DE10025998A1 - Piezo actuator - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.The invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component like a valve or the like, according to the generic characteristics of Main claim.
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des soge nannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung er folgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebe reiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.It is generally known that using the so-called called piezo effect a piezo element made of one material with a suitable crystal structure can. When an external electrical voltage is applied follows a mechanical reaction of the piezo element, which in Dependence on the crystal structure and the plant range of electrical tension a push or pull in represents a predeterminable direction.
Da die erforderlichen elektrischen Feldstärken zur Betä tigung des Piezoaktors im Bereich von mehreren kV/mm lie gen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, erfolgt der Aufbau dieses Piezoaktors hier in mehreren Schichten von übereinander gestapelten metallisierten Piezokeramiken zu einem sog. Multilayer-Aktor. Hierzu sind jeweils zwischen den Schichten Innenelektroden vorhanden, die z. B. mit einem Druckverfahren aufgebracht werden, und es sind Außenelek troden vorhanden, über die die elektrische Spannung ange legt wird. Da diese Aktoren, wie erwähnt, für den Einsatz bei niederen Spannungen gedacht sind, wird die erforder liche elektrische Feldstärke durch einen kleinen Schicht abstand realisiert. Da ein bestimmter Hub mit einer ge wissen Spannung erreicht werden soll, werden die Aktoren in der Regel mit einer bestimmten piezoelektrisch aktiven Länge hergestellt, welche einen Teil der Gesamtlänge des Aktors darstellt.Since the required electrical field strengths for Betä the piezo actuator lies in the range of several kV / mm conditions and usually moderate electrical voltages Control is desired, this is done Piezo actuator here in several layers from one another stacked metallized piezoceramics to a so-called Multilayer actuator. For this purpose, between the Layers of internal electrodes available, the z. B. with a Printing processes are applied, and there are external elec todes present, via which the electrical voltage is applied is laid. As these actuators, as mentioned, for use at low voltages, this is required electric field strength through a small layer distance realized. Because a certain stroke with a ge know voltage should be reached, the actuators usually with a certain piezoelectrically active Length, which is part of the total length of the Represents actuator.
Aufgrund des extrem schnellen und genau regelbaren Hub effektes können solche Piezoaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuer te Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Steuerventils genutzt, das wiederum den Hub einer Düsen nadel regelt.Because of the extremely fast and precisely adjustable stroke Such piezo actuators can be effective for the construction of actuators, for example for driving switching valves Fuel injection systems provided in motor vehicles become. Here the voltage or charge control te deflection of the piezo actuator for positioning a Control valve used, which in turn the stroke of a nozzle needle regulates.
Beispielsweise ist aus der EP 0 844 678 A1 ein solcher Piezoaktor bekannt, bei dem zwei, an jeweils gegenüber liegenden Seiten des Piezoaktorblocks angebrachte, Au ßenelektroden unterschiedlicher Polarität vorhanden sind. Bei einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktie rung der Innenelektroden mit den seitlichen Außenelektro den erfolgt die jeweilige Kontaktierung in dem Bereich, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innene lektrode an die Außenseite herangeführt ist.EP 0 844 678 A1, for example, is one such Piezo actuator known, in which two, each opposite attached sides of the piezo actuator block, Au ß electrodes of different polarity are available. With a contact that changes from layer to layer tion of the internal electrodes with the lateral external electrodes The respective contacting takes place in the area in which there is no interior in the adjacent layer electrode is brought up to the outside.
Bei der Herstellung dieser Piezoaktoren kann als Auswir kungen von unvermeidlichen Fertigungstoleranzen insbesondere eine Schwankung der Dicken der einzelnen Keramik schichten auftreten. Diese Schwankungen können auf unter schiedliche Ursachen beruhen, wie z. B. eine von Charge zu Charge schwankende Grünfoliendicke, ein unterschiedliches Laminierverhalten beim Stapeln der Lagen oder ein unter schiedliches Schwindungsverhalten beim Sintern des Piezo aktorpakets. Diese unerwünschten Variationen haben einen Einfluss auf das sogenannte Großsignalverhalten uns somit letztendlich auf den Hub und die elektrische Kapazität des Piezoaktors.In the manufacture of these piezo actuators can act as an effect inevitable manufacturing tolerances in particular a variation in the thickness of each ceramic layers occur. These fluctuations can be found on different causes are based, such as: B. one from batch to Batch fluctuating green film thickness, a different one Laminating behavior when stacking the layers or an under different shrinkage behavior when sintering the piezo actuator packages. These undesirable variations have one Influence us on the so-called large signal behavior ultimately on the hub and electrical capacity of the piezo actuator.
Der eingangs beschriebene Piezoaktor ist, wie erwähnt, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und in einem piezoelektrisch aktiven Bereich zwischen den Lagen ange ordneten Innenelektroden aufgebaut und mit einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innene lektroden, zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, versehen. Es ist weiterhin mindestens ein inak tiver Bereich, z. B. ein Fuß- und/oder Kopfteil, an einem Ende des aktiven Bereichs im Bereich der Gesamteinbaulän ge im Lagenaufbau des Piezoaktors vorhanden.The piezo actuator described at the beginning is, as mentioned, with a multi-layer structure of piezo layers and in one Piezoelectrically active area between the layers arranged internal electrodes and with one of Layer to layer contacting the inside electrodes, for the application of an electrical Tension, provided. It is still at least one inak tive area, e.g. B. a foot and / or headboard on one End of the active area in the total installation area ge in the layer structure of the piezo actuator.
In vorteilhafter Weise weist der erfindungsgemäße Piezo aktor im aktiven Bereich eine vorgegebene Anzahl von Pie zolagen auf und die Länge des mindestens einen inaktiven Bereichs ist auf einfache Weise an die erforderliche Ge samteinbaulänge des Piezoaktors angepasst. Vorzugsweise sind an beiden Enden des Lagen- oder Schichtaufbaus inak tive, in der Länge reduzierbare Bereiche angeordnet.The piezo according to the invention advantageously has Actuator in the active area a predetermined number of Pie zolagen and the length of at least one inactive Area is easily to the required Ge Overall length of the piezo actuator adjusted. Preferably are inac at both ends of the layer or layer structure tive areas that can be reduced in length.
Insbesondere ist der erfindungsgemäße Piezoaktor dadurch vorteilhaft, dass bei der Herstellung eine kontrollierte Stapelung einer fest definierten Schichtanzahl n von piezoelektrisch aktiven Schichten beim Laminieren vorhanden ist. Eine für die jeweilige Einbausituation fest defi nierte Gesamtlänge des Piezoaktors wird über eine Reduk tion der Länge des piezoelektrisch inaktiven Kopf- und/oder Fußstücks realisiert, beispielsweise mit einer Hartbearbeitung durch Schleifen oder ähnliches.In particular, the piezo actuator according to the invention is thereby advantageous that in the production of a controlled Stacking of a defined number of layers n of piezoelectric active layers when laminating is. Defined for the respective installation situation The total length of the piezo actuator is via a reduc tion of the length of the piezoelectrically inactive head and / or foot piece realized, for example with a Hard machining by grinding or the like.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Piezoaktors ist damit
insbesondere eine deutliche Reduktion des Einflusses der
Schichtdickenvariation Δd/d auf den Hub und die Kapazi
tät. Unter der, im hier angewendeten Betriebsbereich der
elektrischen Feldstärke, gültigen Annahme, dass die Mate
rialparameter wie die Dielektrizitätskonstante ε33 und der
piezoelektrische Koeffizient d33 unabhängig von der elek
trischen Feldstärke sind, gelten für den Hub h und die
elektrische Kapazität C die Beziehungen:
The advantage of the piezo actuator according to the invention is thus in particular a significant reduction in the influence of the layer thickness variation Δd / d on the stroke and the capaci. Under the assumption valid in the operating range of the electrical field strength that the material parameters such as the dielectric constant ε 33 and the piezoelectric coefficient d 33 are independent of the electrical field strength, the relationships apply to the stroke h and the electrical capacitance C:
h = nd33U (1)
h = nd 33 U (1)
C = nε33ε0A/d (2),
C = nε 33 ε 0 A / d (2),
wobei U die elektrische Spannung, ε0 die elektrische Feldkonstante und A die piezoelektrisch effektive Fläche des Piezoaktors darstellen.where U is the electrical voltage, ε 0 is the electrical field constant and A is the piezoelectrically effective area of the piezo actuator.
Wird, wie nach dem Stand der Technik üblich, ein Piezoak
tor mit einer bestimmten effektiven Länge Leff = nd =
const. realisiert, so leiten sich aus den Gleichungen (1)
und (2) folgende Beziehungen für eine Schwankung des Hubs
und der Kapazität bei Schichtdickenschwankungen ab:
Is, as usual in the prior art, a Piezoak tor with a certain effective length L eff = nd = const. realized, the following relationships for a fluctuation in the stroke and the capacity in the case of fluctuations in layer thickness are derived from equations (1) and (2):
|Δh/h| = |Δd/d| (3)
| Δh / h | = | Δd / d | (3)
|ΔC/C| = 2|Δd/d| (4).
| ΔC / C | = 2 | Δd / d | (4).
Mit einer erfindungsgemäßen Kontrolle der Schichtanzahl
auf eine vorgegebene Anzahl n reduzieren sich die
Schwankungen nach folgender Beziehung:
With a control of the number of layers to a predetermined number n according to the invention, the fluctuations are reduced according to the following relationship:
|Δh/h| = 0 (5)
| Δh / h | = 0 (5)
|ΔC/C| = |Δd/d| (6).| ΔC / C | = | Δd / d | (6).
Somit variiert nach der Gleichung (5) der Hub h überhaupt nicht mehr und nach der Gleichung (6) ändert sich die Ka pazität C nur linear mit der Schichtdicke der Piezolagen.The stroke h thus varies at all according to equation (5) no longer and after the equation (6) the Ka changes capacitance C only linear with the layer thickness of the piezo layers.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die in aktiven Bereiche des Piezoaktors aus Schichten des glei chen Keramikmaterial bestehen wie der aktive Bereich. Vorteilhaft ist hier auch, wenn zwischen den Schichten des inaktiven Bereichs in gleicher Weise wie im aktiven Bereich Innenelektroden angeordnet sind, die elektrisch einseitig oder gar nicht mit Außenelektroden kontaktiert sind, so dass auch die inaktiven Bereiche mit den Innene lektrodenmetallschichten durchsetzt sind. Diese Innene lektroden haben außerdem den Vorteil, dass beim Kosintern des gesamten Piezoaktors das Schwindungsverhalten über die gesamten Länge homogen ist, da beim Sintern in der Regel Metallionen aus der Elektrodenschicht in die Kera mik diffundieren und damit das Sinterverhalten beeinflus sen. Somit wird die Rissgefahr in den Übergangsbereichen zwischen dem aktiven und den inaktiven Bereichen deutlich reduziert.According to one embodiment of the invention, the in active areas of the piezo actuator from layers of the same Chen ceramic material exist like the active area. It is also advantageous here if between the layers of the inactive area in the same way as in the active Area internal electrodes are arranged that are electrical contacted on one side or not at all with external electrodes so that the inactive areas with the inside electrode metal layers are interspersed. This inside Electrodes also have the advantage that cosinterning the shrinkage behavior of the entire piezo actuator the entire length is homogeneous, because when sintering in the Rule metal ions from the electrode layer into the kera diffuse mic and thus influence the sintering behavior sen. Thus the risk of cracking in the transition areas between the active and the inactive areas clearly reduced.
Nach einer anderen Ausführungsform ist der jeweilige in aktive Bereich ein Metall- oder Keramikblock, der bei spielsweise auf den piezoelektrisch aktiven Bereich ein fach aufgeklebt werden kann. Den inaktiven Kopf- und Fuß bereichen können neben der bereits beschriebenen Län geneinstellmöglichkeit des gesamten Piezoaktors weitere Bedeutungen zukommen. So dienen diese Bereiche nach der Montage eventuell auch zur Krafteinleitung bei einer etwa notwendigen mechanischen Vorspannung, zur thermischen An kopplung und damit der Wärmeableitung sowie schließlich der elektrischen Isolation für die elektrischen Zuleitun gen.According to another embodiment, the respective one is in active area is a metal or ceramic block, which at for example on the piezoelectrically active area can be glued on. The inactive head and foot areas in addition to the already described Län possibility of adjusting the entire piezo actuator further Meanings. So these areas serve after the May also be used to apply force to a necessary mechanical preload, for thermal connection coupling and thus heat dissipation as well as finally the electrical insulation for the electrical supply gene.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.These and other features of preferred training gene of the invention go out not only from the claims the description and the drawings, the individual characteristics individually or for more ren in the form of sub-combinations in the execution form of the invention and realized in other fields his and advantageous as well as protectable execution represent representations for which protection is claimed here becomes.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Embodiments of the piezo actuator according to the invention are explained using the drawing. Show it:
Fig. 1 eine Ansicht eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und ak tiven und inaktiven Bereichen, die jeweils Innenelek trodenmetallschichten aufweisen; Figure 1 is a view of a piezo actuator with a multi-layer structure of layers of piezoceramic and active and inactive areas, each of which has electrode metal layers Innenelek.
Fig. 2 eine Ansicht eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und in aktiven Bereiche als Metall- oder Keramikblöcke und Fig. 2 is a view of a piezo actuator with a multi-layer structure of layers of piezoceramic and in active areas as metal or ceramic blocks and
Fig. 3 zwei Ansichten eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und ei nem inaktiven Fußbereich, der die mechanische, ther mische und elektrische Anbindung an ein weiteres Bau teil unterstützt. Fig. 3 shows two views of a piezo actuator with a multi-layer structure of layers of piezoceramic and egg nem inactive foot area, which supports the mechanical, thermal and electrical connection to another construction part.
In Fig. 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezolagen 2 eines Keramikmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Gleichspannung an In nenelektroden 3 und 4 über hier nicht näher dargestellte außen kontaktierte Elektroden eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt.In Fig. 1, a piezo actuator 1 is shown, which is constructed in a manner known per se from piezo layers 2 of a ceramic material with a suitable crystal structure, so that, using the so-called piezo effect when an external electrical voltage is applied to internal electrodes 3 and 4 , not here A contact of the externally contacted electrodes causes a mechanical reaction of the piezo actuator 1 .
Der Piezoaktor ist in einen piezoelektrisch aktiven Be reich A mit der Länge Leff und zwei am Kopf- und am Fußen de angebrachte inaktive Bereiche B und C aufgeteilt, wo bei hier auch in den inaktiven Bereichen B und C Innene lektrodenmetallschichten 5 angebracht sind, die aller dings elektrisch nicht kontaktiert sind. Im rechten Teil der Fig. 1 ist mit Längenpfeilen gezeigt, dass die Ge samtlänge Lges aller Bereiche A, B und C durch die redu zierbaren inaktiven Bereiche B und C mit Beträgen Lred an die jeweiligen Einbaumaße angepasst werden kann.The piezo actuator is divided into a piezoelectrically active region A with the length L eff and two inactive regions B and C attached to the head and foot of the de, where here in the inactive regions B and C inner electrode metal layers 5 are also attached, which are however not electrically contacted. The right part of Fig. 1 is shown with arrows length that the total length L ges Ge all areas A, B and C can be adjusted by the redu ducible inactive regions B and C and the amounts of red L to the respective installation dimensions.
Aus Fig. 2 ist eine Ansicht eines Piezoaktors 6 zu ent nehmen, bei dem die inaktiven Bereiche in Abwandlung zum Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1, aus Metall- oder Keramikblöcken bestehen, die keine Innenmetallschichten tragen.From Fig. 2 is a view of a piezo actuator 6 ent take, in which the inactive areas in a modification to the embodiment of FIG. 1, consist of metal or ceramic blocks that do not carry inner metal layers.
Nach Fig. 3 ist wiederum in Abwandlung des Ausführungs beispiels nach der Fig. 2 der Fußbereich C eines Piezo aktors 7 als Befestigungselement so ausgeführt, dass er zur Krafteinleitung bei einer mechanischen Vorspannung, zur thermischen Ankopplung und damit der Wärmeableitung sowie schließlich der elektrischen Isolation für die elektrischen Zuleitungen 8 und 9 dient. Im rechten Teil der Fig. 3 ist eine Ansicht X des Fußbereichs C darge stellt.According to FIG. 3, in turn, as a modification of the embodiment according to FIG. 2, the foot region C of a piezo actuator 7 is designed as a fastening element such that it is used to introduce force with a mechanical preload, for thermal coupling and thus for heat dissipation and finally for electrical insulation the electrical leads 8 and 9 is used. In the right part of FIG. 3, a view X of the foot area C is Darge.
Claims (6)
einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und in einem piezoelektrisch aktiven Bereich (A) zwischen den Lagen angeordneten Innenelektroden (3, 4), die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und mit
mindestens einem inaktiven Bereich (B, C) an einem Ende des aktiven Bereichs (A) im Bereich der Ge samteinbaulänge (Lges) im Lagenaufbau des Piezoak tors (1; 6; 7), dadurch gekennzeichnet, dass
im aktiven Bereich (A) eine vorgegebene Anzahl (n) von Piezolagen (2) angeordnet ist und die Länge des mindestens einen inaktiven Bereichs (B, C) an die erforderliche Gesamteinbaulänge (Lges) des Piezoak tors (1; 6; 7) angepasst ist. 1. Piezo actuator, with
A multilayer structure of piezo layers ( 2 ) and internal electrodes ( 3 , 4 ) arranged in a piezoelectrically active area (A) between the layers, which can be acted upon with an electrical voltage and with
at least one inactive region (B, C) samteinbaulänge at one end of the active region (A) in the region of the Ge (L tot) in the layer structure of the gate Piezoak (1; 6; 7), characterized in that
in the active area (A) a predetermined number (n) is disposed of piezoelectric layers (2) and the length of the at least one inactive region (B, C) (sum L) to the required total installed length of the Piezoak gate (1; 6; 7) is adjusted.
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