Stapelbares piezoelektrisches Aktorbauelement

Die Erfindung betrifft ein stapelbares piezoelektrisches Bau ^¬ element, das sich mit einem weiteren stapelbaren piezoelektrischen Bauelement koppeln lässt.

Ein Piezoaktor weist eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten auf, zwischen denen jeweils Elektrodenschichten angeordnet sind. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrodenschichten dehnen sich die piezoelektrischen Schichten aus, wodurch ein Hub erzeugt wird. Dabei ist die Ausdehnung des Aktors mit der Länge des Aktors verknüpft. Bei einer vorgegebenen Arbeitsspannung ist die mögliche Längenänderung eines Aktors proportional zur Länge des Aktors. Bei ^¬ spielsweise können 1 f ₀ bis 1,5 f ₀ der Länge eines Aktors als Ausdehnung erzielt werden.

Derartige Piezoaktoren werden in vielfältigen Anwendungsbereichen, beispielsweise zur Betätigung eines Einspritzventils in einem Kraftfahrzeug, eingesetzt. Die Piezoaktoren werden für Serienanwendungen im Allgemeinen als anwendungsspezifische Produkte angeboten. Ein Piezoaktor wird somit von einem Hersteller speziell für die beim Endkunden vorgesehene späte ^¬ re Anwendung designed. Zwar können Piezoaktoren grundsätzlich in verschiedener Größe kombiniert werden, jedoch ist damit meistens ein erheblicher Positionierungs- und Kontaktierungs- aufwand verbunden.

Figur 1 zeigt ein Beispiel einer Serienschaltung von drei Ak- toren 1, 2 und 3 mit jeweils einer elektrischen Kontaktierung 5, beispielsweise einer Sieb-Außenkontaktierung . Die Aktoren sind zwischen zwei Aufnahmen 4 eingespannt. Jeder Aktor wird über seinen eigenen elektrischen Anschluss 5 kontaktiert, sodass insgesamt bei dem Beispiel der Figur 1 sechs Spannungs- zuführungsleitungen erforderlich sind. Dadurch entsteht ein erheblicher Verdrahtungsaufwand mit entsprechendem Platzbe ^¬ darf .

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, muss ein Anwender, der die Aktoren in der in Figur 1 gezeigten Weise stapelt, die einzelnen Aktoren exakt entlang einer Kraftachse positionieren. Da die gestapelten Aktoren untereinander kein mechanisch stabiles Element bilden und erst durch Einspannung in die Aufnahmen 4 fixiert werden, gestaltet sich die Positi ^¬ onierung der Aktoren untereinander schwierig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein stapelbares piezoelektrisches Aktorbauelement anzugeben, das auf einfache Weise mit weiteren piezoelektrischen Aktorbauele ^¬ menten kombiniert werden kann, sodass eine stabile Anordnung von Piezoaktoren verschiedener Größe ermöglicht wird.

Eine Aus führungs form eines stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements umfasst einen Stapel aus piezoelektrischen Schichten und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten, eine außerhalb des Stapels angeordnete Spannungszuführungs- einrichtung zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten, einen Kontaktanschluss zum Anlegen einer Spannung an die Spannungszuführungseinrichtung und einen weiteren Kontaktanschluss, der elektrisch mit der Spannungszuführungseinrichtung gekoppelt ist. Der Kontaktanschluss und der weitere Kontaktanschluss sind derart komplementär zueinander ausge ^¬ bildet, dass ein weiteres des stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements, das mindestens einen des Kontaktanschlusses und des weiteren Kontaktanschlusses aufweist, mit dem Aktor ^¬ bauelement elektrisch koppelbar ist.

Mittels der zueinander komplementär ausgeführten Kontakte wird es ermöglicht, das Aktorbauelement und das weitere Ak ^¬ torbauelement miteinander elektrisch als auch mechanisch stabil zu koppeln. Der Kontaktanschluss eines der Aktorbau ^¬ elemente des Stapels bildet einen gemeinsamen elektrischen Anschlusskontakt nach außen, über den die gesamte Aktorsteckverbindung elektrisch kontaktiert werden kann. Des Weiteren bewirkt die mechanische Steckverbindung der Kontaktanschlüsse und der komplementären Kontaktanschlüsse eine Ausrichtung der piezoelektrischen Schichtanordnungen untereinander.

Die stapelbaren Piezoaktoren können als standardisierte Piezoaktoren (Commodity Aktoren) hergestellt werden. Derartige Aktoren sind universell technisch einsetzbar und können von einem Nutzer zur Erfüllung unterschiedlichster Anforderungen kombiniert werden. Beispielsweise können die einzelnen Akto ^¬ ren eine unterschiedliche Länge aufweisen. Wenn die Aktoren Längen von 1 cm, 2 cm und 3 cm aufweisen, kann durch geeignete Kombination der Einzelaktoren eine gestapelte Anordnung mit nahezu beliebiger Länge aufgebaut werden.

Weitere Aus führungs formen des stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Aus führungs form einer Serienschaltung von Aktoren, Figur 2A eine Aus führungs form eines stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements in einer Queransicht,

Figur 2B eine Aus führungs form eines stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements in einer Draufsicht,

Figur 3A eine weitere Aus führungs form eines stapelbaren pie zoelektrischen Aktorbauelements in einer Queransicht,

Figur 3B eine weitere Aus führungs form eines stapelbaren pie zoelektrischen Aktorbauelements in einer Draufsicht,

Figur 4A eine Unterseite einer Aus führungs form eines Stapel baren piezoelektrischen Aktorbauelements,

Figur 4B eine Seitenansicht einer Aus führungs form eines sta pelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements,

Figur 4C eine Oberseite einer Aus führungs form eines stapel ^¬ baren piezoelektrischen Aktorbauelements,

Figur 5 eine Kopplung von mehreren stapelbaren piezoelektrischer Aktorbauelementen.

Figur 2A zeigt eine Aus führungs form eines stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements in einer Queransicht. Das Ak ^¬ torbauelement weist einen Stapel 10 aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 11 mit dazwischen liegenden ersten und zweiten Elektrodenschichten 12 auf. Zum Betreiben de Aktorbauelements werden die ersten und zweiten Elektrodenschichten entlang der Stapelrichtung des Piezoaktors abwechselnd mit Außenelektroden unterschiedlicher Polarität verbun den. Dazu sind zwei Spannungszuführungseinrichtungen 20 vorgesehen, die außerhalb des Schichtstapels 10 angeordnet sind. Die Spannungszuführungseinrichtungen können jeweils als zylinderförmiger Kontaktstift, beispielsweise als beschichteter Pin aus Stahl, Bronze oder Kupfer, ausgebildet sein. Zur Zuführung der über die Spannungszuführungseinrichtungen bereitgestellten Spannung zu den Elektrodenschichten 12 ist mindestens ein Draht 50, der außerhalb des Schichtstapels 10 ange ^¬ ordnet ist, vorgesehen. Jede der Spannungszuführungseinrich- tungen 20 ist über mindestens einen Draht 50 mit dem Schicht ^¬ stapel 10 beziehungsweise mit den ersten oder zweiten Elekt ^¬ rodenschichten verbunden. Bei der in Figur 2A gezeigten Ausführungsform des Aktorbauelements sind mehrere Drähte 50 vor ^¬ gesehen, die untereinander parallel angeordnet sind und mit den Spannungszuführungseinrichtungen verlötet oder verschweißt sein können. Entlang des Schichtstapels 10 sind die Elektrodenschichten 12 abwechselnd über jeweils mindestens einen Draht 50 mit der einen oder anderen Spannungszufüh- rungseinrichtung 20 kontaktiert.

Der Schichtstapel 10, die Spannungszuführungseinrichtungen 20 und der mindestens eine Draht 50 sind von einem Gehäusekörper 60 zum Schutz umgeben. Zwischen dem Gehäusekörper 60 und dem Stapel 10 aus den piezoelektrischen Schichten und den Elektrodenschichten ist ein Vergussmaterial 70, beispielsweise ein Material aus Silikon, vorgesehen. Der Gehäusekörper kann aus einem Material aus Kunststoff, beispielsweise aus PA (Polya ^¬ mid) oder einem PBT ( Polybutylenteraphtalat ) hergestellt sein. Die Spannungszuführungseinrichtungen 20 und der mindestens eine Draht 50 können zwischen dem Gehäusekörper 60 und dem Schichtstapel 10 angeordnet beziehungsweise in das Ver ^¬ gussmaterial 70 eingebettet sein. Bei der in Figur 2A gezeigten Aus führungs form eines stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements verlaufen die Span- nungszuführungseinrichtungen 20 zur elektrischen Kontaktie- rung der Elektrodenschichten 12 außerhalb des Stapels 10 jeweils entlang einer Seitenfläche SlOc beziehungsweise einer dazu gegenüberliegenden Seitenfläche SlOe des Stapels 10 von einer Stirnseite SlOa des Stapels zu einer gegenüberliegenden Stirnseite SlOb des Stapels. Die Spannungszuführungseinrich- tungen 20 weisen des Weiteren einen ersten Endbereich E20a und E20b auf, wobei der Endbereich E20a näher an der Stirnseite SlOa des Stapels als der Endbereich E20b liegt und der Endbereich E20b näher an der Stirnseite SlOb des Stapels 10 angeordnet ist. Zum Anlegen einer Spannung an die Spannungs- zuführungseinrichtungen 20 ist für jede Spannungszuführungs- einrichtung jeweils ein Kontaktanschluss 30 vorgesehen. Des Weiteren sind zu dem Kontaktanschluss 30 komplementär ausge ^¬ bildete Kontaktanschlüsse 40 vorgesehen. Die Kontaktanschlüs ^¬ se 30 und 40 sind somit zum elektrischen und/oder mechanischen Koppeln mit dem jeweils anderen Kontaktanschluss ausge ^¬ bildet .

Bei der in Figur 2A gezeigten Aus führungs form ist der Kontaktanschluss 30 an dem ersten Endbereich E20a jeder der Spannungszuführungseinrichtungen 20 angeordnet. Der Kontaktanschluss 40 ist an dem Endbereich E20b jeder der Spannungs- zuführungseinrichtungen angeordnet. Die Kontaktanschlüsse 30 können beispielsweise als Verlängerung der jeweiligen Span- nungszuführungseinrichtungen 20 ausgebildet sein. Der Kontaktanschluss 30 kann als ein zylinderförmiger Kontaktstift ausgebildet sein. Dazu komplementär kann der Kontaktanschluss 40 als ein zylinderförmiger Hohlkörper beziehungsweise als eine Hülse zur Aufnahme des zylinderförmigen Kontaktstiftes 30 ausgebildet sein. Figur 2B zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite SlOb der in Figur 2A gezeigten Aus führungs form des stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements 100. Der Gegenkontakt 40, der jeweils am hinteren Endbereich E20b der Spannungszuführungs- einrichtung 20 ausgebildet ist, ist über mindestens einen Draht 50 mit den ersten oder zweiten Elektrodenschichten des Stapels 10 verbunden.

In den Figuren 3A und 3B ist eine weitere Aus führungs form des stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements gezeigt. Im Folgenden wird lediglich auf die Unterschiede zu der in den Figuren 2A und 2B vorgestellten Aus führungs form hingewiesen.

Bei der in Figur 3A dargestellten Aus führungs form eines stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements ist im Unterschied zu der in den Figuren 2A und 2B gezeigten Ausführungsform der zu dem Kontaktanschluss 30 komplementär ausgebilde ^¬ ten Kontaktanschluss 40 nicht als Verlängerung der Spannungs- zuführungseinrichtung 20 ausgebildet. Stattdessen ist der Kontaktanschluss 40 als ein zu der Spannungszuführungsein- richtung 20 räumlich versetzt angeordnetes Bauteil ausge ^¬ führt. Der Kontaktanschluss 30 kann weiterhin an dem Endbe ^¬ reich E20a der Spannungszuführungseinrichtung angeordnet sein beziehungsweise kann als eine Verlängerung der Spannungszu ^¬ führungseinrichtung 20 ausgebildet sein.

Wenn die Spannungszuführungseinrichtung 20 beziehungsweise der Kontaktanschluss 30 außerhalb des Stapels 10 entlang ei ^¬ ner Seitenfläche S20c des Stapels 10 angeordnet ist, kann der als Kontaktgegenstück ausgebildete Kontaktanschluss 40 außer ^¬ halb des Stapels 10 entlang einer anderen von der Seitenfläche S20c verschiedenen Seitenfläche S20d des Stapels angeord ^¬ net sein. Die Seitenfläche S20b kann beispielsweise zur Sei- tenfläche S20c um 90° versetzt sein. Somit sind der Kontakt- anschluss 30 und der Kontaktanschluss 40 in ihrer jeweiligen Achse räumlich getrennt beziehungsweise um 90° versetzt.

Zur Verbindung des Kontaktanschlusses 40 mit der Spannungszu- führungseinrichtung 20 kann mindestens ein Draht 50 vorgesehen sein. Es können auch wie bei der in Figur 3A gezeigten Aus führungs form mehrere parallel angeordnete Drähte zur Ver ^¬ bindung des Kontaktanschlusses 40 mit der Spannungszufüh- rungseinrichtung 20 vorgesehen sein (Drahtharfen-Kontaktie- rung) .

Figur 3B zeigt eine Queransicht der in Figur 3A dargestellten Aus führungs form eines stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements. Der Stapel 10 ist im Querschnitt quadratisch ausgeführt. Der Kontaktanschluss 40 ist entlang eines Ab ^¬ schnitts der Seitenfläche S20d außerhalb des Stapels 10 in einem Abstand zu dieser Seitenfläche angeordnet. Der Kontakt ^¬ anschluss 40 ist über mindestens einen außerhalb des Schicht ^¬ stapels angeordneten Draht 50 mit der Spannungszuführungsein- richtung 20 verbunden. Die Spannungszuführungseinrichtung 20 ist wiederum über mindestens einen außerhalb des Stapels 10 angeordneten Draht mit den ersten Elektrodenschichten der piezoelektrischen Stapelanordnung verbunden.

Die weitere Spannungszuführungseinrichtung 20, die mit den anderen Elektrodenschichten verbunden ist, verläuft außerhalb des Schichtstapels 10 entlang eines Abschnitts einer zur Sei ^¬ tenfläche S20c gegenüberliegenden Seitenfläche S20e. Die Spannungszuführungseinrichtung 20, die entlang der kompletten Seitenfläche S20e des Stapels verläuft, ist über mindestens einen Draht 50 mit den zweiten Elektrodenschichten verbunden und über einen Draht 50 mit dem weiteren Kontaktanschluss 40, der entlang eines Abschnitts der Seitenfläche S20f, die der Seitenfläche S20d gegenüberliegt, angeordnet ist.

Die in den Figuren 2A, 2B, 3A und 3B gezeigten Ausführungsformen eines stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelements ermöglichen die elektrische als auch die mechanische Kopplung von Aktorbauelementen. Der Kontaktanschluss 30 hat beispiels ^¬ weise gegenüber dem Gehäusekörper 60 einen Überstand. Der Überstand kann zwischen 4 mm bis 1,6 cm betragen. Der komplementäre Kontaktanschluss 40 ist zur Aufnahme des Kontaktan ^¬ schlusses 30 ausgebildet. Insbesondere sind die beiden Kon ^¬ taktanschlüsse derart ausgebildet, dass eine Fixierung des einen Kontaktanschlusses in dem anderen Kontaktanschluss mög ^¬ lich ist. Dazu können die Kontaktanschlüsse beispielsweise als Klingen-, Feder- oder Klemmkontakte ausgeführt sein. Bei einer weiteren möglichen Aus führungs form kann der Kontaktanschluss 40 als ein konisch verlaufender Hohlkörper ausgeführt sein. Der Kontaktanschluss 40 stellt somit eine Passung dar, in den der Kontaktanschluss 30 fest gehalten wird. Der Kontaktanschluss 30 und der Kontaktanschluss 40 können auch derart ausgebildet sein, dass bei einem Koppeln des Kontakt ^¬ anschlusses 30 mit dem Kontaktanschluss 40 eine formschlüssi ^¬ ge Verbindung gebildet wird.

In den Figuren 4A, 4B und 4C ist das in den Figuren 2A und 2B gezeigte Piezoaktorbauelement in verschiedenen Ansichten dar ^¬ gestellt. Figur 4A zeigt eine Draufsicht auf eine Unterseite des piezoelektrischen Aktorbauelements. Figur 4B zeigt eine Seitenansicht und Figur 4C zeigt eine Draufsicht auf eine Oberseite des Aktorbauelements. An der Unterseite des piezo ^¬ elektrischen Aktorbauelements ragen die Kontaktanschlüsse 30 aus dem Vergussmaterial 70 hervor, sodass in Bezug auf den Gehäusekörper 60 ein Überstand entsteht. Anhand von Figur 4B ist zu erkennen, dass auch der piezoelektrische Stapel 10 ge ^¬ ringfügig, allerdings weniger als der Kontaktanschluss 30, aus dem Vergussmaterial 70 hervorragen kann. Auf der Obersei ^¬ te des Aktorbauelements sind die Kontaktanschlüsse 40 in das Vergussmaterial 70 eingebettet. Der piezoelektrische Stapel ragt auch an der Oberseite geringfügig hervor.

Mehrere Aktorbauelemente d' r in den Figuren 2A, 2B bezie- hungsweise 3A, 3B gezeigte: Ausführungsform lassen sich un- tereinander elektrisch und auch mechanisch koppeln, so dass aus einzelnen Aktoren eine gestapelte Anordnung von Aktoren aufgebaut werden kann.

Figur 5 zeigt beispielhaft eine elektrische und mechanische Steckverbindung zwischen einzelnen Aktoren der in den Figuren 2A und 2B gezeigten Aus führungs form. Die Kontaktanschlüsse 30 des piezoelektrischen Aktorbauelements 100 sind in den dazu komplementär ausgebildeten Kontaktanschluss 40 des Aktorbau ^¬ elements 200 eingeschoben. Der Aktor 200 ist wiederum an seiner Unterseite mit seinen Kontaktanschlüssen 30 mittels einer Steckverbindung mit dem Aktorbauelement 300 verbunden, indem die Kontaktanschlüsse 30 des Aktorbauelements 200 an dem Kon ^¬ taktanschluss 40 des Aktorbauelements 500 gekoppelt sind. Wenn die Kontaktanschlüsse 30 als Kontaktstifte ausgebildet sind, können die Kontaktanschlüsse 40 beispielsweise als zy ^¬ linderförmiger Hohlkörper ausgebildet sind, die zu den Kontaktstiften 30 ein Passung bilden. Zur sicheren Fixierung der einzelnen Aktoren kann an den jeweiligen Gehäusekörpern eine Verriegelungseinrichtung 80 vorgesehen sein, so dass die Aktorbauelemente sowohl durch die zueinander komplementär ausgebildeten Kontaktanschlüsse als auch durch die jeweiligen Verriegelungseinrichtungen untereinander ausgerichtet und fixiert sind. Die Kontaktanschlüsse 30 des an einer Seite der Steckverbin ^¬ dung angeordneten Aktorbauelements 300 bilden einen gemeinsamen elektrischen Anschlusskontakt zum Betreiben der Stapelanordnung. Somit entfällt die Notwendigkeit jedes Aktorbau ^¬ element einzeln für sich mit einer Spannungsversorgung zu kontaktieren, so dass der Verdrahtungsaufwand reduziert wer ^¬ den kann.

Aus Figur 5 wird ersichtlich, dass die Kontaktanschlüsse 30 und die Kontaktanschlüsse 40 jedes Aktors derart angeordnet sind, dass die piezoelektrischen Stapel der einzelnen Aktorbauelemente aufeinander ausgerichtet sind. Bei der in Figur 5 gezeigten Aus führungs form sind die Kontaktanschlüsse 30 und 40 insbesondere derart angeordnet, dass die piezoelektrischen Stapel der Einzelaktoren fluchtend aufeinander ausgerichtet sind .

Mit den gezeigten Aus führungs formen eines Aktorbauelements wird ein passivierter und kontaktierter Piezoaktor bereitgestellt, an dessen Stirnseite nach außen geführte Kontakte an ^¬ geordnet sind und bei dem auf Höhe der gegenüberliegenden Stirnfläche dazu passende Kontaktaufnahmen vorgesehen sind. Über diese Kontakte können zwei oder mehrere Aktoren miteinander in Serie verbunden werden. Da die Kontaktanschlüsse 30 und 40 zueinander komplementäre Kontakte darstellen, weisen die miteinander verbundenen Aktoren eine genügende Stabilität auf, um auch im Betreib eine dauerhafte und zuverlässige Kon- taktierung aller derart assemblierter Aktoren sicherzustellen. Somit wird es mit dem stapelbaren piezoelektrischen Aktorbauelement ermöglicht, Aktoren auf einfache Weise in einer Stapelanordnung in Serie zu verschalten. Bezugs zeichenliste

1, 2, 3 Aktorbauelement

4 Aufnahme

5 elektrischer Anschluss

10 Stapel

11 piezoelektrische Schichten

12 Elektrodenschichten

20 Spannungs zuführungseinrichtung

30 Kontaktanschluss

40 komplementärer Kontaktanschluss

50 Draht

60 Gehäusekörper

70 Vergussmaterial

80 Verriegelungseinrichtung

100, 200, 500 Aktorbauelemente

E Endbereich

S Seite/Seitenfläche