Piezoaktor mit Außenelektrode

Es wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise angegeben, der aus einer Vielzahl piezoelektrischer Schichten mit dazwischen liegenden Elektrodenschichten aufgebaut ist. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrodenschichten dehnen sich die piezoelektrischen Schichten aus, wodurch ein Hub erzeugt wird. Derartige Piezoaktoren werden beispielsweise zur Betätigung eines Einspritzventils in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Für einen zuverlässigen Betrieb des Piezoaktors müssen die Elektrodenschichten sicher elektrisch kontaktiert werden. Zudem gilt es, Kurzschlüsse zwischen Elektroden- schichten unterschiedlicher Polarität zu verhindern.

In den Druckschriften DE 19945933 Cl und WO 2005/035971 Al werden Piezoaktoren angegeben, bei denen die elektrische Kontaktierung der Innenelektroden mittels einer sogenannten Drahtharfe vorgenommen wird.

Es ist eine zu lösende Aufgabe, einen Piezoaktor mit einer Außenelektrode anzugeben, der kostengünstig herzustellen ist und eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber Kurzschlüssen aufweist.

Es wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise mit einem Stapel aus piezoelektrischen Schichten und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten angegeben. Die Elektrodenschichten werden über zwei Außenelektroden elektrisch kontaktiert. Wenigstens eine Außenelektrode weist eine Vielzahl von Drähten auf. Mittels einer derartigen Außenelektrode können die Elektrodenschichten zuverlässig elektrisch kontaktiert werden. Vorzugsweise sind die Drähte in Form einer Drahtharfe angeordnet, d. h. sie sind in einer Reihe angeordnet und verlaufen parallel zueinander. Eine Außenelektrode aus einer Vielzahl von Drähten ist vorzugsweise verformbar, so dass sie wenig anfällig für Risse in der Elektrode ist und darüber hinaus Risse im Piezoaktor gut überbrücken kann. Falls dennoch ein Riss in einem Draht auftreten sollte, so ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass sich der Riss in weitere Drähte ausbreitet. Somit kann eine sichere elektrische Kontaktierung gewährleistet werden.

Die Drähte sind in einem Befestigungsbereich an einer ersten Seitenfläche des Stapels befestigt und werden um die Kante des Stapels herumgeführt, die dem Befestigungsbereich am nächsten liegt.

Ein Befestigungsbereich ist ein Bereich der Oberfläche des Stapels, an dem die Drähte fest mit dem Stapel verbunden sind. Beispielsweise sind die Drähte mit einer auf der Stapeloberfläche aufgebrachten Grundmetallisierung verlötet. Der Befestigungsbereich kann sich auch aus mehreren Teilbereichen der Oberfläche zusammensetzen.

Durch das Herumführen der Drähte um eine Kante des Stapels ist die Außenelektrode an die äußere Form des Stapels angepasst. Beispielsweise werden die Drähte um die Längskante des Stapels herumgeführt. Dadurch, dass die Drähte um diejenige Kante des Stapels herumgeführt werden, die dem Befestigungsbereich am nächsten liegt, ist die benötigte Länge der Drähte gering und somit ist diese Ausführungsform besonders kostengünstig. Vorzugsweise verlaufen die Drähte senkrecht zur Stapelrichtung der piezoelektrischen Schichten.

Bei einer derartigen Anordnung ist nur eine geringe Drahtlänge nötig und es können zudem mechanische Spannungen besonders gut ausgeglichen werden. Dehnt sich der Piezoaktor in Stapelrichtung aus, so treten hier keine oder nur geringe mechanische Spannungen in der Außenelektrode auf. Zudem ist beim Auftreten von Rissen senkrecht zur Stapelrichtung die Wahrscheinlichkeit gering, dass hiervon ein Drahtabschnitt der Außenelektrode betroffen ist.

Vorzugsweise sind die Längen der Drähte im Bereich der ersten Seitenfläche kleiner oder gleich der halben Breite der ersten Seitenfläche.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Befestigungsbereich so gewählt, dass ein Scheuern der Drähte an den Kanten des Stapels vermieden werden kann.

Beispielsweise grenzt der Befestigungsbereich an die nächst- liegende Kante an.

In diesem Fall sind die Drähte im Bereich der Kante am Stapel fixiert, so dass sie sich bei einer Ausdehnung des Stapels mit dem Stapel mitbewegen. Somit führen die Drähte im Bereich der Kante keine Relativbewegung zur Kante aus und können dadurch nicht an der Kante scheuern. Ein Scheuern der Drähte am Stapel könnte zu Rissen in den Drähten und zum Ausfall der elektrischen Kontaktierung führen. Zudem kann die betroffene Kante des Stapels beschädigt werden, so dass ein Kurzschluss zwischen den Elektrodenschichten auftreten kann. Vorzugsweise sind die Drähte im Bereich der ersten Seitenfläche durchgehend mit dem Stapel verbunden.

Auf diese Weise kann eine zuverlässige Anbindung der Außen- elektroden an den Stapel erzielt werden.

Vorzugsweise sind die Drähte jenseits der ersten Seitenfläche gebogen, so dass sie zumindest teilweise parallel zu einer an die Kante angrenzenden zweiten Seitenfläche verlaufen.

Durch den parallelen Verlauf der Drähte zur zweiten Seitenfläche ist die Außenelektrode an die äußere Form des Stapels angepasst und somit wird eine platzsparende elektrische Kontaktierung erreicht.

Vorzugsweise weisen die Drähte jenseits der Kante einen Abstand zur zweiten Seitenfläche auf. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Drähte die zweite Seitenfläche nicht berühren .

Dies hat den Vorteil, dass die Drähte nicht an der zweiten Seitenfläche des Piezoaktors scheuern können. Zudem kann eine Weiterkontaktierung zum Beispiel in Form eines Kontaktstiftes zwischen der Außenelektrode und dem Piezoaktor angeordnet werden. Vorzugsweise ist der Kontaktstift vom Stapel beabstandet angeordnet. Auf diese Weise kann ein Verschleiß des Piezoaktors durch eine Reibung des Kontaktstiftes an der Stapeloberfläche vermieden werden.

Vorzugsweise ist der Piezoaktor ein monolithischer Viel- schichtaktor, der aus dünnen Folien eines piezoelektrischen Materials, beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), hergestellt wird. Zur Bildung der Elektrodenschichten kann mittels eines Siebdruckverfahrens eine Metallpaste, zum Beispiel eine Silber-Palladium-Paste, auf die Folien aufgebracht werden. Die Folien werden anschließend übereinander geschichtet, verpresst und gemeinsam gesintert. Die Elektrodenschichten sind vorzugsweise entlang der

Stapelrichtung des Piezoaktors abwechselnd mit zwei Außenelektroden verbunden.

Hierzu sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Elektrodenschichten in Stapelrichtung abwechselnd auf einen

Bereich einer Seitenfläche herausgeführt und weisen von einem Bereich einer weiteren Seitenfläche einen Abstand auf. Dabei ergeben sich im Stapel inaktive Zonen, in denen sich benachbarte Elektrodenschichten unterschiedlicher Polarität in Stapelrichtung nicht überlappen. Vorzugsweise erstreckt sich eine inaktive Zone in einer Ebene senkrecht zur Stapelrichtung nur über einen Teilbereich einer Seitenfläche, beispielsweise über einen Bereich, der an eine Kante des Stapels angrenzt. Dadurch dass sich die inaktiven Zonen nicht über eine gesamte Seitenfläche, sondern nur über einen

Teilbereich einer Seitenfläche erstrecken, können mechanische Spannungen klein gehalten werden.

Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten können angrenzend an inaktive Zonen leitfähige Schichten auf die Seitenflächen aufgebracht werden, die sich entlang der Stapelrichtung über den Stapel erstrecken. Beispielsweise befinden sich die leitfähigen Schichten bei entsprechender Anordnung der inaktiven Zonen auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Stapels und grenzen an zwei diagonal gegenüberliegende Längskanten des Stapels an. Die Drähte einer Außenelektrode können an den leitfähigen Schichten beispielsweise mittels Lötens oder Schweißens befestigt werden. Beispielsweise sind die Drähte mittels einer Lotschicht mit einer leitfähigen Schicht verbunden.

Bei einer alternativen Ausführungsform des Piezoaktors erstrecken sich die Elektrodenschichten über die gesamte

Querschnittsfläche des Stapels. Dies hat den Vorteil, dass im Stapel keine inaktiven Zonen ausgebildet sind und somit mechanische Spannungen reduziert werden. In diesem Fall können die Elektrodenschichten entlang der Stapelrichtung des Piezoaktors abwechselnd mit den Außenelektroden unterschiedlicher Polarität verbunden, indem jede Elektrodenschicht separat mit einem Draht einer Außenelektrode elektrisch verbunden wird. Entlang der Stapelrichtung sind dann die Elektrodenschichten abwechselnd mit einem Draht der ersten Außenelektroden und mit einem Draht der zweiten Außenelektrode kontaktiert.

Die Außenelektrode ist an ihrem freien Ende beispielsweise mittels eines Kontaktstiftes elektrisch angeschlossen, der vorzugsweise parallel zur Stapelrichtung ausgerichtet ist.

Somit wird eine besonders platzsparende Kontaktierung des Piezoaktors erreicht. Durch die elektrische Verbindung der Elektrodenschichten und dem Kontaktstift mittels Drähten ist der Kontaktstift vom Piezoaktor ausreichend mechanisch entkoppelt .

Im Folgenden werden der angegebene Piezoaktor und seine vorteilhaften Ausgestaltungen anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur IA einen Piezoaktor in einer perspektivischen Ansicht, Figur IB einen Piezoaktor gemäß Figur IA in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung,

Figur 2A einen Piezoaktor im Schnitt entlang der Stapelrichtung,

Figur 2B eine Ausführungsform für eine Außenkontaktierung eines Piezoaktors im Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung,

Figur 3A einen Piezoaktor im Schnitt entlang der Stapelrichtung,

Figur 3B eine alternative Ausführungsform für eine Außenkontaktierung eines Piezoaktors im Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung.

Figur IA zeigt einen Piezoaktor 1 in Vielschichtbauweise, bei dem eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten und dazwischen liegenden Elektrodenschichten entlang einer Stapelrichtung S zu einem Stapel 11 angeordnet sind. Figur IB zeigt eine Aufsicht auf einen derartigen Piezoaktor.

Der Stapel 11 weist zwei inaktive Zonen 3a, 3b auf, in denen sich in Stapelrichtung S benachbarte Elektrodenschichten unterschiedlicher Polarität nicht überlappen. Dazu sind die Elektrodenschichten abwechselnd nicht bis auf einen Bereich einer Seitenfläche 71a und einer gegenüberliegenden Seitenfläche 71b herausgeführt. Die inaktiven Zonen 3a, 3b erstrecken sich nur über jeweils einen Teilbereich von zwei ersten Seitenflächen 71a, 71b und reichen jeweils über eine Längskante 73a, 73b des Stapels 11. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten sind auf zwei ersten Seitenflächen 71a, 71b des Stapels 11 streifenförmige leitfähige Schichten 5a, 5b aufgebracht. Die leitfähigen Schichten 5a, 5b sind Grundmetallisierungen, die analog zu den Elektrodenschichten mittels einer Einbrandpaste erzeugt werden. Die leitfähigen Schichten 5a, 5b grenzen an die inaktiven Zonen 3a, 3b an und erstrecken sich über die gesamte Länge des Stapels 11. An jeder leitfähigen Schicht 5a, 5b ist eine Außenelektrode 4a, 4b angelötet.

Jede Außenelektrode 4a, 4b weist eine Vielzahl von Drähten 41 auf, die senkrecht zur Stapelrichtung S verlaufen. Die Drähte 41 sind auf ersten Seitenflächen 71a, 71b in Befestigungsbereichen 2a, 2b an leitfähigen Schichten 5a, 5b befestigt und um die angrenzenden Längskanten 73a, 73b herumgeführt. Die Befestigungsbereiche 2a, 2b grenzen an die nächstlie- genden Längskanten 73a, 73b an. Somit kann ein Scheuern der Drähte 41 an den Längskanten 73a, 73b und damit ein Verschleiß durch eine unmittelbare Reibung der Drähte 41 an den Längskanten 73a, 73b verhindert werden. Im Bereich der ersten Seitenfläche 71a, 71b sind die Drähte 41 durchgehend mit dem Stapel 11 verbunden.

Im Bereich einer zweiten Seitenfläche 72a, 72b ist das freie Ende 42a, 42b jeder Außenelektrode 4a, 4b mit einem

Kontaktstift 6a, 6b verbunden. Die Kontaktstifte 6a, 6b sind von den zweiten Seitenflächen 72a, 72b beabstandet, so dass ein Scheuern der Kontaktstifte 6a, 6b an den Seitenflächen 72a, 72b verhindert wird.

Die Außenelektroden 5a, 5b sind jeweils um die Längskante 73a, 73b herumgeführt, die an die leitfähige Schicht 5a, 5b auf der jeweils ersten Seitenfläche 71a, 71b angrenzt. Jenseits der Längskante 73a, 73b verlaufen die Drähte 41 zumindest in einem Teilbereich parallel zu einer an die Längskante 73a, 73b angrenzenden zweiten Seitenfläche 72a, 72b und weisen zu der zweiten Seitenfläche 72a, 72b einen Abstand auf. Dadurch wird ein Scheuern der Drähte 51 an den zweiten Seitenflächen 72a, 72b des Piezoaktors 1 verhindert. Das freie Ende 42a, 42b einer Außenelektrode 4a, 4b ist mit einem Kontaktstift 6a, 6b verbunden, der zwischen der jeweiligen Außenelektrode 4a, 4b und der zweiten Seitenfläche 72a, 72b angeordnet ist. Die Kontaktstifte 6a, 6b erstrecken sich entlang der Stapelrichtung. Die Drähte 41 enden auf Höhe der Mitte der jeweiligen zweiten Seitenfläche 72a, 72b.

Figur 2B zeigt eine erste Ausführungsform für eine Außen- kontaktierung eines Piezoaktors im Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung. Der Querschnitt ist hierbei entlang der in Figur 2A eingezeichneten Linie ausgeführt und in einer Aufsicht entsprechend den mit A gekennzeichneten Pfeilen zu sehen. Der Piezoaktor 1 ist mit einer Vergussmasse 81, z. B. Silikon, vergossen und von einer Kunststoffhülse 82 umgeben. Mittels der Vergussmasse können der Piezoaktor 1 und die Kontaktstifte 6a, 6b in einer gewünschten Position fixiert werden .

Figur 3B zeigt eine alternative Ausführungsform für eine

Außenkontaktierung eines Piezoaktors im Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S. Der Querschnitt ist hierbei entlang der in Figur 3A eingezeichneten Linie ausgeführt und in einer Aufsicht entsprechend den mit A gekennzeichneten Pfeilen zu sehen.

Bei dieser Ausführungsform sind die Außenelektroden 4a, 4b ebenfalls an leitfähigen Schichten 5a, 5b befestigt, die sich im Bereich von Längskanten 73a, 73b des Stapels 11 befinden. Die Außenelektroden 4a, 4b sind hier jedoch jeweils um diejenige Längskante 74a, 74b herumgeführt, die nicht an die leitfähigen Schichten 5a, 5b angrenzt.

In diesem Fall sind die Außenelektroden 4a, 4b zudem nicht mit der jeweils ersten Seitenfläche 71a, 71b fest verbunden, sondern heben zum Teil von ihr ab. Dies führt dazu, dass sich bei einer Ausdehnung des Stapels die Außenelektroden 4a, 4b im Bereich der ersten Seitenflächen 71a, 71b und der Längskanten 74a, 74b relativ zum Stapel 11 bewegen und so an der Seitenfläche oder einer Kante des Stapels 11 scheuern können. Zum Schutz vor Beschädigungen ist der Stapel 11 an seinen Seitenflächen 71a, 71b, 72a, 72b von einer Passivierungs- schicht 92 umgeben. Auf die Längskanten 74a, 74b, um die die Außenelektroden 5a, 5b herumgeführt sind, sind zum Schutz zusätzlich Kaptonfolien 91 aufgebracht.

Im Gegensatz dazu ist in der in Figur 2B gezeigten Ausführungsform keine Passivierungsschicht 92 und keine Kaptonfolie 91 nötig, da hier ein Scheuern der Drähte 41 schon durch die Anordnung der Außenelektroden 4a, 4b auf dem Stapel 11 verhindert werden kann. Zudem ist bei einem Herumführen der Außenelektrode 4a, 4b um die Längskante 73a, 74b, die an die jeweilige leitfähige Schicht 5a, 5b angrenzt, eine kürzere Drahtlänge erforderlich als bei dem in Figur 3B gezeigten Ausführungsbeispiel. Somit ist die in Figur 2B gezeigte Außenkontaktierung besonders kostengünstig.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung an Hand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugs zeichenliste

I Piezoaktor

II Stapel 2a, 2b Befestigungsbereich

3a, 3b Inaktive Zone

4a, 4b Außenelektrode

41 Draht

42a, 42b freies Ende 5a, 5b leitfähige Schicht

6a, 6b Kontaktstift

71a, 71b erste Seitenfläche

72a, 72b zweite Seitenfläche

73a, 73b, 74a, 74b Längskante 81 Vergussmasse

82 Kunststoffhülse

91 Kaptonfolie

92 Passivierungsschicht

S Stapelrichtung