die wendeiförmige Federelektrode 30 die jeweiligen Schicht- elektroden 5, 6 punktförmig, was bei entsprechender Dimensionierung einen Übergangswiderstand produziert, der als Schutzwiderstand 16 dient.
Die Schutzwiderstände 16 sollten vorzugsweise so dimensioniert sein, dass sie sich bei einem überhöhten Strom entsprechend erhitzen und Durchschmelzen, noch ehe der Strom, der bei einem Kurzschluss zwischen zwei Schichtelektroden 5, 6 fließt, zu einer
Zerstörung des Piezoaktors 1 führt. Neben der Ausführung der Schutzwiderstände 16 innerhalb der Schichtelektroden 5, 6 durch eine gekörnte Keramikmasse, die metallisch ü- berzogen ist, ist es beispielsweise auch möglich, die Schichtelektrode 5, 6 entsprechend in einem Bereich zu dotieren, um dort einen entsprechenden elektrischen Widerstand zu erhalten.

Claims

Ansprüche
1. Piezoaktor mit einer Vielzahl von Piezolagen (3), zwischen denen jeweils eine Schichtelektrode (5; 6) angeordnet ist, wobei die Schichtelektroden (5; 6) abwechselnd mit jeweils einer Anschlusselektrode (8; 9; 8'; 9'; 8"; 9") verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einer Anschlusselektrode (8; 9; 8'; 9'; 8"; 9") und den mit dieser Anschlusselektrode (8; 9; 8'; 9'; 8"; 9") verbundenen Schichtelektroden (5; 6) Schutzwiderstände (16; 16'; 16") vorgesehen sind.
2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtelektroden (5;
6) durch eine Metallschicht zwischen jeweils zwei Piezolagen (3) gebildet wird.
3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzwiderstand (16; 16'; 16") innerhalb der Schichtelektrode (3) angeordnet ist.
4. Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzwiderstand (16; 16'; 16") wenigstens einen Streifen innerhalb der Schichtelektrode (3) bildet.
5. Piezoaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzwiderstand (16; 16'; 16") durch körniges, piezoaktives Material gebildet wird, wobei die Körner mit einer Metallbeschichtung überzogen sind.
6. Piezoaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeschichtung der Körner aus demselben Material besteht wie die metallischen Schichtelektroden
(3).
7. Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzwiderstand (16; 16'; 16") durch ein oder mehrere Widerstandsbrücken (16') gebildet wird.
8. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Anschlusselektroden (8'; 9'; 8"; 9") stabförmig ausgebildet sind.
9. Piezoaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anschlusselektrode (8'; 9'; 8"; 9") durch im wesentlichen radial verlaufende, stegför- mige Verbindungen mit den zugeordneten Schichtelektroden (5; 6) verbunden ist, wobei die stegförmigen Verbindungen die Schutzwiderstände (16; 16'; 16") bilden.
10. Piezoaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anschlusselektrode (8'; 9'; 8"; 9") im Inneren des Piezoaktors (1) verläuft.
11. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) we- nigstens eine Federelektrode (30) als Anschlusselektrode aufweist, die als wendeiförmig gewundener Draht ausgeführt ist und im Inneren des Piezoaktors (1) in einer Aufnahmebohrung (17; 19) angeordnet sind.
12. Piezoaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzwiderstände (16) durch den punktförmigen Kontakt zwischen der Federelektrode (30) und den Schichtelektroden (5; 6) gebildet wird.
13. Piezoaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzwiderstände (16; 16'; 16") bei Überschreiten eines höchstzulässigen Stroms soweit erwärmt werden, dass sie durchschmelzen und dadurch den Strom- fluss unterbrechen.
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