DE102004005943B4 - Electrical component with a piezoelectric element and an electrically conductive wire and use of the component - Google Patents
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Abstract
Elektrisches Bauteil (1) mit
– mindestens einem Piezoelement, das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht aufweist, und
– mindestens einem elektrisch leitfähigen Draht (30), wobei
– mindestens eine der Elektrodenschichten an einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements geführt ist und dort mit dem Draht mit Hilfe eines Verbindungsmittels kraftschlüssig und elektrisch leitend verbunden ist,
– der Draht und ein starres elektrisches Anschlusselement (32, 33) zur elektrischen Kontaktierung des Drahts elektrisch leitend miteinander verbunden sind,
– der Draht (30) und das starre elektrische Anschlusselement (32, 33) mit Hilfe eines weiteren Verbindungsmittels (31) kraftschlüssig miteinander verbunden sind und
– der Draht (30) derart mit einer Verformung in Form eines Knicks ausgestaltet ist, dass eine während eines dynamischen Betriebs des Bauteils (1) im Draht (30) auftretende mechanische Spannung umverteilt und somit homogen über den Draht (30) verteilt ist.Electrical component (1) with
- At least one piezoelectric element having at least two superposed electrode layers and at least one arranged between the electrode layers piezoelectric layer, and
- At least one electrically conductive wire (30), wherein
- At least one of the electrode layers is guided on a side surface portion of the piezoelectric element and there is non-positively and electrically conductively connected to the wire by means of a connecting means,
- The wire and a rigid electrical connection element (32, 33) for electrically contacting the wire are electrically conductively connected to each other,
- The wire (30) and the rigid electrical connection element (32, 33) by means of another connecting means (31) are positively connected to each other and
- The wire (30) is configured with a deformation in the form of a Knicks that during a dynamic operation of the component (1) in the wire (30) occurring mechanical stress redistributed and thus distributed homogeneously over the wire (30).
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil mit mindestens einem elektrischen Bauelement und mindestens einem elektrisch leitfähigen Draht, wobei der Draht und das Bauelement mit Hilfe eines Verbindungsmittels kraftschlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Daneben wird eine Verwendung des Bauteils angegeben.The The invention relates to an electrical component having at least one electrical component and at least one electrically conductive wire, wherein the wire and the device by means of a connecting means force fit and electrically conductively connected to each other. Next to it will be a use of the component specified.
Das elektrische Bauteil ist beispielsweise ein piezoelektrischer Aktor (Piezoaktor). Der piezoelektrische Aktor besteht beispielsweise aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen. Ein Piezoelement besteht aus mindestens zwei übereinander angeordneten Elektrodenschichten und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht. Die piezoelektrische Schicht und die Elektrodenschichten des Piezoelements sind derart miteinander verbunden, dass durch eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten ein elektrisches Feld in die piezoelektrische Schicht eingekoppelt wird. Aufgrund des eingekoppelten elektrischen Feldes kommt es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht und damit zur Auslenkung des Piezoelementes.The electrical component is for example a piezoelectric actuator (Piezoelectric actuator). The piezoelectric actuator is for example from a variety of superimposed stacked piezoelectric elements. A piezo element consists of at least two on top of each other arranged electrode layers and at least one between the Electrode layers arranged piezoelectric layer. The piezoelectric layer and the electrode layers of the piezoelectric element are interconnected in such a way that by an electric drive the electrode layers an electric field in the piezoelectric Layer is coupled. Due to the coupled-in electrical Feldes it comes to the deflection of the piezoelectric layer and thus for the deflection of the piezoelectric element.
Ein
derartiger piezoelektrischer Aktor ist beispielsweise aus der
Im Bereich der beschriebenen Oberflächenabschnitte ist jedes der Piezoelemente piezoelektrisch inaktiv. Aufgrund der abwechselnden Führung der Elektrodenschichten an die Oberflächenabschnitte wird in einem piezoelektrisch inaktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht ein elektrisches Feld eingekoppelt, das sich deutlich von dem elektrischen Feld unterscheidet, das in einem piezoelektrisch aktiven Bereich der Piezokeramikschicht eingekoppelt wird. Der piezoelektrisch aktive Bereich der Piezokeramikschicht befindet sich direkt zwischen den Elektrodenschichten des Piezoelements. Bei der elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten, also beim Polarisieren und/oder im Betrieb des Piezoaktors, kommt es aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder zu unterschiedlichen Auslenkungen der Piezokeramikschicht im piezoelektrisch aktiven Bereich und im piezoelektrisch inaktiven Bereich. Als Folge davon treten mechanische Spannungen im Piezoelement auf, die zu einem sogenannten Polungsriss quer zur Stapelrichtung führen können. Dieser Polungsriss kann sich in die an dem Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers angebrachte Metallisierung fortsetzen. Dies führt zu einer Unterbrechung der elektrischen Kontaktierung zumindest eines Teils der Elektrodenschichten des Aktorkörpers.in the Area of the described surface sections each of the piezoelectric elements is piezoelectrically inactive. Due to the alternating leadership of Electrode layers to the surface portions is in one piezoelectrically inactive region of the piezoelectric layer An electric field coupled in, clearly different from the electric field differs in a piezoelectrically active region of Piezoceramic layer is coupled. The piezoelectrically active Area of the piezoceramic layer is located directly between the Electrode layers of the piezoelectric element. In the electrical control the electrode layers, so when polarizing and / or during operation the piezoelectric actuator, it comes because of the different electrical Fields for different deflections of the piezoceramic layer in the piezoelectrically active region and in the piezoelectrically inactive region Area. As a result, mechanical stresses occur in the piezoelectric element on, leading to a so-called poling crack transverse to the stacking direction to lead can. This Polungsriss may be in the on the surface portion of the actuator body continue the attached metallization. This leads to an interruption the electrical contacting of at least a portion of the electrode layers of the actuator body.
Damit ein vorhandener Polungsriss im Aktorkörper nicht zu einem Ausfall des Piezoaktors führt, ist bei dem bekannten Piezoaktor an den Metallisierungen jeweils eine flexible elektrische Außenkontaktierung angebracht. Die Außenkontaktierung besteht jeweils aus einem starren elektrischen Anschlussstift und einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Drähten, die an einer Verbindungsfläche des Anschlussstiftes mit dem Anschlussstift verlötet sind. Entlang der Stapelrichtung des Aktorkörpers sind die Drähte an der jeweiligen Metallisierung und dem jeweiligen Anschlussstift derart angelötet, dass sich die Drähte zwischen der jeweiligen Metallisierung und dem jeweiligen Anschlussstift befinden und der Anschlussstift entlang der Stapelrichtung des Aktorkörpers ausgerichtet ist. Der Anschlussstift sorgt für die elektrische Kontaktierung der Drähte. Die Drähte sorgen für die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten des Aktorkörpers (mittelbar über die jeweilige Metallisierung). Die Kontaktierung ist auch dann gewährleistet, wenn es durch die Auslenkung des Aktorkörpers (Expansion und Kontraktion entlang der Stapelrichtung) zu einem Polungsriss kommt.In order to an existing poling crack in the actuator body does not lead to a failure of the piezoelectric actuator leads is in the known piezoelectric actuator at the metallizations one each flexible electrical external contacting appropriate. The external contact consists of a rigid electrical pin and a plurality of electrically conductive wires connected to a connecting surface of the terminal pin soldered to the terminal pin are. Along the stacking direction of the actuator body are the wires to the respective Metallization and the respective pin so soldered that the wires between the respective metallization and the respective pin are located and aligned the pin along the stacking direction of the actuator body is. The pin provides for the electrical contacting of the wires. The wires provide the electrical Contacting of the electrode layers of the actuator body (indirectly via the respective metallization). The contact is guaranteed even then if it is due to the deflection of the actuator body (expansion and contraction along the stacking direction) comes to a Polungsriss.
Der bekannte Piezoaktor wird beispielsweise zur Ansteuerung eines Einspritzventils eines Motors eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Für diesen Einsatz wird von der Automobilindustrie eine Zyklenzahl von über 109 gefordert. Innerhalb eines Zyklusses kommt es durch die Ansteuerung der Elektrodenschichten zur Expansion und Kontraktion des Aktorkörpers.The known piezoelectric actuator is used for example for controlling an injection valve of an engine of a motor vehicle. The automotive industry requires a cycle number of more than 10 9 for this application. Within a cycle, the activation of the electrode layers leads to expansion and contraction of the actuator body.
Als problematisch erweist sich beim beschriebenen Einsatz des bekannten Piezoaktors, dass im Betrieb des Piezoaktors, also bei der Auslenkung des Aktorkörpers, in einem Draht eine sehr hohe mechanische Spannung auftreten kann. Die mechanische Spannung ist beispielsweise eine Zugspannung. Die Zugspannung wird dadurch verursacht, dass der dynamische Aktorkörper mit dem starren Anschlussstift verbunden ist. Eine besonders hohe Zugspannung tritt in den Drähten auf, die mit einem Bereich des Aktorkörpers verbunden sind, der sich durch eine relativ große Auslenkung auszeichnet. Dieser Bereich ist beispielsweise ein nicht fixierter, also frei beweglicher Teil des Aktorkörpers. Eine besonders große Auslenkung tritt auch im Bereich eines Polungsrisses auf. Aufgrund der hohen mechanischen Spannung kann es zu einem Bruch des Drahts kommen. Wenn viele Drähte davon betroffen sind, kann dies zu einem Ausfall des piezoelektrischen Aktors führen.A problem in the described use of the known piezoelectric actuator proves that in the operation of the piezoelectric actuator, ie in the deflection of the actuator body, a very high mechanical stress can occur in a wire. The mechanical stress is for example a tensile stress. The tensile stress is caused by the fact that the dynamic actuator body is connected to the rigid pin. A particularly high tensile stress occurs in the wires, which are connected to a region of the actuator body, which is characterized by a relatively large deflection. This area is, for example, a non-fixed, ie freely movable part of the actuator body. A particularly large deflection also occurs in the field of egg a polungsrisses on. Due to the high mechanical tension, the wire may break. If many wires are affected, this can lead to failure of the piezoelectric actuator.
Aus
der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Bauteil anzugeben, das mit Hilfe von Drähten elektrisch kontaktiert ist und das im dynamischen Betrieb des Bauteils eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.task the present invention is to provide an electrical component, that with the help of wires is electrically contacted and that in the dynamic operation of the component has a high reliability.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein elektrisches Bauteil mit mindestens einem Piezoelement, das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht aufweist, und mindestens einem elektrisch leitfähigen Draht angegeben, wobei mindestens eine der Elektrodenschichten an einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements geführt ist und dort mit dem Draht mit Hilfe eines Verbindungsmittels kraftschlüssig und elektrisch leitend verbunden ist, der Draht und ein starres elektrisches Anschlusselement zur elektrischen Kontaktierung des Drahts elektrisch leitend miteinander verbunden sind, der Draht und das starre elektrische Anschlusselement mit Hilfe eines weiteren Verbindungsmittels kraftschlüssig miteinander verbunden sind und der Draht derart mit einer Verformung in Form eines Knicks ausgestaltet ist, dass eine während eines dynamischen Betriebs des Bauteils im Draht auftretende mechanische Spannung umverteilt und somit homogen über den Draht verteilt ist.to solution The object is an electrical component with at least one piezoelectric element, the at least two on top of each other arranged electrode layers and at least one between the electrode layers arranged piezoelectric layer, and at least one electrically conductive Wire specified, wherein at least one of the electrode layers on a lateral surface section led the piezoelectric element is and there with the wire by means of a connecting means frictionally and electrically connected, the wire and a rigid electrical Connection element for electrical contacting of the wire electrically conductive, the wire and the rigid electrical Connecting element by means of another connecting means frictionally with each other are connected and the wire so with a deformation in the form of a Knicks is designed that one during a dynamic operation of the Component in the wire occurring mechanical stress redistributed and thus homogeneous over the wire is distributed.
In der mechanischen Spannung kommt eine mechanische Belastung des Drahts zum Ausdruck, die durch ihre Größe und ihre Wirkungsrichtung festgelegt ist. Die mechanische Belastung ist beispielsweise eine Zug- oder Druckbelastung. Ebenso kann die Belastung eine Biege-, Scher- oder Torsionsbelastung sein. Der Draht ist so ausgelegt, dass es aufgrund der mechanischen Belastung nicht zu solchen Spannungsspitzen im Draht kommt, die zu einem Bruch des Drahts führen können. Die Spannungsspitzen werden durch die Ausgestaltung des Drahts effizient abgebaut. Die im Draht über die Länge des Drahts auftretenden Spannungen werden einander angeglichen.In The mechanical stress is a mechanical load on the wire expressed by their size and their The direction of action is fixed. The mechanical load is for example a tensile or compressive load. Likewise, the load can be a bending, Shear or torsional load. The wire is designed that it does not cause such voltage peaks due to the mechanical stress comes in the wire, which can lead to a breakage of the wire. The spikes are efficiently degraded by the design of the wire. The in the wire over the length of the wire occurring voltages are equalized.
Das Angleichen der im Draht auftretenden Spannungen erfolgt beispielsweise dadurch, dass verschiedene Spannungen beziehungsweise Spannungsarten ineinander überführt werden. Durch die Form des Drahtes kann beispielsweise eine Zugspannung in eine Scherspannung überführt werden. Dadurch gelingt es, Spannungsspitzen bezüglich der Zugspannung abzubauen. Im Ergebnis tritt eine homogenere, annähernd gleiche Zugspannung entlang des Drahts auf. Denkbar ist auch das Abbauen von Spannungsspitzen durch Maßnahmen, die nicht zu einer Überführung der Spannungsarten ineinander führen, sondern zu einer Dämpfung der Spannung. Die Spannung wird effizient abgebaut. So kann beispielsweise der Draht an den Stellen, an denen die Belastung des Drahts im Betrieb sehr hoch ist, anders ausgestaltet sein, als an solchen Stellen, an denen die Belastung des Drahts niedriger ist. Es wird für einen gewissen Ausgleich der im Draht auftretenden Spannungen gesorgt.The Adjusting the voltages occurring in the wire, for example in that different voltages or voltages be converted into each other. By the shape of the wire, for example, a tensile stress be transferred to a shear stress. Thereby manages to surge peaks with respect to reduce the tension. The result is a more homogeneous, nearly the same Tensile stress along the wire. It is also conceivable dismantling of spikes by measures, which does not lead to a transfer of the Interconnect types of tension, but to a damping the tension. The voltage is dissipated efficiently. So, for example the wire in the places where the load of the wire in operation is very high, differently shaped, than in such places, where the load on the wire is lower. It will be for one certain compensation of the voltages occurring in the wire provided.
Im
Folgenden werden Maßnahmen
vorgestellt, die einzeln oder in Kombination miteinander zu einer
annähernd
homogenen Verteilung der mechanischen Spannung über die Länge des Drahts führen:
In
einer besonderen Ausgestaltung weist der Draht entlang einer Länge des
Drahts einen Gradienten mindestens einer Drahteigenschaft des Drahts
auf, so dass die während
des dynamischen Betriebs des Bauteils im Draht auftretende mechanische
Spannung homogen über
den Draht verteilt ist. Die Drahteigenschaft betrifft insbesondere
eine Drahtform und/oder ein Drahtmaterial des Drahts. Drahtform und
Drahtmaterial beeinflussen eine Elastizität des Drahts. Es resultiert
ein Gradient der Elastizität
des Drahts. Der Gradient der Elastizität führt zu einer homogenen Verteilung
der mechanischen Spannung über
die Länge
des Drahts.In the following, measures are presented which, individually or in combination with one another, lead to an approximately homogeneous distribution of the mechanical stress over the length of the wire:
In a particular embodiment, the wire has a gradient of at least one wire characteristic of the wire along a length of the wire, so that the mechanical stress occurring in the wire during dynamic operation of the component is distributed homogeneously over the wire. The wire property relates in particular to a wire form and / or a wire material of the wire. Wire form and wire material affect elasticity of the wire. This results in a gradient of the elasticity of the wire. The gradient of elasticity results in a homogeneous distribution of the stress over the length of the wire.
Um zu einer homogen verteilten Spannung zu kommen, kann beispielsweise ein Drahtquerschnitt des Drahts an die mechanische Belastung des Drahts angepasst werden. Die Anpassung betrifft insbesondere eine Form und/oder eine Größe des Querschnitts. Beides spiegelt sich im Durchmesser des Drahts wider (quer zur Längsrichtung des Drahts). Die Anpassung des Querschnitts kann gezielt an bestimmten Stellen des Drahts erfolgen. Die Anpassung kann aber auch gradiert erfolgen. In einer besonderen Ausgestaltung ist daher die Drahteigenschaft des Drahts, die den Gradienten aufweist, ein Durchmesser des Drahts. Der Drahtquerschnitt wird entlang der Länge des Drahts mit einem Gradienten verändert.Around For example, to come to a homogeneously distributed voltage a wire cross section of the wire to the mechanical load of Wir be adjusted. The adjustment concerns in particular one Shape and / or size of the cross section. Both are reflected in the diameter of the wire (transverse to the longitudinal direction of the wire). The adaptation of the cross section can be targeted to certain Make the wire. The adaptation can also be graded respectively. In a particular embodiment, therefore, the wire property of the wire having the gradient, a diameter of the wire. The wire cross section is varied along the length of the wire with a gradient.
Eine homogen verteilte Spannung kann auch durch eine Anpassung eines Drahtmaterials des Drahts beziehungsweise einer Materialzusammensetzung des Drahts an die mechanische Belastung des Drahts erreicht werden. Das Drahtmaterial betrifft den Draht selbst oder ein Beschichtungsmaterial einer Beschichtung des Drahts beziehungsweise ein Umhüllungsmaterial einer Umhüllung des Drahts. Das Drahtmaterial kann punktuell an bestimmten Stellen unterschiedlich sein. Beispielsweise wird der Draht an den Stellen, an denen die Belastung des Drahts relativ hoch ist, mit einem Drahtmaterial ausgestaltet, das über eine relativ hohe Elastizität verfügt. An den Stellen, an denen die Belastung des Drahts niedriger ist, wird der Draht mit einem Drahtmaterial ausgestaltet, das weniger elastisch ist. Es resultiert ein Draht, der an verschiedenen Stellen unterschiedlich mechanisch belastbar ist. Aufgrund der unterschiedlichen Belastbarkeit kommt es bezüglich der Spannungen im Draht zu Ausgleichsvorgängen. Es resultiert eine im Wesentlichen homogen verteilte Spannung im Draht. Insbesondere kann auch das Drahtmaterial gradiert verändert werden. In einer besonderen Ausgestaltung ist daher die Drahteigenschaft des Drahts, die den Gradienten aufweist, ein Drahtmaterial des Drahts.A homogeneously distributed stress can also be achieved by adapting a wire material of the wire or a material composition of the wire to the mechanical loading of the wire. The wire material refers to the wire itself or a coating material of a coating of the wire or a cladding material of a cladding of the wire. The wire material may be punctually different at certain points. For example, the wire is in the places where the burden of Wire is relatively high, designed with a wire material that has a relatively high elasticity. At the points where the load on the wire is lower, the wire is made with a wire material that is less elastic. The result is a wire that is different mechanical loads at different locations. Due to the different load capacity, it comes with respect to the stresses in the wire to balance operations. This results in a substantially homogeneously distributed stress in the wire. In particular, the wire material can be changed graded. In a particular embodiment, therefore, the wire property of the wire having the gradient is a wire material of the wire.
Das Anpassen der mechanischen Spannungen kann auch über eine Beschichtung des Drahts erfolgen. Das Beschichtungsmaterial der Beschichtung kann dabei elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend sein. Die Beschichtung des Drahts wird beispielsweise derart ausgestaltet, dass der Draht an den Stellen hoher Belastung verstärkt wird. Dazu weist die Beschichtung beispielsweise unterschiedliche Schichtdicken auf. Unterschiedliche Beschichtungsmaterialien an verschiedenen Stellen des Drahts sind ebenfalls denkbar. Genauso können mehrschichtige Beschichtung aus mehreren Beschichtungen eingesetzt werden. Auch die Beschichtung kann gradiert vorliegen. In einer besonderen Ausgestaltung ist daher die Drahteigenschaft des Drahts, die den Gradienten aufweist, mindestens eine Beschichtung des Drahts.The Adjustment of the mechanical stresses can also take place via a coating of the wire. The coating material of the coating can be electrically conductive or be electrically insulating. The coating of the wire becomes, for example designed such that the wire in the places of high load reinforced becomes. For this purpose, the coating has different, for example Layer thicknesses on. Different coating materials on Various locations of the wire are also conceivable. Just like that can be multilayered Coating of several coatings can be used. Also the coating can be graded. In a particular embodiment is therefore the wire property of the wire that has the gradient at least one coating of the wire.
Die Verformung führt dazu, dass verschiedene Spannungsarten im Draht ineinander überführt werden. So kann beispielsweise eine Zugspannung in eine Scherspannung oder teilweise in die Scherspannung überführt werden. Die Verformung des Drahts führt zu einer Umverteilung der Spannung. Infolge davon treten kleinere Spannungsspitzen auf. Die Verformung des Drahts ist ein Knick. Die Verformung ist besonderes für den Fall vorteilhaft, dass für das Bauteil mit elektrischen Bauelement und Draht nur ein geringer Platz zur Verfügung steht. Mit der Verformung des Drahts können Spannungsspitzen über eine relativ kleine Drahtlänge effizient abgebaut werden.The Deformation leads To make different types of voltage in the wire into each other. For example, a tensile stress in a shear stress or partially transferred to the shear stress. The deformation of the wire leads to a redistribution of tension. As a result, smaller ones occur Voltage peaks. The deformation of the wire is a kink. The Deformation is special for the case advantageous for that Component with electrical component and wire only a small space to disposal stands. With the deformation of the wire voltage spikes over a relatively small wire length be efficiently degraded.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Draht eine mechanische Vorspannung auf. Die Vorspannung ist beispielsweise eine Zugspannung. Die Zugspannung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der Draht mit einer Zugbelastung beaufschlagt wird. Der Draht wird mit einer mechanischen Belastung beaufschlagt, die der im Betrieb des elektrischen Bauteils auftretenden mechanischen Spannung entgegenwirkt. In Folge davon treten kleinere Spannungsspitzen auf. Es kommt zu einer Homogenisierung der im Draht auftretenden mechanischen Spannung.In In a further embodiment, the wire has a mechanical bias on. The bias voltage is, for example, a tensile stress. The tension is achieved for example by the wire with a tensile load is charged. The wire comes with a mechanical load acted upon, the occurring during operation of the electrical component counteracts mechanical tension. As a result, smaller voltage spikes occur on. It comes to a homogenization of the occurring in the wire mechanical tension.
In einer besonderen Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Drähten vorhanden und jeder der Drähte ist derart ausgestaltet, dass die während des dynamischen Betriebs des Bauteils im Draht auftretende mechanische Spannung homogen über den Draht verteilt ist. Im Beispiel des oben beschriebenen piezoelektrischen Aktors bedeutet dies, dass zur elektrischen Kontaktierung der Innenelektroden des Aktorkörpers eine Vielzahl von Drähten verwenden werden. Jeder der Drähte ist dabei so ausgestaltet, dass innerhalb der Drähte mechanische Spitzenspannungen abgebaut werden. Die mechanischen Spannungen werden jeweils möglichst homogen entlang der Länge des jeweiligen Drahts verteilt.In In a particular embodiment, a plurality of wires is present and each of the wires is designed in such a way that during the dynamic operation of the component occurring in the wire mechanical Voltage is homogeneous over the wire is distributed. In the example of the piezoelectric described above Actuator, this means that for the electrical contacting of the internal electrodes of the actuator body a variety of wires will be used. Each of the wires is designed so that within the wires mechanical peak voltages be reduced. The mechanical stresses are each possible homogeneous along the length of the respective wire distributed.
Wie eingangs beschrieben, können die mechanischen Spannungen sehr verschieden sein, die in den einzelnen Drähten im Betrieb des elektrischen Bauteils, beispielsweise des Aktors, auftreten. In einem Draht, der mit einem Bereich des Aktorkörpers verbunden ist, der im Betrieb des Aktors nahezu ruht oder kaum ausgelenkt wird, treten relativ kleine mechanische Spannungen auf. Ein derartiger Bereich ist beispielsweise ein mit einer Bodenplatte fixierter Bereich des Aktorkörpers. Dagegen sind in einem Draht, der mit einem Bereich des Aktorkörpers verbunden ist, der im Betrieb des Aktors große Auslenkungen erfährt, relativ große mechanische Spannungen zu erwarten.As described in the beginning, can the mechanical stresses are very different in the individual wires during operation of the electrical component, for example of the actuator, occur. In a wire connected to an area of the actuator body is that rests in the operation of the actuator almost or hardly deflected is relatively small mechanical stresses occur. Such a Area is, for example, a fixed area with a bottom plate area of the actuator body. By contrast, in a wire connected to a portion of the actuator body is relatively large in the operation of the actuator experiences large deflections size to expect mechanical stresses.
Sowohl für den Fall großer mechanischer Spannung als auch für den Fall kleiner mechanischer Spannung wird dafür gesorgt, dass die Spannungen jeweils möglichst homogen über den jeweiligen Draht verteilt sind. Neben den oben beschriebenen Maßnahmen kann es für den Fall hoher mechanischer Spannungen vorteilhaft sein, zusätzlich die Länge des Drahts zu erhöhen.Either for the Case big mechanical stress as well The case of small mechanical stress will ensure that the voltages respectively preferably homogeneous over the respective wire are distributed. In addition to the above activities can it for the case of high mechanical stresses, in addition to the Length of the Wire up.
Dies führt zu einer Homogenisierung der im Draht auftretenden mechanischen Spannungen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen daher einzelne Drähte der Vielzahl von Drähten unterschiedliche Drahtlängen auf. Im Bereich großer Auslenkung können nun die Drähte eine relativ große Länge aufweisen. In den Bereichen kleiner Auslenkung genügt es, Drähte mit kleinerer Länge zu verwenden.This leads to a homogenization of the mechanical stresses occurring in the wire. According to one further embodiment, therefore, individual wires of the plurality of wires have different wire lengths on. In the area big Deflection can now the wires a relatively large one Have length. In the areas of small deflection, it is sufficient to use wires with a smaller length.
Die Vielzahl von Drähten kann zueinander parallel ausgerichtet sein. Denkbar ist aber insbesondere, dass die Vielzahl von Drähten divergent angeordnet ist. Die Vielzahl von Drähten ist nicht parallel, also vielmehr auseinanderstrebend beziehungsweise fächerförmig angeordnet. Denkbar ist auch, dass die Drähte einander kreuzen. Mit dieser Maßnahme ist es beispielsweise möglich, trotz unterschiedlicher mechanischer Belastungen aufgrund unterschiedlicher Auslenkungen des Aktorkörpers in den einzelnen Drähten annähernd gleiche mechanische Spannungen zu erzielen. Weitere Maßnahmen, die zur homogenen Verteilung der Spannungen in den einzelnen Drähten führen, können dann für alle Drähte gleich sein.The plurality of wires may be aligned parallel to each other. It is conceivable, however, in particular that the plurality of wires is arranged divergently. The plurality of wires is not parallel, so rather arranged diverging or fan-shaped. It is also conceivable that the wires cross each other. With this measure, it is possible, for example, despite different mechanical loads due to different deflections of the actuator body in the single wires to achieve approximately the same mechanical stresses. Further measures, which lead to the homogeneous distribution of the stresses in the individual wires, can then be the same for all wires.
Das weitere Verbindungsmittel und das Verbindungsmittel, mit dessen Hilfe der Draht und das elektrische Bauelement des elektrischen Bauteils kraftschlüssig und elektrisch leitend verbunden sind, können jeweils eine Klemme sein. Vorzugsweise ist das Verbindungsmittel und/oder das weitere Verbindungsmittel zumindest ein aus der Gruppe Leitklebstoff und/oder Lot ausgewähltes elektrisch leitfähiges Verbindungsmittel. Der Draht und das Anschlusselement oder der Draht und das elektrische Bauelement können miteinander verlötet oder verklebt sein. Das Lot ist beispielsweise ein Weichlot mit einer Arbeitstemperatur von unter 450°C. Ein Hartlot mit einer Arbeitstemperatur von über 450°C ist aber auch denkbar. Zum Verlöten eignen sich Drähte aus einem Metall (Metalldrähte). Ein Drahtdurchmesser der Drähte beträgt beispielsweise weniger als 500 μm. Das Metall ist beispielsweise aus der Gruppe Aluminium, Beryllium, Kobalt, Eisen, Kupfer, Nickel, Titan oder Zinn ausgewählt. Eine Legierung der genannten Metalle, beispielsweise Messing oder eine Kupfer-Bronze, ist ebenfalls denkbar. Drähte aus nichtmetallischen Werkstoffen, beispielsweise Drähte aus Kohlenstofffasern, eigenen sich zur Kontaktierung mit Hilfe eines Leitklebstoffs. Der Leitklebstoff weist neben einem Klebstoff ein elektrisch leitendes Material auf. Das elektrisch leitende Material liegt beispielsweise in Form von Kügelchen vor. Größe und Dichte der Kügelchen sind so gewählt, dass eine elektrische Kontaktierung mit einer notwendigen Stromtragfähigkeit gewährleistet ist.The further connecting means and the connecting means, with its Help the wire and the electrical component of the electric Component frictionally and electrically connected, may each be a terminal. Preferably, the connecting means and / or the further connecting means at least one electrically selected from the group of conductive adhesive and / or solder conductive connection means. The wire and the connection element or the wire and the electrical Component can soldered together or glued. The solder is for example a soft solder with a working temperature of less than 450 ° C. A brazing alloy with a working temperature from above 450 ° C is but also conceivable. For soldering are suitable wires from a metal (metal wires). A wire diameter of the wires is for example less than 500 μm. The metal is for example from the group aluminum, beryllium, Cobalt, iron, copper, nickel, titanium or tin selected. A Alloy of the metals mentioned, for example brass or a Copper-bronze, is also conceivable. Wires made of non-metallic materials, for example wires made of carbon fibers, are suitable for contacting with help a conductive adhesive. The conductive adhesive has next to an adhesive an electrically conductive material. The electrically conductive material is for example in the form of beads. Size and density the beads are chosen that ensures electrical contact with a necessary current carrying capacity is.
Als elektrisches Bauteil ist insbesondere ein piezoelektrisches Bauteil denkbar. Das piezoelektrische Bauteil ist beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewandler oder ein piezoelektrischer Aktor. In einem derartigen Bauteil kann es im Betrieb aufgrund dynamischer Prozesse zu einer besonderen mechanischen Beanspruchung der Drähte kommen.When electrical component is in particular a piezoelectric component conceivable. The piezoelectric component is, for example, a piezoelectric bending transducer or a piezoelectric actuator. In such a component can It becomes a special one during operation due to dynamic processes mechanical stress of the wires come.
Aufgrund des effizienten Abbaus von Spannungsspitzen sind die Drähte gemäß vorliegender Erfindung zur elektrischen Kontaktierung eines piezoelektrischen Bauteils geeignet. In einer besonderen Ausgestaltung wird daher ein elektrisches Bauteil angegeben, mit mindestens einem Piezoelement mit mindestens zwei übereinander angeordneten Elektrodenschichten mit mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht, wobei mindestens eine der Elektrodenschichten des Piezoelements das elektrische Bauelement des Bauteils aufweist, diese Elektrodenschicht an einem seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements geführt ist und dort mit dem Draht mit Hilfe des Verbindungsmittels verbunden ist.by virtue of The efficient removal of voltage spikes are the wires of the present invention for electrically contacting a piezoelectric component suitable. In a particular embodiment, therefore, an electric Specified component, with at least one piezo element with at least two on top of each other arranged electrode layers with at least one between the electrode layers arranged piezoelectric layer, wherein at least one of Electrode layers of the piezoelectric element, the electrical component of the component, this electrode layer on a lateral surface section led the piezoelectric element is and there connected to the wire by means of the connecting means is.
Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Piezoelementen zu einem stapelförmigen Aktorkörper mit einer Stapelrichtung angeordnet. Der Aktorkörper kann aus miteinander verklebten Piezoelementen bestehen. Dabei bestehen die piezoelektrischen Schichten der Piezoelemente beispielsweise aus einem piezoelektrischen Kunststoff. Vorzugsweise ist der Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise hergestellt. Dabei bestehen die piezoelektrischen Schichten aus einer Piezokeramik. Die Piezokeramik ist beispielsweise ein Bleizirkonattitanat (PZT). Ein Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten ist beispielsweise eine Silber-Palladium-Legierung. Zum Herstellen dieses Aktorkörpers werden keramische Grünfolien mit der Piezokeramik und Elektrodenschichten aus dem elektrisch leitenden Material abwechselnd übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert. Denkbar ist auch das Stapeln von mit Elektrodenmaterial flächig bedruckten keramischen Grünfolien und anschließendes gemeinsames Sintern.Preferably is a variety of piezoelectric elements to a stack-shaped actuator body with arranged a stacking direction. The actuator body can be glued together Piezo elements exist. In this case, the piezoelectric layers of the Piezo elements, for example, of a piezoelectric plastic. Preferably, the actuator body produced in monolithic multilayer construction. Exist the piezoelectric layers of a piezoceramic. The piezoceramic is, for example, a lead zirconate titanate (PZT). An electrode material of the electrode layers is, for example, a silver-palladium alloy. To make this actuator body are ceramic green films with the piezoceramic and electrode layers of the electrically conductive Material alternately on top of each other stacked and sintered together. It is also conceivable stacking of flat with electrode material printed ceramic green sheets and subsequent common sintering.
In einer besonderen Ausgestaltung sind die Piezoelemente derart zu dem stapelförmigen Aktorkörper angeordnet, dass benachbarte Piezoelemente eine gemeinsame Elektrodenschicht aufweisen, die Elektrodenschichten der Piezoelemente in Stapelrichtung des Aktorkörpers abwechselnd an mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt sind und mindestens eine der Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers und der Draht mit Hilfe des Verbindungsmittels verbunden sind.In In a particular embodiment, the piezoelectric elements are so too the stacked one actuator body arranged that adjacent piezoelectric elements have a common electrode layer have, the electrode layers of the piezoelectric elements in the stacking direction of the actuator body alternating at least two electrically isolated from each other, lateral surface sections of the actuator body are guided and at least one of the surface portions of actuator body and the wire are connected by means of the connection means.
Das elektrische Bauteil in Form des piezoelektrischen Aktors kann überall dort eingesetzt werden, wo eine relativ große Auslenkung bei einer gleichzeitig großen übertragbaren Kraft notwendig ist. Vorzugsweise wird der piezoelektrische Aktor zum Ansteuern eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Die Brennkraftmaschine ist insbesondere ein Motors eines Kraftfahrzeugs.The electrical component in the form of the piezoelectric actuator can be everywhere be used where a relatively large deflection at one time big transferable Force is necessary. Preferably, the piezoelectric actuator for Controlling an injection valve of an internal combustion engine used. The internal combustion engine is in particular an engine of a motor vehicle.
Zusammenfassend ergibt sich mit der Erfindung folgender wesentlicher Vorteil:
- – Durch geeignete strukturelle und materielle Maßnahmen gelingt es, mechanische Spannungsspitzen in einem Draht, die durch den dynamischen Betrieb eines elektrischen Bauteils hervorgerufen werden können, effizient umzuverteilen und homogen entlang des Drahts zu verteilen.
- – Aufgrund der homogenen Verteilung der mechanischen Spannungen resultiert eine geringe Wahrscheinlichkeit für einen Bruch des Drahts. Es liegt eine zuverlässige elektrische Kontaktierung des Bauelements des elektrischen Bauteils vor.
- – Der effiziente Abbau von Spannungsspitzen ist auch bei geringem, für den Draht als Kontaktierung des elektrischen Bauelements des Bauteils zur Verfügung stehenden Platz möglich. Es resultiert ein elektrisches Bauteil mit einem relativ geringem Platzbedarf.
- - Through appropriate structural and material measures, it is possible to efficiently redistribute mechanical stress peaks in a wire, which can be caused by the dynamic operation of an electrical component and distributed homogeneously along the wire.
- - Due to the homogeneous distribution of mechanical stresses results in a low probability of breakage of the wire. There is a reliable electrical contacting of the component of the electrical component.
- - The efficient removal of voltage peaks is also at low, for the wire as contacting the electrical component of the component available space possible. The result is an electrical component with a relatively small footprint.
Anhand einiger Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Based some embodiments and the associated Figures, the invention is described in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale illustrations represents.
Das
elektrische Bauteil
Zur
elektrischen Kontaktierung sind die Elektrodenschichten
Benachbarte
Piezoelemente
Die
Elektrodenschichten
Zur
elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten
Die
Drähte
In
einer ersten Ausführungsform
stehen die Drähte
Gemäß
Gemäß der
Die
Gemäß
In
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