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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor, insbesondere zur Betätigung eines
mechanischen Bauteils, beispielsweise für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung
in einem Verbrennungsmotor, mit einem passiven Kopf- und/oder Fußteil nach
den gattungsgemäßen Merkmalen
des Hauptanspruchs.
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Es
ist beispielsweise aus der
DE
199 28 189 A1 bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten
Piezoeffekts ein Piezoelement zur Steuerung des Nadelhubes eines
Ventils oder dergleichen aus einem Material mit einer geeigneten
Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen
Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die
in Abhängigkeit
von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen
Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.
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Aufgrund
des extrem schnellen und genau regelbaren Hubeffektes können solche
Piezoaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von
Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen
vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte
Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Steuerventils
genutzt, das wiederum den Hub einer Düsennadel regelt.
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Da
die erforderlichen elektrischen Feldstärken zur Betätigung des
Piezoaktors im Bereich von mehreren kv/mm liegen und in der Regel
moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind,
erfolgt der Aufbau dieses Piezoaktors hier in mehreren Schichten
von übereinandergestapelten 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 Außenelektroden vorhanden, über die
die elektrische Spannung an die Innenelektroden angelegt wird.
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Ein
typisches Verfahren zum Herstellen solcher Schichten besteht in
der Foliengießtechnik.
Die einzelnen Schichten werden dabei zur Herstellung der Innenelektroden
metallisiert und übereinandergestapelt,
wobei dann zwischen zwei Schichten mit Innenelektroden unterschiedlicher
Polarität
sich der Piezoeffekt auswirkt. Üblicherweise
sind solche Piezoaktoren mit Innenelektroden versehen, die zumindest auf
einer Seite der Außenfläche des
Piezoaktors eine zurückgezogene,
d.h. vergrabene Innelektrode besitzen, um die wechselseitige Kontaktierung
zu ermöglichen.
Auf mindesten einer anderen Seiten reicht die Innenelektrode bis
zum Keramikrand nach außen und
kann dort mit einer Außenelektrode
verbunden werden.
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Diese
bekannten Piezoaktoren weisen in der Regel zur Montage in entsprechenden
Aktoranordnungen passive Kopf- und Fußteile auf, die nicht mit Innenelektroden
versehen sind. Es müssen
hierbei, insbesondere zum lagerichtigen Einbau, spezielle Führungs-
oder Passungszonen vorgesehen werden, da bei einem falschen Einbau
der Piezoaktor nicht richtig funktioniert oder zerstört werden
kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
eingangs beschriebene Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils,
beispielsweise für
einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor,
weist in vorteilhafter Weise einen Kopf- und einen Fußbereich
auf, zwischen dem ein aktives Piezoelement in Betätigungsrichtung
vorhanden ist. Der Piezoaktor weist in seinem aktiven Bereich einen
Mehrschichtaufbau von Piezolagen aus Piezolagen mit leitenden Schichten
als Innenelektroden auf, die wechselseitig mit einer elektrischen
Spannung unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar sind, wobei
jeweils eine Polarität außen kontaktiert
ist die wechselseitig dazwischenliegenden nicht kontaktierten Außenkanten
der Schichten jeweils anderer Polarität im Lagenaufbau vergraben
sind.
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In
vorteilhafter Weise sind erfindungsgemäß im passiven bzw. inaktiven
Kopf- und/oder Fußbereich
des Piezoaktors mindestens zwei einseitig herausgeführte leitende
Schichten vorhanden, mit der eine eindeutige Kennung des Kopf- und/oder Fußbereichs
zum lagerichtigen Einbau des Piezoaktors herbeiführbar ist. Die Kennung des
Kopf- und/oder Fußbereichs
wird erfindungsgemäß dadurch
bewirkt, dass die zwei einseitig zum selben Außenbereich des Piezoaktors
herausgeführte
Schichten den Kopf- oder Fußbereich
oder auch die jeweilige Außenseite kennzeichnen.
Eine Erfassung der Kennung kann beispielsweise mit einer Sicht kontrolle
oder mit einem vorzugsweise auch automatischen Visionsystem mit
einer Kamera erfolgen.
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Die
leitenden Schichten im Kopf- und/oder Fußbereich können mit der gleichen Herstellungsmethode
wie die Innenelektroden im aktiven Bereich des Piezoaktors hergestellt
werden und dabei jeweils auch lediglich aus mindestens zwei separaten Schichtbereichen
bestehen. Die Flächenform
der leitenden Schichten im Kopf- und/oder Fußbereich kann dabei im von
der Außenkante
des Piezoaktors abgewandten Bereich in vorteilhafter Weise rechteckig
oder abgerundet sein.
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Mit
der Erfindung ist eine einfache und kostengünstige Sicherstellung der richtigen
Einbaulage des Piezoaktors möglich,
die beispielsweise bisher übliche
mechanische Bearbeitungen des Piezoaktors zum Beispiel am Fußteil durch
Anbringen einer Fase mittels eines aufwendigen Schleifprozesses überflüssig macht.
Das Einbringen einer bedruckten Folie ähnlich der Innenelektroden
im aktiven Bereich ist im Herstellungsprozess des Piezoaktors einfach
und kostengünstig
durchführbar
und erübrigt
vor allem eine aufwendige Maßprüfung nach
einer mechanischen Bearbeitung.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Piezoaktors
werden anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch einen Piezoaktor zur Betätigung eines Einspritzinjektors
zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor mit jeweils einem
passiven Kopf- und Fußbereich
und einem dazwischenliegenden aktiven Bereich,
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2 eine
Ansicht der Grundfläche
einer einseitig herausgeführten
auf die Folie gedruckten Schicht zur Kennung des passiven Fußbereichs
des Piezoaktors nach der 1,
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3 eine
Abwandlung der Schicht nach der 2 mit einer
im Inneren abgerundeten Grundfläche,
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4 eine
Abwandlung der Schicht nach der 2 mit zwei
rechteckigen Teilbereichen, die jeweils separat herausgeführt sind
und
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5 eine
Abwandlung der Schicht nach der 4 mit Teilbereichen,
die jeweils im Inneren abgerundet sind.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Piezoaktor 1 schematisch gezeigt, der in an sich bekannter
weise aus Piezolagen eines Keramikmaterials, z.B. sogenannte Grünfolien, mit
einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung
des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Gleichspannung
an wechselseitig nach außen
geführte
Innenelektroden 2 und 3 über hier nicht gezeigte außen kontaktierte
Elektroden eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt.
Die Innenelektroden 2 und 3 werden durch ein Bedrucken
der Folien im Stapelaufbau mit einem leitenden Material in an sich
bekannter Weise hergestellt.
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Der
Piezoaktor 1 besteht im wesentlichen aus einem piezoelektrisch
aktiven Bereich 4 und aus einem passiven Kopfbereich 5 sowie
einem passiven Fußbereich 6,
wobei der Kopf- und/oder Fußbereich 5,6 insbesondere
zur mechanischen Halterung des Piezoaktors 1 in einem Aktorgehäuse dienen.
Im passiven Fußbereich 6 nach
der 1 sind vergleichbar zum aktiven Bereich 4 auch
Piezolagen teilweise mit einer leitenden Schicht 7 und 8 bedruckt.
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Die
teilweise bedruckten Folien nach der 1 mit der
Schicht 7 ist flächenhaft
in der 2 abgebildet, woraus erkennbar ist, dass diese
nur zu einer Seite des Piezoaktors 1 herausgeführt sind.
Die nicht dargestellte Schicht 8 ist jedoch identisch aufgebaut.
Somit kann mit den Schichten 7 und 8 als Kennung
eine eindeutige Einbaulage des Piezoaktors 1 beim Einbau
definiert werden.
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Aus 3 ist
eine Abwandlung der Form der Schicht 7 (identisch zu Schicht 8)
nach der 2 mit einer im Inneren des Piezoaktors 1 abgerundeten Kontur
als Schicht 7' dargestellt. 4 und 5 zeigen
dagegen einen Schichtaufbau, der zwei separat nach außen geführte Teilschichten 7'' mit rechteckiger Kontur und 7''' mit
jeweils abgerundeter Kontur aufweist; die Schicht 8 ist
hierbei in gleicher weise abgewandelt.