Piezoaktor mit elektrischen Kontaktierungsstiften

Es wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise beschrieben, bei dem piezoelektrische Schichten und Elektrodenschichten alternierend übereinander zu einem Stapel angeordnet sind, wobei die Elektrodenschichten an gegenüberliegenden Seiten des Stapels aus diesem herausführen und über eine Außenelektrode elektrisch mit einem Kontaktstift verbunden sind. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Innenelektroden dehnt sich der Stapel senkrecht zu dem aus der angelegten Spannung resultierenden elektrischen Feld aus.

Mittels eines solchen Piezoaktors wird beispielsweise ein Ventilkolben eines Steuerventils betätigt, welches als Einspritzventil in einem Kraftfahrzeug dient.

Ein Piezoaktor ist beispielsweise in der WO 2005/035971 Al, der DE 196 48 545 Al und der DE 199 45 933 Cl beschrieben.

Es ist eine zu lösende Aufgabe, einen Piezoaktor anzugeben, welcher über eine hohe Zuverlässigkeit verfügt und mit einem möglichst einfachen Herstellungsverfahren hergestellt werden kann .

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Es wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise angegeben, bei dem piezoelektrische Schichten und Elektrodenschichten alternierend übereinander zu einem Stapel angeordnet sind, wobei die Elektrodenschichten an gegenüberliegenden Seiten des Stapels aus diesem herausführen und über eine Außenelektrode elektrisch mit einem Kontaktstift verbunden sind, wobei eine elektrische Verbindung zwischen einer der Außenelektroden und einem Kontaktstift über ein leitendes Zwischenelement hergestellt ist. Die zweite Außenelektrode kann auf die gleiche Weise mit einem Kontaktstift verbunden werden.

Es wird ein Piezoaktor angegeben, welcher eine Vielzahl dünner Folien aus Piezokeramik, die zu einem Stapel angeordnet sind, aufweist. Diese Folien sind beispielsweise aus Bleizirkonattitanat hergestellt. Zwischen den Schichten aus Piezokeramik liegen Elektrodenschichten. Es ist jedoch nicht unbedingt notwendig, auf jeder Folie aus Piezokeramik eine Elektrodenschicht aufzubringen. Je nach dem gewünschten spannungsabhängigen Verhalten des Piezostacks kann beispielsweise nur jede zweite Schicht aus Piezokeramik mit einer Elektrodenschicht versehen werden. Um diese Elektrodenschichten zu bilden, kann mittels eines Siebdruckverfahrens eine Metallpaste, zum Beispiel eine Silberpalladiumpaste oder eine kupferhaltige Paste, auf die Folien aufgebracht werden.

Des Weiteren ist bei der Herstellung eines Piezostacks darauf zu achten, dass in einem Piezostack, in dem die Elektrodenschichten wechselseitig aus dem Piezostack herausführen, die Elektrodenschichten nicht über die ganze Fläche einer Folie aus Piezokeramik reichen. Die jeweils freien Flächen auf einer Folie aus Piezokeramik, in denen sich benachbarte Elektrodenschichten in Stapelrichtung nicht überlappen, werden inaktive Zonen genannt. Die mit einer Elektroden- Schicht versehenen Flächen, welche einen Überlapp mit in Stapelrichtung benachbarten Elektrodenschichten aufweisen, werden als aktive Zone bezeichnet.

Eine Konstruktion eines Piezostacks, in dem aktive und inaktive Zonen gebildet sind, ermöglicht beispielsweise einen gemeinsamen Anschluss aller Elektrodenschichten mit gleicher Polarität .

Ein Nachteil einer Konstruktion eines Piezostacks, in dem aktive und inaktive Zonen gebildet sind ist, dass an den Übergangsbereichen zwischen aktiven und inaktiven Zonen häufig Verspannungen und Bruchstellen entstehen.

Nachdem aus den Folien mit den aufgebrachten Elektrodenschichten ein Stapel geformt wurde, werden an zwei gegenüberliegenden Außenflächen des Piezostacks die Außenelektroden aufgebracht. Eine Außenelektrode wird beispielsweise mittels einer Einbrennpaste, die durch ein Siebdruckverfahren auf die Außenseite des Stapels aufgebracht ist, hergestellt. Anschließend wird sie mit dem Piezostack gesintert. Um diese Außenelektroden leitend mit einem Kontaktstift und über diesen mit einer externen Spannungsquelle zu verbinden, kann beispielsweise eine so genannte Drahtharfe verwendet werden.

Eine solche Drahtharfe verbindet die Elektrodenschichten über die Außenelektrode mit dem Kontaktstift mittels eines dünnen Drahtes. Dieser elektrisch leitfähige Draht wird in einer Vielzahl von Windungen um den Piezostapel und die Anschlussstifte gewickelt. Anschließend wird dieser mit der Außenelektrode und den Kontaktstiften verlötet. In einem weiteren Prozessabschnitt werden die bestehenden Drahtverbindungen zwischen den beiden Außenelektroden durchtrennt und die Verbindung vollständig entfernt um die beiden Außenelektroden vollständig voneinander zu isolieren.

Nachdem die beiden Außenelektroden vollständig voneinander isoliert sind, kann eine Passivierung zum Schutz vor äußeren Einflüssen aufgetragen werden. Außerdem kann eine Folie auf den Kanten des Piezostacks als Kantenschutz aufgetragen sein. Anschließend kann dieser Grundkörper in Hülsen gesteckt und mit Kunststoff wie beispielsweise Silikon vergossen werden.

Da dieser langwierige Prozess nur bedingt automatisierbar ist, findet hier statt einer Drahtharfe ein leitendes Zwischenelement Verwendung, das aus möglichst wenigen Einzelteilen, bevorzugt aus einem einzigen Teil, besteht und zugleich stabil ist gegenüber Verspannungen, wie sie in einem oben beschriebenen Piezostack auftreten.

Vorzugsweise erstreckt sich das Zwischenelement über die gesamte Länge der Außenelektrode.

Dadurch, dass die Außenelektrode über die ganze Länge des Piezostacks ausgedehnt ist, werden alle Elektrodenschichten gleicher Polarität gemeinsam kontaktiert. In einem nachfolgenden Schritt wird das leitende Zwischenelement an der Außenelektrode angebracht. Das Zwischenelement hat die Aufgabe, eine möglichst stabile Verbindung zwischen der Außenelektrode und einem Kontaktstift zu gewährleisten.

Beispielsweise bei der Verwendung einer zylindrischen Drahtspirale als Zwischenelement kann jede Windung der Drahtspirale an der Außenelektrode festgelötet werden. Sollte bei dem Betrieb des Piezoaktors beispielsweise eine Kontaktstelle zwischen dem Zwischenelement und der Außenelektrode abreißen, so bleibt der Piezoaktor auch weiterhin betriebsbereit, da die Spannungsversorgung über die anderen Windungen aufrechterhalten werden kann.

Vorzugsweise weist das leitende Zwischenelement eine zylindrische Form auf.

Vorzugsweise ist das Zwischenelement, beispielsweise ein zylinderförmiges Zwischenelement, seitlich vom Piezostack angeordnet. Vorzugsweise ist der Piezoaktor frei von Zwischenelementen, die den Piezostack umschließen. In diesem Fall kann das Zwischenelement auf besonders einfache Weise am Piezostack angeordnet und befestigt werden. Beispielsweise liegt das Zwischenelement vor der Befestigung am Piezostack in seiner endgültigen äußeren Form vor, wird in dieser Form an den Piezostack herangeführt und an einer Außenseite des Piezostacks befestigt. Beispielsweise befindet sich der Piezostack bei einem zylindrischen Zwischenelement außerhalb des Innenraums der zylindrischen Form.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem leitenden Zwischenelement um eine Drahtspirale handelt.

Durch Anbringung einer beispielsweise zylindrischen Drahtspirale als Zwischenelement ist es möglich, eine elektrische Verbindung an einer Vielzahl von Stellen an der Außenelektrode herzustellen.

Vorzugsweise ist die verwendete Drahtspirale elastisch. Diese trägt dazu bei, dass eine Übertragung von Schwingungen auf den Kontaktstift vermindert wird, da die Drahtspirale auf Grund ihrer elastischen Eigenschaften die Dehnungen und Schwingungen des Piezostacks dämpfen kann. Der Kontaktstift kann beispielsweise an dieser Drahtspirale festgelötet sein und bleibt dadurch fest mit der Außenelektrode, und somit dem Stack, verbunden und wird so in seiner Position gehalten.

Ein elastisches Zwischenelement, das sich zusammen mit dem Piezostack ausdehnen und zusammenziehen kann, ist besonders von Vorteil, wenn beispielsweise eine Wechselspannung an den Piezostack angelegt wird und sich der Stack dann bei jedem Wechsel der Spannung ausdehnt beziehungsweise zusammenzieht. Durch diese dynamische Belastung können Risse an der Außenseite des Piezostacks entstehen, die bei Verwendung eines inelastischen Zwischenelements stellenweise einzelne Kontaktstellen abreißen lassen oder die Außenelektrode beschädigen. Im schlimmsten Fall würde dies zu einem kompletten Ausfall des Piezoaktors führen. Sollte der Piezoaktor beispielsweise einen Ventilkolben eines Steuerventils betätigen, welches als Einspritzventil in einem Kraftfahrzeug dient, dann muss der Piezoaktor umgehend ausgetauscht werden, um einen weiteren Betrieb des Einspritzventils und somit des Motors zu gewährleisten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform soll die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit der Spirale und die Anzahl der Elektrodenschichten pro Längeneinheit des Piezostacks nicht um mehr als 20 % voneinander abweichen.

Eine Spirale weist eine bestimmte Anzahl an Windungen auf. Diese Windungen der Spirale sind mit den Elektrodenschichten über die Außenelektrode verbunden. Damit sich die Drahtspirale bei der Ausdehnung des Stacks optimal an dessen Länge anpassen kann, muss sie zwischen den Kontaktstellen dehnbar sein und über eine der nötigen Belastbarkeit angepasste Federkonstante verfügen. Da die Ausdehnung des Stapels beim Anlegen einer Spannung proportional zur Anzahl der Schichten aus Piezokeramik ist, ist es notwendig, die Federkonstante der Drahtspirale an diese Gegebenheit anzupassen. Dies kann beispielsweise durch eine Anpassung der Windungen pro Längeneinheit, durch die Verwendung eines anderen Materials für die Spirale oder durch eine Veränderung der Form der Spirale erreicht werden.

Sollte es nun bei der Benutzung des Piezoaktors und der beim Betrieb auftretenden dynamischen Belastung zu Rissen oder zum Lösen einer Kontaktierung an einer Windung kommen, bleibt die elektrische Verbindung dennoch über eine Kontaktstelle an einer anderen Windung bestehen. Auf diese Weise kann eine hohe Lebensdauer eines solchen Piezoaktors erreicht werden, da eine dauerhafte und zuverlässige Verbindung zu einem externen elektrischen Anschluss hergestellt ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an dem Zwischenelement eine Stiftaufnahme zur Aufnahme des Kontaktstifts vorgesehen. Die Stiftaufnahme kann einen integralen Bestandteil des Zwischenelements bilden.

Mittels dieser Stiftaufnahme kann der Kontaktstift fest mit dem Zwischenelement, und somit mit dem Piezostack, verbunden werden. Ebenso ist der Kontaktstift mit dem Piezostack immer leitend verbunden und befindet sich im gleichen Abstand zum Stack.

Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass die Stiftaufnahme mehrere Elemente umfasst.

Der Vorteil besteht darin, dass die Anordnung der Kontaktstifte bezüglich des Piezostacks stabiler ist und sich die Kontaktstifte im weiteren Verlauf nicht mehr verschieben können. An je mehr Stellen der Kontaktstift mit dem Zwischenelement verbunden ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass durch die im Piezostack auftretenden Verspannungen der elektrische Kontakt zwischen dem Kontaktstift und dem Zwischenelement unterbrochen wird. Da der Piezostack mit dem angebrachten Zwischenelement und Kontaktstift vorzugsweise im weiteren Verlauf der Herstellung noch vergossen wird, ist es wichtig, dass die Kontaktstifte sich in einem fest definierten Abstand zum Piezostack befinden und dass diese eine feste Ausrichtung bezüglich des Piezostacks aufweisen.

Diese Ausrichtung bezüglich des Piezostacks kann erreicht werden, indem ein Zwischenelement Verwendung findet, welches über die nötige Steifigkeit und Festigkeit verfügt um eine Verdrehung oder Verschiebung der Kontaktstifte bezüglich des Piezostacks zu verhindern.

Beispielsweise weist die Stiftaufnahme wenigstens einen Ring auf. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Stiftaufnahme eine Mehrzahl von Ringen umfasst. Der wenigstens eine Ring der Stiftaufnahme kann durch einen Drahtabschnitt gebildet sein.

Die Ringe der Stiftaufnahme können den Kontaktstift eng umschließen, oder sie können auch mit dem Kontaktstift fest verlötet sein. Es ist auch möglich, dass den Kontaktstift eng umschließende Ringe mit diesem verlötet werden. Somit wird der Kontaktstift in unmittelbarer Nähe des Zwischenelements mechanisch gehalten. Die Ringe der Stiftaufnahme können sowohl am Zwischenelement, als auch an den Kontaktstiften befestigt sein. Weiterhin kann auch vorgesehen sein, dass die Stiftaufnahme mehrere Elemente umfasst, und diese beabstandet voneinander angeordnet sind.

Sollte der Kontaktstift an nur einer Stelle oder an mehreren Stellen, die direkt benachbart sind, befestigt sein, dann könnte ein auf den Kontaktstift ausgeübtes Drehmoment dafür sorgen, dass der betreffende Kontaktstift nicht mehr die passende Orientierung bezüglich des Piezostacks aufweist, welche für den späteren Anschluss an die Spannungsquelle nötig ist. Wird der Kontaktstift jedoch an mehreren Stellen, welche zueinander beabstandet sind, befestigt, so kann eine Verdrehung des Kontaktstifts bezüglich des Piezostacks vermieden werden.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Piezostack, das Zwischenelement und der Kontaktstift parallel zueinander angeordnet sind.

Besonders bevorzugt ist, dass ein Kontaktstift mittels eines Zwischenelements in konstantem Abstand zu dem Piezostack gehalten wird.

Die Anordnung in dieser Position und in einem bestimmten Abstand ist vorteilhaft für die spätere elektrische Kontak- tierung. Um den fertig produzierten Piezoaktor verwenden zu können, ist es vorteilhaft wenn dessen Kontaktstifte in vorher bestimmte Anschlüsse passen. Dies kann erreicht werden, indem die Kontaktstifte in einem festen Abstand zueinander angeordnet sind und eine feste Orientierung zueinander und zum Piezostack aufweisen. Dies kann beispielsweise mittels einer zylindrischen Drahtspirale erreicht werden. Um einen Piezostack zu kontaktieren, wird in einem ersten Schritt ein Kontaktstift an einem Zwischenelement befestigt. Dieses Zwischenelement wird dann, mit dem daran angebrachten Kontaktstift, an den Piezostack herangeführt und dort an der Außenelektrode des Piezostacks festgelötet.

Durch ein geeignetes Zwischenelement ist es möglich, den Kontaktierungsprozess zu automatisieren. Die Kontaktstifte und die Zwischenelemente können schon vorab produziert werden und müssen dann nur noch an der Außenelektrode des Piezostacks angebracht werden.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erklärt.

Es zeigt:

Figur Ia einen Piezoaktor mit über ein Zwischenelement mit den Elektrodenschichten verbundenen Kontaktstiften,

Figur Ib eine Draufsicht auf einen Piezoaktor mit einem über ein Zwischenelement mit den Elektrodenschichten verbundenen Kontaktstiften,

Figur 2a eine Drahtspirale mit angebrachter Stifthalterung sowie einem Kontaktstift,

Figur 2b eine Drahtspirale mit angebrachter Stifthalterung und einem in der Stifthalterung angebrachten Kontaktstift, Figur 2c wie zwei Drahtspiralen mit in der Stifthalterung angebrachtem Kontaktstift mit einem Piezostack verbunden werden.

Figur Ia zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Piezoak- tors 10. Deutlich sind die Elektrodenschichten 20 zu erkennen, welche wechselseitig aus dem Piezostack 12 herausführen. An der rechten und linken Seite des Piezostacks 12 ist die Außenelektrode 18 aufgebracht, wobei in der hier verwendeten Darstellung nur die rechte Außenelektrode 18 sichtbar ist.

Eine zylindrische Drahtspirale 16 ist über mehrere Kontaktstellen leitend mit der Außenelektrode 18 verbunden, so dass über diese Verbindung die an der jeweiligen Seite aus dem Piezostack 12 herausführenden Elektrodenschichten 20 elektrisch leitend nach außen verbunden werden können. Eine solche Verbindung wird über die an der zylindrischen Drahtspirale 16 angebrachten Kontaktstifte 14 hergestellt.

Diese Kontaktstifte 14 sind jeweils von zwei beabstandet angebrachten Ringen umgeben die als Stiftaufnahme dienen. Mittels dieser Kontaktstifte 14 kann eine Spannung an den Piezostack 12 angelegt werden. Dadurch, dass die Ringe nicht mit den Kontaktstiften 14 verlötet sind, sondern nur dicht mit ihnen abschließen ist die gesamte Konstruktion stabil aber trotzdem flexibel.

In Figur Ib ist eine Draufsicht des in Figur Ia beschriebenen Piezostacks 12 zu sehen. Dieser ist jedoch zusätzlich noch von einer Vergußmasse 26 umhüllt die zur Stabilität dient, sowie als Schutz vor Verschmutzung. In der Mitte der Zeichnung ist der Piezostack 12 zu sehen. Auf den Seitenflächen des Stacks ist die Außenelektrode 18, aus einer Einbrennpaste, die per Siebdruck am Piezostack 12 aufgetragen wurde, dargestellt.

Ebenfalls sind die zylindrischen Drahtspiralen 16 zu sehen, welche mit den Kontaktstiften 14 verbunden sind. Der diametral den Kontaktstiften gegenüberliegende Teil der zylindrischen Drahtspirale 16 ist mit der Außenelektrode 18 über verschiedene Kontaktstellen 24 verbunden. Der ganze Aufbau ist mit einer Vergußmasse 26, wie beispielsweise Silikon, umgeben. Die zylindrischen Drahtspiralen 16 sind seitlich vom Piezostack 12 angeordnet. Der Piezostack 12 ist nicht von Windungen der Drahtspiralen 16 umschlossen.

Figur 2a zeigt einen ersten Schritt um eine Verbindung zwischen einer Außenelektrode 18 und einer externen angelegten elektrischen Spannungsquelle herzustellen. Bei diesem wird eine zylindrische Drahtspirale 16, welche über eine Stiftaufnahme 22 verfügt, mit einem Kontaktstift 14 verbunden .

Figur 2b zeigt eine zylindrische Drahtspirale 16, die mit einem Federstift verbunden ist. Die Stiftaufnahme ist in dem dargestellten Fall aus zwei beabstandet angeordneten Ringen gestaltet, die den Kontaktstift fest umschließen und ihn so stabil festhalten. Diese zylindrische Drahtspirale 16 mit dem angebrachten Kontaktstift 14 ist sehr leicht zu produzieren, billig in der Herstellung und kann vorgefertigt werden, um dann in einem einzigen Arbeitsschritt am Piezostack befestigt zu werden.

Figur 2c zeigt dann einen Piezostack mit wechselseitig aus dem Piezostack herausführenden Elektrodenschichten und an gegenüberliegenden Seiten aufgebrachten Außenelektroden 18. An diese Außenelektroden 18 wird nun jeweils eine bereits vorgefertigte zylindrische Drahtspirale 16, welche mit einem Kontaktstift 14 verbunden ist, herangeführt. Anschließend wird der den Kontaktstiften 14 diametral gegenüberliegende Teil der zylindrischen Drahtspirale 16 über die gesamte Länge des Piezostacks 12 und somit der Außenelektrode 18 mittels Dampfphasenlöten an der Außenelektrode 18 befestigt. Dieser Piezostack 12 mit den beiden angebrachten zylindrischen Drahtspiralen 16 und den Kontaktstiften 14, kann anschließend noch mit einer Vergußmasse 26, wie beispielsweise Silikon, vergossen werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der vorliegenden Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein .

Bezugszeichenliste :

10 Piezoaktor

12 Piezostack

14 Kontaktstift

16 zylindrische Drahtspirale

18 Außenelektrode

20 Elektrodenschicht

22 Stiftaufnahme

24 Kontaktstellen

26 Vergußmasse