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Title:
CONNECTING PIEZOACTUATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/027235
Kind Code:
A1
Abstract:
The production of a piezoactuator (10) requires the use of usually soldered contacting elements. The contact producing process is simplified when the contacts are embodied in the form of contact surfaces (30, 32) on a profiled sheet (12) which is fixed to the external surface (16) of a plastic cage (14). Piezoceramics (26) is introduced into the cavity (18) of said plastic cage (14).

Inventors:
SCHUERZ WILLIBALD (DE)
SIMMET MARTIN (DE)
Application Number:
PCT/EP2004/051015
Publication Date:
March 24, 2005
Filing Date:
June 03, 2004
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
SCHUERZ WILLIBALD (DE)
SIMMET MARTIN (DE)
International Classes:
H01L41/047; H01L41/083; (IPC1-7): H01L41/083; H01L41/047
Domestic Patent References:
WO2004027887A22004-04-01
WO2004004021A22004-01-08
WO2000063980A12000-10-26
WO2003005490A22003-01-16
Foreign References:
EP1257006A12002-11-13
US5271133A1993-12-21
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Piezoaktor (10) mit einer Piezokeramik (26), die sich beim Anlegen einer Spannung ausdehnen kann und Kontaktierungen, die an der Piezokeramik (26) anliegen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kontaktierungen als Formbleche (12) ausgeführt sind, die voneinander beabstandete Kontaktflächen (30,32) aufweisen.
2. Piezoaktor (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Formbleche (12) gebogen sind.
3. Piezoaktor (10) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekenn zeichnet, dass die Formbleche (12) so gebogen sind, dass sich die Kontaktflächen (30,32) mit einer vorgegebenen Kraft an der Piezokeramik (26) zum Bilden eines elektrischen Kontakts pressen.
4. Piezoaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass an der Piezokeramik (26) eine vorzugs weise seitlich entlang der Piezolängsachse verlaufende Metal lisierung (28) vorgesehen ist, an der die Kontaktflächen (30,32) anliegen, wobei die Kontaktflächen vorzugsweise orts fest im Bezug auf die Berührflächen der Metallisierung (28) sind, so dass bei axialer Auslenkung der Piezokeramik (10) keine reibende Relativbewegung zwischen Kontaktflächen (30,32) und Metallisierung entsteht.
5. Piezoaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (30,32) so ausgeführt sind, dass die ersten Kontaktflächen (30) eine erste Kontakt bahn (36) und die zweiten Kontaktflächen (32) eine zweite Kontaktbahn (34) bilden.
6. Piezoaktor (10) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kontaktflächen (30,32) der beiden Kontaktbahnen (34,36) in Längsrichtung der Piezokeramik (26) erstrecken.
7. Piezoaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Formbleche (12) an einer Außenfläche (18) eines Kunststoffkäfigs (14) befestigt sind und die Pie zokeramik (26) in einem Hohlraum (18) des Kunststoffkäfigs positioniert ist.
8. Piezoaktor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Formbleche (12) an Befesti gungspunkten (20) des bzw. eines Kunststoffkäfigs (14) befes tigt, vorzugsweise verstemmt sind.
9. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors (10) mit einer Piezokeramik (26) und einer Kontaktierung dadurch gekenn zeichnet, dass die Kontaktierung als Kontaktflächen (30,32) an einem gebogenen Formbleche (12) ausgebildet werden, wobei die Kontaktflächen (30,32) voneinander beabstandet sind, die Formbleche (12) an der Außenfläche (18) eines Kunststoffkä figs (14) befestigt wird und die Piezokeramik (26) in einen Hohlraum (18) des Kunststoffkäfigs (14) so eingeschoben wird, dass die Kontaktflächen (30,32) an einer Metallisierung (28) der Piezokeramik (26) anliegen.
10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Formbleche (12) so gebogen werden, dass sie nach dem Ein schieben der Piezokeramik (26) mit einer definierten Kraft anliegen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10 dadurch ge kennzeichnet, dass die Formbleche (12) geätzt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 dadurch ge kennzeichnet, dass die Formbleche (12) an Befestigungspunkten (20) des Kunststoffkäfigs (14) befestigt, insbesondere ver stemmt werden.
Description:
Beschreibung Kontaktierter Piezoaktor Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einer Piezokera- mik, die sich beim Anlegen einer Spannung ausdehnen kann und einer Kontaktierung, die an der Piezokeramik anliegt sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Beim Einsatz derartiger piezo-elektrischer Bauteile, die ins- besondere aus Piezokeramiken hergestellt sind, wird der Ef- fekt genutzt, dass diese beim Anlegen eines mechanischen Drucks oder Zuges eine Spannung erzeugen oder umgekehrt, beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezoaktor eine Ausdehnung des Aktors erreicht werden kann. Um die nutzbare Ausdehnungslänge zu vergrößern, werden monolithische Viel- schichtaktoren verwendet, die aus einem gesinterten Stapel dünner Folien aus Piezokeramik mit eingelagerten Innenelekt- roden bestehen. Die Innenelektroden sind wechselseitig aus dem Stapel herausgeführt und über Außenelektroden elektrisch parallel geschaltet. Bevorzugt wird auf beiden Kontaktseiten des Stapels jeweils eine streifen-oder bandförmige durchge- hende Außenmetallisierung aufgebracht. Die Außenmetallisie- rung ist mit allen Innenelektroden gleicher Polarität verbun- den. Zwischen der Außenmetallisierung und den elektrischen Anschlüssen wird häufig noch eine in vielen Formen ausführba- re Weiterkontaktierung vorgesehen. Legt man nun eine elektri- sche Spannung an die Außenmetallisierung an, so dehnt sich die Piezofolie in Richtung des angelegten Feldes. Durch die mechanische Serienschaltung der einzelnen Piezofolien wird die sogenannte Nenndehnung des gesamten Stapels schon bei re- lativ niedrigen Spannungen erreicht.

Aus der EP 0 844 678 AI ist ein Kontaktierungsverfahren be- kannt, mit dessen Hilfe eine Piezokeramik so kontaktiert wer- de kann, dass auch bei hohen dynamischen Belastungen keine Zerstörung des Piezoaktors eintritt. Hierzu wird zwischen der

Grundmetallisierung der Piezokeramik und den Anschlusselemen- ten eine dreidimensional strukturierte elektrisch leitende E- lektrode angeordnet. Diese Elektrode ist über partielle Kon- taktstellen mit der Grundmetallisierung der Piezokeramik ver- bunden. Zwischen den Kontaktstellen ist sie dehnbar ausgebil- det. Mit dieser Anordnung ist gewährleistet, dass der Be- triebsstrom des Aktors in Nebenströme aufgeteilt wird, wobei diese von den Kontaktstellen über die Grundmetallisierung zu den metallischen Inselelektroden fließen. Somit kann gewähr- leistet werden, dass auch eine dynamische Belastung des Pie- zoaktors nicht zu seiner Zerstörung führt. Dabei ist die Kon- taktierung allerdings technisch komplex und teuer in seiner Ausführung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Piezo- aktor und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, der einfach und kostengünstig elektrisch kontaktiert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch diem Merkmale der unabhängigen An- sprüche gelöst.

Der Piezoaktor weist entsprechend eine Piezokeramik auf, die sich beim Anlegen einer Spannung ausdehnt. Kontaktierungen sind vorgesehen, um die Spannung an der Piezokeramik anzule- gen. Diese Kontaktierungen sind dabei als gebogene Formbleche ausgeführt, wobei die Formbleche voneinander beabstandete Kontaktflächen aufweisen, die die Kontaktierung bilden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Formblech gebo- gen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Biegung der Formbleche so ausgestaltet, dass die Kontaktflä- chen mit einer definierten Kraft an der Piezokeramik anlie- gen.

An der Piezokeramik ist eine Metallisierung vorgesehen, die mit den Kontaktflächen in Verbindung steht. Die Kontaktflä

chen an dem Formblech können so ausgeführt sein, dass sie zwei in Längsrichtung des Formbleches verlaufende Kontaktbah- nen bilden, die voneinander beabstandet sind. Damit erstre- cken sich die Kontaktbahnen in Längsrichtung der Piezokera- mik.

Weiterhin können die Formbleche an der Außenfläche eines Kunststoffkäfigs befestigt werden. Die Piezokeramik wird in dieser Ausführungsform im Inneren des Kunststoffkäfigs so po- sitioniert, dass die Kontaktflächen der Formbleche eine Me- tallisierung der Piezokeramik berühren.

Zur Herstellung des Piezoaktors werden die Kontaktflächen an einem gebogenen Formblech ausgebildet. Die Kontaktflächen sind dabei voneinander beabstandet. Das Formblech wird an der Außenfläche eines Kunststoffkäfigs befestigt. Die Piezokera- mik wird in das Innere des Kunststoffkäfigs so eingeschoben, dass die Kontaktflächen an einer Metallisierung der Piezoke- ramik anliegen.

Bevorzugt werden die Formbleche so gebogen, dass die Kontakt- flächen nach dem Einschieben der Piezokeramik in den Kunst- stoffkäfig mit einer definierten Kraft anliegen.

Die Formbleche können zur besseren Kontaktherstellung geätzt werden. Die Befestigung der Formbleche an der Außenseite des Kunststoffkäfigs kann insbesondere durch Verstemmen erfolgen.

Die Formbleche sind so gebogen, dass sich die Kontaktflächen mit einer vorgegebenen Kraft an die seitlich an der Piezoke- ramik verlaufenden Metallisierung pressen. Die Kontaktflächen sind dabei vorzugsweise ortsfest im Bezug auf die Berührflä- chen der Metallisierung sind, so dass vorteilhaft bei axialer Auslenkung der Piezokeramik keine reibende Relativbewegung zwischen Kontaktflächen (30,32) und Metallisierung entsteht,

was zur zeitweisen Unterbrechung der Kontaktierung führen könnte.

Mit diesem modularen Aufbau der Kontaktierung und der Ausfüh- rung als Schleifkontakt kann die Piezokeramik kontaktiert werden, ohne, dass eine Löten der einzelnen Kontaktstellen erforderlich ist. Der modulare Aufbau und das Einschieben der Komponenten ineinander ermöglicht es, dass der Piezoaktor einfach und kostengünstig herstellbar ist, da auf komplizier- te Arbeitsschritte verzichtet und auf einfache Materialien zurückgegriffen werden kann.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Er- findung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibungsteile. Es zeigen im Einzelnen : Fig. 1 : eine schematische Ansicht der Einzelkomponenten des Piezoaktors Fig. 2 : einen fertig montierten Piezoaktor Fig. 3 : einen vergrößerten Ausschnitt der an den Piezoaktor anliegenden Kontaktflächen.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die einzelnen Komponenten des Piezoaktors 10 (Fig. 2). Dabei werden zu- nächst zwei Formbleche 12 zur Verfügung gestellt. Die beiden Formbleche 12 sind gebogen und bevorzugt geätzt. Ein Kunst- stoffkäfig 14, der eine Außenfläche 16 und einen Hohlraum 18 aufweist, wird ebenfalls bereitgestellt. Die Biegung der Formbleche 12 wird dabei so ausgeführt, dass die Bleche 12 an der Außenfläche 16 angebracht werden können, wobei der Kunst- stoffkäfig 14 umhüllt wird. Zum Anbringen der Formbleche 12 sind an der Oberfläche 16 des Kunststoffkäfigs 14 bevorzugt Befestigungspunkte 20 vorgesehen, mit deren Hilfe die Form- bleche befestigt werden können. Hierzu sind an den Formble- chen 12 Gegenstücke zu den Befestigungspunkten 20 etwa in Form von Hohlräumen oder Löchern 22 vorgesehen. Damit können

die Formbleche an den Befestigungspunkten 20 beispielsweis- verstemmt werden. An den Formblechen 12 können weiterhin Kon- taktdrähte 24 angebracht, insbesondere gelötet oder ange- schweißt werden.

In den Hohlraum 18 des Kunststoffkäfigs 14 kann eine Piezoke- ramik 26 eingeschoben werden. Die äußere Form der Piezokera- mik 26 ist dabei an die Form des Hohlraums 18 angepasst. Um die Piezokeramik 26 kontaktieren zu können weist sie zumin- dest einen Teilbereich 28 auf, der metallisiert ist.

Da die Biegung der Formbleche 12 so vorgesehen ist, dass die Kontaktflächen 30,32 mit einer definierten Kraft an der Me- tallisierung 28 anliegen, kann bereits mit dem Einschieben der Piezokeramik 26 eine Kontaktierung an der Metallisierung 28 hergestellt werden. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Kontaktierung durch Löten von einzelnen Kontaktstellen zustande gebracht wird.

Wie der Figur 2 zu entnehmen ist, weist der so hergestellte Piezoaktor 10 gebogene Formbleche 12 auf die auf den Kunst- stoffkäfig 14 außen aufgebracht sind. In einem inneren Hohl- raum des Kunststoffkäfigs 14 ist die Piezokeramik 26 einge- bracht. Zur Kontaktierung des Piezoaktors 10 können Kontakt- drähte 24 an den Außenflächen der Formbleche 12 montiert sein. Der so hergestellt Piezoaktor kann anschließend mit ei- ner isolierenden Folie umwickelt und so weit erforderlich zu einer Aktoreinheit komplettiert werden.

Wie in der vergrößerten Darstellung der Figur 3 dargestellt ist, sind die Kontaktflächen 30 und 32 bevorzugt so angeord- net, dass die Kontaktflächen 30 eine erste Kontaktbahn 36 und die Kontaktflächen 32 eine zweite Kontaktbahn 34 bilden. In Erstreckungsrichtung der Piezokeramik 26 weisen die Kontakt- flächen 30 und 32 eine gewisse Überdeckung auf, sodass an je- der Stelle der Metallisierung 28 eine Verbindung zur Piezoke- ramik besteht.