DE10024701A1 - Piezoaktor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, bei dem der Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2), zwischen den Lagen angeordneten Innenelektroden (10, 11), die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und mit einer wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektroden (10, 11) mittels äußeren Anschlusskontakten (3, 4), über die eine elektrische Spannung zuführbar ist, versehen ist. Die jeweils zusammengehörig kontaktierten Innenelektroden (10, 11) sind über wechselseitig zu den jeweils anderen Innenelektroden (10, 11) isoliert angeordnete Durchkontaktierungen (5, 6) in den Piezolagen (2) elektrisch miteinander verbunden.

Description

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 soge­ nannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung er­ folgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebe­ reiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.

Da die erforderlichen elektrischen Feldstärken zur Betä­ tigung des Piezoaktors im Bereich von mehreren kV/mm lie­ gen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, erfolgt der Aufbau dieses Piezoaktors hier in mehreren Schichten von übereinander­ gestapelten metallisierten Piezokeramiken zu einem sog. Multilayer-Aktor. Hierzu sind jeweils zwischen den Schichten Innenelektroden vorhanden, die z. B. mit einem Druckverfahren aufgebracht werden, und es sind Außen­ elektroden vorhanden, über die die elektrische Spannung angelegt wird. Aufgrund dieses extrem schnellen und genau regelbaren Hubeffektes können solche Piezoaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von Schalt­ ventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeu­ gen vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Piezoaktors zur Positio­ nierung eines Steuerventils genutzt, das wiederum den Hub einer Düsennadel regelt.

Beispielsweise ist aus der EP 0 844 678 A1 ein solcher Piezoaktor bekannt, bei dem zwei, an jeweils gegenüber­ liegenden Seiten des Piezoaktorblocks angebrachte, Außen­ elektroden unterschiedlicher Polarität vorhanden sind. Bei einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktie­ rung der Innenelektroden mit den seitlichen Außenelektro­ den erfolgt die jeweilige Kontaktierung in dem Bereich, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innen­ elektrode an die Außenseite herangeführt ist.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene gattungsgemäße Piezoaktor ist mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und in einem piezoelektrisch aktiven Bereich zwischen den Lagen ange­ ordneten Innenelektroden aufgebaut und mit einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innen­ elektroden, zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, versehen. Gemäß der kennzeichnenden Merkmale sind in vorteilhafter Weise die jeweils zusammengehörig kontaktierten Innenelektroden über wechselseitig zu den jeweils anderen Innenelektroden isoliert angeordnete in­ nenliegende Durchkontaktierungen, z. B. in einer sogenann­ ten Via-Technik, in den Piezolagen elektrisch miteinander verbunden. Die Innenelektroden sind dabei bis auf die äu­ ßeren Anschlusskontakte durch Einsintern abgedeckt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anschlusskontakte für die Zuführung der elektrischen Spannung an den Stirn­ seiten des Piezoaktors angeordnet sind, wobei die An­ schlusskontakte bevorzugt metallisierte Flächen sind, die mittels Klemmen kontaktiert werden. Durch die stirnseiti­ ge Kontaktierung kann mit verschiedenen Aktorformen, z. B. quaderförmig, beliebiges Vieleck, zylindrisch oder hohl­ zylindrisch, der Einbauraum minimiert werden. Eine even­ tuell notwendige Vorspannkraft beim Einbau des Piezoak­ tors in ein Aggregat kann hierbei gleichzeitg als Kontak­ tierkraft verwendet werden.

Vorteilhaft ist es außerdem, wenn an den im Lagenaufbau am Ende liegenden Bereiche eine oder mehrere piezoelekt­ risch neutrale Folien angeordnet sind, wobei die äußeren Anschlusskontakte auf diesen Folien angebracht sind. Da­ durch, dass die Anschlüsse damit nicht im aktiven Bereich des Piezoaktors angeordnet sind, treten keine mechani­ schen Spannungen durch den Aktorhub in den Anschlusskon­ takten auf.

Um eine mechanische Schwächung des Piezoaktors durch e­ ventuell übereinanderliegende Durchkontaktierungen zu re­ duzieren, können die Durchkontaktierungen auf einfache Weise im Lagenaufbau von Schicht zu Schicht an einem Lochkreisdurchmesser versetzt zueinander angeordnet wer­ den.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun­ gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre­ ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs­ form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh­ rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines zylindrischen Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokera­ mik;

Fig. 2 eine Ansicht eines quaderförmigen Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokera­ mik Fig. 3 eine Ansicht eines hohlzylindrischen Piezoak­ tors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezo­ keramik und

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit ei­ ner Detailansicht von Innenelektroden und Durchkon­ taktierungen in den Piezolagen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Lagen 2 eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Keramikmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass beispielsweise unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Gleichspannung an hier im De­ tail zwischen den Lagen 2 nicht erkennbare Innenelektro­ den eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt. Die elektrische Spannung wird über stirnseitige An­ schlusskontakte 3 und 4 angelegt und über hier nur sche­ matisch erkennbare Durchkontaktierungen 5 und 6 auf die Innenelektroden weitergeleitet.

Bei Anlage eines elektrischen Feldes an den Innenelektro­ den kann z. B. eine Längenänderung im Bereich von ca. 0,1 -0,3% der Länge des Piezoaktors 1 erfolgen. Die dafür benötigten Feldstärken müssen mehrere kV/mm betragen, so dass, um moderate Ansteuerspannungen von ca. 100-300 V zu benutzen, der sog. Multilayeraufbau mit den alternie­ renden Keramik- und Innenelektrodenschichten gewählt wur­ de.

Aus Fig. 2 ist eine alternative Bauform eines Piezoak­ tors 7 als Quader entnehmbar, der demzufolge entsprechen angepasste Piezolagen 2 und Anschlusskontakte 3 und 4 aufweist. Fig. 3 zeigt eine weitere Variante eines Pie­ zoaktors 8 mit einem hohlzylindrischen Aufbau.

In der Fig. 4 ist ein vergrößerter Schnitt durch einen der Piezoaktoren 1, 7 oder 8 gezeigt. Beispielsweise ist auf der linken Seite der Anschlusskontakt 3 für den Posi­ tiven Pol der Spannung über die Durchkontaktierung 5 durch die Piezolage 2 mit einer Innenelektrode 10 verbun­ den. Mit weiteren Durchkontaktierungen 5 ist beim Zusam­ menbau jeweils unter Gewährleistung einer Isolation zu Innenelektroden 11 der anderen Polarität eine elektrische Verbindung zu den anderen Innenelektroden gleicher Pola­ rität hergestellt.

Für den andern negativen Pol der Spannung am Anschluss­ kontakt 4 gilt mit den Durchkontaktierungen 6 die adäquate Anordnung. Die obere Piezolage 2, die die Anschluss­ kontakte 3 und 4 trägt, ist hier eine nichtaktive Schicht, da zwischen den Schichtseiten keine Feldstärke aufgrund von verschieden gepolten Innenelektroden 10 und 11 auftritt. Eine untere Keramikschicht 12 ist hier eben­ falls passiv aufgebaut und kann als Fußteil die mechani­ sche Anbringung des Piezoaktors 1, 7 oder 8 unterstützen.

Die Durchkontaktierungen 5 und 6 können dabei nicht wie aus der Fig. 4 erkennbar direkt übereinander, sondern vorteilhaft auch im Aufbau der Lagen 2 von Schicht zu Schicht an einem Lochkreisdurchmesser versetzt zueinander angeordnet werden um die mechanische Stabilität des Pie­ zoaktors 1, 7 oder 8 zu erhöhen.

Claims (5)

1. Piezoaktor, mit

• - einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und zwi­ schen den Lagen angeordneten Innenelektroden (10,11), die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und mit
• - einer wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektro­ den (10,11) mittels äußeren Anschlusskontakten (3, 4<, über die eine elektrische Spannung zuführbar ist, da­ durch gekennzeichnet, dass
• - die jeweils zusammengehörig kontaktierten Innenelekt­ roden (10,11) über wechselseitig zu den jeweils ande­ ren Innenelektroden (10,11) isoliert angeordneten Durchkontaktierungen (5, 6) in den Piezolagen (2) e­ lektrisch miteinander verbunden sind.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

• - die Anschlusskontakte (3, 4) für die Zuführung der e­ lektrischen Spannung an den Stirnseiten des Piezoak­ tors (1; 7; 8) angeordnet sind.

3. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

• - die Anschlusskontakte (3, 4) metallisierte Flächen sind, die mittels Klemmen kontaktierbar sind.

4. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

• - an den im Lagenaufbau am Ende liegenden Bereichen pie­ zoelektrisch neutrale Bereiche (2, 12) angeordnet sind, wobei die äußeren Anschlusskontakte (3, 4) an den neut­ ralen Bereichen angebracht sind.

5. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierungen (5, 6) im Lagenaufbau von Schicht zu Schicht an einem Lochkreisdurchmesser ver­ setzt zueinander angeordnet sind.