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WO2005015651A1 - Piezoaktor - Google Patents

Piezoaktor Download PDF

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WO2005015651A1
WO2005015651A1 PCT/DE2004/001444 DE2004001444W WO2005015651A1 WO 2005015651 A1 WO2005015651 A1 WO 2005015651A1 DE 2004001444 W DE2004001444 W DE 2004001444W WO 2005015651 A1 WO2005015651 A1 WO 2005015651A1
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WO
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piezo actuator
contact elements
actuator according
piezo
internal electrodes
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Ceased
Application number
PCT/DE2004/001444
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Hedrich
Friedrich Boecking
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2005015651A1 publication Critical patent/WO2005015651A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/874—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices embedded within piezoelectric or electrostrictive material, e.g. via connections
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/503—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure having a non-rectangular cross-section in a plane orthogonal to the stacking direction, e.g. polygonal or circular in top view
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings

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 for controlling the needle stroke of a valve or the like can be constructed from a material with a suitable crystal structure.
  • the piezoelectric element reacts mechanically, which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a pressure or tension in a predeterminable direction.
  • such a piezo actuator is constructed in several layers as a so-called multi-layer actuator, with internal electrodes via which the electrical voltage is applied being arranged between the layers in the effective direction and being contacted by means of contact surfaces which are on the outside , These are usually made up of a base metallization layer and elements for bridging the delamination cracks which cannot usually be avoided.
  • metal mesh and conductive polymers can be used here. Elaborate grinding processes are usually necessary to manufacture such piezo actuators.
  • the piezo actuator described at the outset which can be used, for example, to actuate a mechanical component, has a multilayer structure of piezo layers with internal electrodes arranged in the effective direction, which can alternately be charged with a positive and a negative electrical charge. Furthermore, mutual contacting of the inner electrodes due to a different electrode design of the inner electrodes can be carried out to the outside. According to the invention, the mutual contacting of the internal electrodes with contact elements advantageously takes place. elements in such a way that they make contact with the respective internal electrodes in at least one inner recess of the piezo actuator and are guided outwards perpendicularly to the layer structure.
  • the contact elements can advantageously be electrically conductive elements which are separated from one another in a single bore by an insulating material and which are each led alternately to the respective internal electrodes with the positive and the negative connection of a voltage source using a conductive material.
  • the contact elements can also be made from a flexible electrode material.
  • the contact elements are electrically conductive pins which are coated with a conductive material, e.g. a polymer are surrounded in such a way that the respective contacting of the inner electrodes with the positive and the negative connection of a voltage source can be carried out.
  • a conductive material e.g. a polymer
  • the internal contacting preferably consists of two simple contact pins that represent the electrical poles of the piezo actuator and are connected to the internal electrodes by a conductive, flexible material.
  • This new type of contacting offers advantages in terms of compactness, so that more active ceramic cross-sections can be arranged on the same cross-sectional area compared to conventional external contacts, or a piezo actuator with a smaller space requirement can also be realized. Furthermore, the robustness is also improved, since the mechanically sensitive metal-ceramic interface between the contact element and the piezo layers is better protected in the manufacturing process and during operation.
  • the manufacturing costs can also be reduced by eliminating the need for grinding operations in hard machining to produce the external contact.
  • Using the recesses as a reference base manufacturing tolerances can then be more easily adhered to or narrowed because the reference base is retained throughout the entire manufacturing process.
  • the compatibility with the previous piezo actuator design forms is also guaranteed due to the same external design.
  • the contact elements can be guided to the outside through the entire length of the piezo actuator and a predetermined area.
  • the contact elements are embedded outside of the piezo actuator in an insulating actuator base and the piezo actuator and the actuator base are inserted in a metal sleeve so that the entire arrangement can be operated in the area of aggressive liquids.
  • the entire arrangement as a piezo actuator module can thus be used advantageously for needle stroke control for fuel injection in a motor vehicle, in which the piezo actuator module is a steel welded construction that serves to separate the piezo actuator from the surrounding fuel.
  • An important component is the actuator foot, which here is the mechanical base and the electrical contact for the piezo actuator and an O-ring groove for sealing the fuel.
  • This actuator base is thus simply designed as a steel-plastic injection molded part with inserted contact wires or pins.
  • a major advantage of the above-mentioned embodiment is above all that this construction is less expensive than the known external contact, since a number of parts and manufacturing processes, as mentioned above, are saved.
  • the contact elements can protrude, for example, only a short area from the actuator base and can be contacted there with further contact pins, preferably embedded in a further component, for example by welding or the like.
  • the actuator base and / or the further component are preferably plastic injection molded parts and the sleeve is made of steel.
  • the use of an actuator base is advantageous in that the actuator base offers two parallel bores through which the contact elements of the piezo actuator can be pushed.
  • the O-ring groove of the piezo actuator module can remain on the existing shoulder of the actuator foot or alternatively can be shifted to the shoulder of the sleeve, since space is gained there by laying the electrical connections.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a piezo actuator with internal contacting of the internal electrodes
  • FIG. 2 shows a cross section through the piezo actuator according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a piezo actuator module with sleeve and actuator foot
  • FIG 5 shows an exemplary embodiment with only one bore for the internal contacting of the internal electrodes
  • FIG. 6 shows a cross section through the exemplary embodiment according to FIG. 5
  • FIG. 7 shows another exemplary embodiment with a flexible electrode material for the internal contacting.
  • a piezo actuator 1 constructed as a so-called multilayer is shown in various views, which is constructed in a manner known per se from piezo foils of a ceramic material with a suitable crystal structure, so that an external electrical voltage is applied when the so-called piezo effect is used here only by way of example provided with reference numerals internal electrodes 2 and 3 there is a mechanical reaction of the piezo actuator 1 in the direction of action 4.
  • the piezo actuator 1 described here has a preferred but not necessarily a round design, as can be seen from FIG. 2.
  • contact elements 7 and 8 here round pins, in a conductive but flexible material 9, e.g. Polymer, firmly embedded, which contact the inner electrodes to the outside and also offer a centering option.
  • This polymer should be designed in such a way that it absorbs the expansion resulting from the switching stroke and temperature changes in the given installation space, so that the electrical contacting of the internal electrodes is ensured over the lifetime of the piezo actuator. If the contact between the polymer and the internal electrodes is not sufficient, this can be improved by basic metallization in the holes.
  • the contact elements 7 and 8 are of different thicknesses or lengths in order to prevent the poles from being mixed up.
  • FIG. 3 and 4 show exemplary embodiments of a piezo actuator module 10, each of which contains a piezo actuator 1 inside a steel sleeve 11, as described with reference to the preceding figures.
  • contact elements 12 and 13 are guided through a steel-plastic bandage which surrounds an insulating actuator foot 14a, for example an injection-molded plastic part, which is surrounded by steel 14b and is firmly anchored in the steel sleeve 11.
  • an insulating actuator foot 14a for example an injection-molded plastic part
  • steel 14b is surrounded by steel 14b and is firmly anchored in the steel sleeve 11.
  • the insulating actuator foot 14 and the piezo actuator 1 are inserted in the steel sleeve 11 in such a sealing manner that the entire arrangement can be operated in the area of aggressive liquids.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 differs from the exemplary embodiment according to FIG. 3 in that the contact elements 12 and 13 of the piezo actuator 1 are kept as short as possible.
  • An actuator foot 15a, 15b is also a steel-plastic material association here.
  • Another component 16 also a steel-plastic bandage, is designed here with inserted contacts 17 and 18.
  • These contacts are designed here in such a way that they can be electrically connected in the actuator base 15a to the contact elements 12 and 13, preferably by resistance welding.
  • these contacts 17 and 18 can be designed so that they can be integrated into an existing construction without modification. For example, they are so long that, when used for needle stroke control in a fuel injection, they extend to the flat connector of the injector, so that additional contacts and the associated contacting process can be omitted here.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section and FIG. 6 shows a cross section through a further exemplary embodiment of a piezo actuator 20, in which, in contrast to the previously described exemplary embodiments, there is only one bore 21 in which the two contact elements 7 and 8 guided to the outside lie. These are electrically separated from one another by an insulating material 22, as can be seen in particular in FIG. 6. is known.
  • the contact elements 7 and 8 can also be made from a thermally expansion-adapted material, for example Invar.
  • the contact elements 7 and 8 are also contacted here, for example, using an adhesive process to the inner electrodes 2 and 3 of the ceramic layers via a conductive polymer 23 shown in FIG. 6.
  • the individual internal electrode layouts must have non-printed areas in the form of the passive area 24 shown here.
  • the contact elements according to FIG. 7 could also be formed from a flexible metal mesh 25 in a conductive polymer 23 and e.g. are connected by a soldering process to the internal electrodes 2 and 3 and the pins 26 guided to the outside. Gluing the metal mesh 25 to the internal electrodes 2 and 3 would also be possible here.

Landscapes

  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • 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 mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind. Mit einer aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden (2, 3) ist eine wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) jeweils nach aubetaen führbar. Die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) erfolgt mit Kontaktelementen (5, 6; 12, 13), die in einer inneren Ausnehmung (5, 6) des Piezoaktors (1) mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) kontaktiert und dabei senkrecht zum Lagenaufbau nach aubetaen geführt sind.

Description

Piezoaktor
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 beispielsweise aus der DE 199 28 189 AI bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement zur Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen 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 eines solchen Piezoaktors erfolgt beim Stand der Technik in mehreren Schichten als sogenannter Multi- layer-Aktor, wobei Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils in Wirkrichtung zwischen den Schichten angeordnet werden und mittels Kontaktflächen, die außen liegen, kontaktiert werden. Diese sind in der Regel aus einer Grundmetallisierungsschicht sowie Elementen zur Überbrückung der sich in der Regel nicht vermeiden lassenden Delaminationsrisse aufgebaut. Insbesondere können hier Metallgewebe und leitfähige Polymere verwendet werden. Zur Herstellung solcher Piezoak- toren sind in der Regel aufwendige Schleifprozesse notwendig.
Weiterhin müssen diese Außenkontaktierungen wegen der an ihnen anliegenden elektrischen Potentiale gegen die Umgebung isoliert werden. Möglich sind auch eingesinterte Stifte als Außenkontaktierungen, die aber bezüglich des Dehnungsverhalten des Piezoaktors bzw. der Keramik der Piezolagen auch im Fertigungsprozess Nachteile aufweisen.
Vorteile der Erfindung
Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, weist einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden auf, die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind. Es ist weiterhin eine aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden wechselseitige Kon- taktierung der Innenelektroden nach außen führbar. In vorteilhafter Weise erfolgt erfindungsgemäß die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden mit Kontaktele- menten derart, dass diese in mindestens einer inneren Ausnehmung des Piezoaktors mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert und dabei senkrecht zum Lagenaufbau nach außen geführt sind.
Bei einer Ausführungsform können die Kontaktelemente vorteilhaft elektrisch leitende Elemente sein, die in einer einzigen Bohrung durch ein isolierendes Material voneinander getrennt sind und mit einem leitfähigen Stoff jeweils abwechselnd an die jeweiligen Innenelektroden mit dem positiven und dem negativen Anschluss einer Spannungsquelle geführt sind. Die Kontaktelemente können alternativ auch aus einem flexiblen Elektrodenmaterial hergestellt sein.
Bevorzugt sind die Kontaktelemente elektrisch leitende Stifte, die mit einem leitfähigen Stoff, z.B. ein Polymer, derart umgeben sind, dass die jeweilige Kontaktie- rung der Innenelektroden mit dem positiven und dem negativen Anschluss einer Spannungsquelle durchführbar ist.
Mit der Erfindung ist in vorteilhafter Weise erreicht, dass die bisher übliche Außenkontaktierung unter Berücksichtigung der Hub- und Wärmedehnungskompensation in den Piezoaktor hinein verlegt worden ist. Die gesamte Konstruktion wird dadurch robuster und die Herstellung kostengünstiger.
Die innenliegende Kontaktierung besteht dabei bevorzugt aus zwei einfachen Kontaktstiften, die die elektrischen Pole des Piezoaktors darstellen und durch ein leitfähiges, flexibles Material mit den Innenelektroden verbunden sind. Durch diese neuartige Kontaktierung entstehen vor allem Vorteile hinsichtlich der Kompaktheit, so dass sich auf gleicher Querschnittsfläche gegenüber der konventionellen Außenkontaktierungen mehr aktive Keramikquerschnitte anordnen lassen oder auch ein Piezoaktor mit einem geringerem Platzbedarf realisiert werden kann. Ferner ist auch die Robustheit verbessert, da die mechanisch empfindliche Schnittstelle Metall-Keramik zwischen Kontaktelement und Piezolagen im Fertigungsprozess und im Betrieb besser geschützt ist.
Auch die Herstellungskosten können dadurch vermindert werden, dass Schleifarbeitsgänge in der Hartbearbeitung zur Herstellung der Außenkontaktierung entfallen können. Unter Verwendung der Ausnehmungen als Bezugsbasis können Herstellungstoleranzen dann einfacher eingehalten oder eingeengt werden, da die Bezugsbasis während des gesamten Fertigungsprozesses erhalten bleibt. Außerdem ist aufgrund der gleichen äußeren Bauform auch die Kompatibilität zu den bisherigen Piezoaktordesignformen gewährleistet .
Auf einfache Weise können die Kontaktelemente durch die gesamte Länge des Piezoaktors und einen vorgegebenen Bereich nach außen geführt werden. Alternativ es ist auch möglich, die Kontaktelemente nur über einen Teil der Länge des Piezoaktors und einen vorgegebenen Bereich nach außen zu führen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Kontaktelemente außerhalb des Piezoaktors in einem isolierenden Aktorfuß eingebettet und der Piezoaktor und der Aktorfuß sind in eine metallische Hülse derart dichtend eingefügt, dass die gesamte Anordnung im Bereich aggressiver Flüssigkeiten betreibbar ist.
Die gesamte Anordnung als Piezoaktormodul kann damit in vorteilhafter Weise zur Nadelhubsteuerung für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, bei der das Piezoaktormodul eine Stahl- Schweißkonstruktion ist, die der Trennung des Piezoaktors vom umgebenden Kraftstoff dient. Ein wesentliches Bauteil stellt dabei der Aktorfuß dar, der hier die mechanische Basis sowie die elektrische Kontaktierung für den Piezo- aktor und eine O-Ringnut zur Abdichtung des Kraftstoffes anbietet. Dieser Aktorfuß ist somit einfach als Stahl- Kunststoffspritzgussteil mit eingelegten Kontaktdrähten oder -stiften ausgeführt.
Ein wesentlicher Vorteil auch der zuvor genannten Ausführungsform besteht vor allem darin, dass diese Konstruktion gegenüber der bekannten Außenkontaktierung kostengünstiger ist, da etliche Teile und Fertigungsprozesse, wie zuvor erwähnt, eingespart werden.
Die Kontaktelemente können hier beispielsweise nur einen kurzen Bereich aus dem Aktorfuß herausragen und dort mit weiteren, vorzugsweise in einem weiteren Bauteil eingebetteten Kontaktstiften kontaktiert werden, beispielsweise durch Schweißen oder dergleichen. Bevorzugt sind herbei der Aktorfuß und/oder das weitere Bauteil Kunststoffspritzteile und die Hülse ist aus Stahl hergestellt.
Grundsätzlich ist die Verwendung eines Aktorfußes dadurch vorteilhaft, dass der Aktorfuß zwei parallele Bohrungen anbietet, durch die die Kontaktelemente des Piezoaktors geschoben werden können. Je nach Platzbedarf der Durchführungen kann die O-Ringnut des Piezoaktormoduls an dem bestehenden Absatz des Aktorfußes verbleiben oder alternativ auf den Absatz der Hülse verlagert werden, da dort durch die Verlegung der elektrischen Anschlüsse Platz gewonnen wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Piezoaktor mit innenliegender Kontaktierung der Innenelektroden, Figur 2 einen Querschnitt durch den Piezoaktor nach der Figur 1, Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Piezoaktormo- duls mit Hülse und Aktorfuß, Figur 4 eine Abwandlung des Piezoaktormoduls nach der Figur 3 mit einem weiteren Bauteil zur Verlängerung der Kontaktelemente, Figur 5 ein Ausführungsbeispiel mit nur einer Bohrung für die innenliegende Kontaktierung der Innenelektroden, Figur 6 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel nach der Figur 5 und Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem flexiblen Elektrodenmaterial für die innenliegende Kontaktierung .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 und Figur 2 ist in verschiedenen Ansichten ein als sogenannter Multilayer aufgebauter 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 hier nur beispielhaft mit Bezugszeichen versehene Innenelektroden 2 und 3 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Wirkrichtung 4 erfolgt. Der hier beschriebene Piezoaktor 1 hat Vorzugs- aber nicht notwendigerweise eine rundes Design, wie aus der Figur 2 ersichtlich ist. Im Inneren des Piezoaktors 1 befinden sich zwei in Längsrichtung erstreckte Bohrungen 5 und 6, wobei die Innenelektroden 2 und 3 je nach Polarität an die linke Bohrung 5 oder an die rechte Bohrung 6 herangeführt sind.
In den Bohrungen 5 und 6 sind Kontaktelemente 7 und 8, hier runde Stifte, in einem leitfähigen aber flexiblen Stoff 9, z.B. Polymer, fest eingebettet, die die Innenelektroden nach außen kontaktieren und darüber hin aus auch eine Zentriermöglichkeit anbieten. Dieses Polymer sollte so beschaffen sein, dass es auf im gegebenen Bauraum die durch Schalthub und Temperaturwechsel entstehende Dehnung aufnimmt, so dass die elektrische Kontaktierung der Innenelektroden über die Lebensdauer des Piezoaktors gegeben ist. Sollte die Kontaktierung zwischen Polymer und Innenelektroden nicht ausreichen, kann diese durch eine Grundmetallisierung in den Bohrungen verbessert werden.
Hierbei kann es zweckmäßig sein, wenn die Kontaktelemente 7 und 8 unterschiedlich dick oder lang sind, um eine Verwechselung der Pole auszuschließen.
Aus Figur 3 und Figur 4 sind Ausführungsbeispiele eines Piezoaktormoduls 10 zu entnehmen, die im Inneren einer Stahlhülse 11 jeweils einen Piezoaktor 1 enthalten, wie er anhand der vorhergehenden Figuren beschrieben ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 3 sind Kontaktelemente 12 und 13 durch einen Stahl-Kunststoffverband, geführt, der einen isolierenden Aktorfuß 14a, z.B. ein angespritztes Kunststoffteil, das mit Stahl 14b umgeben und in der Stahlhülse 11 fest verankert ist. Somit ist der isolierende Aktorfuß 14 und der Piezoaktor 1 in die Stahlhülse 11 derart dichtend eingefügt, dass die gesamte Anordnung im Bereich aggressiver Flüssigkeiten betreibbar ist .
Das Ausführungsbeispiel nach der Figur 4 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach der Figur 3 dadurch, dass die Kontaktelemente 12 und 13 des Piezoaktors 1 so kurz • wie möglich gehalten werden. Ein Aktorfuß 15a, 15b ist hier ebenfalls ein Stahl-KunstStoffverband.
Ein weiteres Bauteil 16, ebenfalls ein Stahl- Kunststoffverband, ist hier mit eingelegten Kontakten 17 und 18 ausgeführt. Diese Kontakte sind hier so gestaltet, dass sie im Aktorfuß 15a mit den Kontaktelementen 12 und 13 vorzugsweise durch Widerstandsschweißen elektrisch verbunden werden können. Am anderen Ende können diese Kontakte 17 und 18 so gestaltet werden, dass sie in eine vorhandene Konstruktion ohne Änderung integriert werden kann. Sie sind beispielsweise so lang, dass diese bei einem Einsatz zur Nadelhubsteuerung in einer Kraftstoffeinspritzung bis zum Flachstecker des Injektors reichen, so dass hier zusätzliche Kontakte und der zugehörige Kontak- tierungsprozess entfallen kann.
Aus Figur 5 ist ein Längsschnitt und aus Figur 6 ein Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 20 gezeigt, bei dem im Unterschied zu den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen nur eine Bohrung 21 vorhanden ist, in der die beiden nach außen geführten Kontaktelemente 7 und 8 liegen. Diese werden hier von einem isolierenden Material 22 voneinander elektrisch getrennt, wie es insbesondere auch aus der Figur 6 zu er- kennen ist. Die Kontaktelemente 7 und 8 können auch hier aus einem thermisch dehnungsangepassten Material, z.B. Invar hergestellt sein.
Die Kontaktelemente 7 und 8 werden hier ebenfalls beispielsweise unter Verwendung eines Klebeprozesses zu den Innenelektroden 2 und 3 der Keramikschichten über ein aus der Figur 6 ersichtliches leitfähiges Polymer 23 kontaktiert. Um die Innenelektroden 2 und 3 wechselweise an die beiden Kontaktelemente 7 und 8 anzubinden, müssen die einzelnen Innenelektrodenlayouts nicht bedruckte Bereiche in Form des hier dargestellten passiven Bereiches 24 aufweisen.
Alternativ könnten die Kontaktelemente gemäß Figur 7 auch aus einem flexiblen Metallgewebe 25 in einem leitfähigen Polymer 23 gebildet sein und z.B. durch einen Lötprozess mit den Innenelektroden 2 und 3 und den nach außen geführten Stiften 26 verbunden werden. Auch ein Verkleben des Metallgewebes 25 mit den Innenelektroden 2 und 3 wäre hier möglich.

Claims

Patentansprüche
1) Piezoaktor, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden (2,3), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind, und mit einer aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden (2,3) wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektroden (2,3), die jeweils nach außen führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2,3) mit Kontaktelementen (7, 8; 12, 13; 25, 26) erfolgt, die in einer inneren Ausnehmung (5,6) des Piezoaktors (1) mit den jeweiligen Innenelektroden (2,3) kontaktiert und dabei senkrecht zum Lagenaufbau nach außen geführt sind.
2) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (7, 8; 12, 13) elektrisch leitende Stifte sind, die jeweils mit einem leitfähigen Stoff (9) derart umgeben sind, dass die jeweilige Kontaktie- rung der Innenelektroden (2,3) mit dem positiven und dem negativen Anschluss einer Spannungsquelle durchführbar ist.
3) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (7, 8,-25, 26) elektrisch leitende Elemente sind, die in einer einzigen Bohrung (21) durch ein isolierendes Material voneinander getrennt sind und mit einem leitfähigen Stoff (23) jeweils abwechselnd an die jeweilige Innenelektroden (2,3) mit dem positiven und dem negativen Anschluss einer Spannungsquelle geführt sind.
4) Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (25) aus einem flexiblen Elektrodenmaterial hergestellt sind.
5) Piezoaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Stoff (9) ein Polymer ist und dass die Ausnehmungen (5,6) Bohrungen sind, die gegebenenfalls mit einer Grundmetallisierung versehen sind.
6) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (7, 8 ; 12, 13; 25, 26) durch die gesamte Länge des Piezoaktors (1;20) und einen vorgegebenen Bereich nach außen geführt sind. 7) Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Kontaktelemente (7, 8; 12, 13; 25, 26) über einen Teil der Länge des Piezoaktors und einen vorgegebenen Bereich nach außen geführt sind.
8) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (12,13) außerhalb des Piezoaktors in einem isolierenden Aktorfuß (14a, 14b; 15a, 15b, 16) eingebettet sind und dass der Piezoaktor (1) und der Aktorfuß (14a, 14b; 15a, 15b) in eine metallische Hülse (11) derart dichtend eingefügt ist, dass die gesamte Anordnung (10) im Bereich aggressiver Flüssigkeiten betreibbar ist.
9) Piezoaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (12,13) nur einen kurzen Bereich aus dem Aktorfuß (15a) herausragen und dort mit weiteren, vorzugsweise in einem Bauteil (16) eingebetteten Kontaktstiften (17,18) kontaktierbar sind.
10) Piezoaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren, vorzugsweise in einem Bauteil (16) eingebetteten Kontaktstifte (17,18) durch Schweißen oder dergleichen mit den Kontaktelementen (12,13) kontaktierbar sind. 11) Piezoaktor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorfuß (14a; 15a) und/oder das weitere Bauteil (16) Kunststoffspritzteile sind und die Verbandsteile (14b; 15b) und die Hülse (11) aus Stahl hergestellt sind.
12) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Anordnung (10) zur Nadelhubsteuerung für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist.
PCT/DE2004/001444 2003-07-31 2004-07-06 Piezoaktor Ceased WO2005015651A1 (de)

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