DE102004038194A1 - Piezoaktor mit passivem Kopf-und/oder Fußteil - Google Patents

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Abstract

Es wird ein Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor, vorgeschlagen, der einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit mindestens einem piezoelektrisch aktiven Bereich (4) mit zwischen den Piezolagen angeordneten leitenden Schichten als Innenelektroden (2, 3) und einem passiven Kopf- und/oder Fußbereich (5, 6) am Piezoaktor (1) aufweist. Im passiven Kopf- und/oder Fußbereich (5, 6) des Piezoaktors (1) sind mindestens zwei einseitig herausgeführte leitende Schichten (7, 8; 7', 8'; 7'', 8''; 7''', 8''') vorhanden, mit denen eine Kennung des Piezoaktors (1) zum lagerichtigen Einbau herbeiführbar ist.

Description

  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteile der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
  • 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,
  • 2 eine Ansicht der Grundfläche einer einseitig herausgeführten auf die Folie gedruckten Schicht zur Kennung des passiven Fußbereichs des Piezoaktors nach der 1,
  • 3 eine Abwandlung der Schicht nach der 2 mit einer im Inneren abgerundeten Grundfläche,
  • 4 eine Abwandlung der Schicht nach der 2 mit zwei rechteckigen Teilbereichen, die jeweils separat herausgeführt sind und
  • 5 eine Abwandlung der Schicht nach der 4 mit Teilbereichen, die jeweils im Inneren abgerundet sind.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

1) Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen aus mindestens einem piezoelektrisch aktiven Bereich (4) mit zwischen den Piezolagen angeordneten leitenden Schichten als Innenelektroden (2,3), 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 und mit – einem passiven Kopf- und/oder Fußbereich (5,6) am Piezoaktor (1), der jeweils einen hiervon abweichenden Aufbau aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – im passiven Kopf- und/oder Fußbereich (5,6) des Piezoaktors (1), mindestens zwei einseitig herausgeführte leitende Schichten (7,8;7',8';7'',8'';7''',8''') vorhanden sind, mit denen eine Kennung des Piezoaktors (1) zum lagerichtigen Einbau herbeiführbar ist.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die leitenden Schichten, mit denen eine Kennung herbeiführbar ist, aus zwei einseitig zum selben Außenbereich des Piezoaktors (1) herausgeführten Schichten (7,8;7',8';7'',8'';7''',8''') gebildet sind, die den Kopf- oder Fußbereich und/oder eine Seite des Piezoaktors (1) kennzeichnen.
Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
– die leitenden Schichten im Kopf- und/oder Fußbereich (5,6) aus mindestens zwei separaten nebeneinander liegenden Schichtbereichen (7'',8'';7''',8''') bestehen.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die leitenden Schichten (7,8;7'',8'') im Kopf- und/oder Fußbereich (5,6) rechteckig sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die leitenden Schichten (7',8';7''',8''') im Kopf- und/oder Fußbereich (5,6) im von der Außenkante des Piezoaktors (1) abgewandten Bereich abgerundet sind.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2149922A3 (de) * 2008-07-28 2013-07-10 Robert Bosch GmbH Piezoaktor mit passiven Bereichen am Kopf und/oder Fuss

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2149922A3 (de) * 2008-07-28 2013-07-10 Robert Bosch GmbH Piezoaktor mit passiven Bereichen am Kopf und/oder Fuss

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