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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor, insbesondere einen Piezoaktor,
der als Betätigungselement
in Kraftstoffeinspritzeinrichtungen für Brennkraftmaschinen verwendbar
ist.
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Ein
Piezoaktor, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, ist beispielsweise
aus der
DE 198 56
201 A1 bekannt und umfasst einen Aktorkörper, der aus einer Vielzahl
von Aktorschichten aufgebaut ist. Die Aktorschichten bestehen jeweils
aus einer piezoaktiven Keramik mit einer Schichtdicke von etwa 0,1
mm. Zwischen zwei Aktorschichten ist jeweils eine metallische Schichtelektrode
vorhanden, deren Schichtdicke deutlich geringer als die der Aktorschichten
ist. Die Schichtelektroden sind dabei wechselseitig an die Oberfläche des
Aktorkörpers
geführt und
dort mit jeweils einer Außenelektrode
verbunden. Wird an die Außenelektroden
eine elektrische Spannung angelegt, so ergibt sich durch die wechselseitige
Kontaktierung ein elektrisches Feld zwischen den jeweils benachbarten
Schichtelektroden, so dass sich je nach angelegter Spannung die
Dicke der Aktorschichten ändert
und damit auch die Gesamthöhe des
Aktorkörpers.
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An
den Stirnseiten des Aktorkörpers
ist zumindest an einem Ende ein piezoelektrisch inaktiver Bereich
ausgebildet. Dies führt
dazu, dass es an der Stirnseite des Aktorkörpers, die auf dem zu bewegenden
Bauteil aufliegt, keine Querkontraktion auftritt, was die mechanische
Belastung in diesem Bereich verringert und damit die Lebensdauer
des Piezoaktors verlängert.
Es ist hierbei aus der
DE
198 56 201 A1 bekannt, diesen inaktiven Endbereich dadurch
zu realisieren, dass er ebenfalls abwechselnd Aktorschichten und
Schichtelektroden aufweist, jedoch werden die Schichtelektroden
nicht mit der Außenelektrode
verbunden. Durch den durchgängig gleichen
Aufbau des Aktorkörpers
ist sichergestellt, dass beim Sinterprozess keine inneren Spannungen entstehen,
die zu einem Versagen bei entsprechender mechanischer Belastung
fuhren könnten.
Da jedoch als Schichtelektrode häufig
eine Metallschicht verwendet wird, die Edelmetalle wie Silber, Platin oder
Palladium enthält,
verteuert der inaktive Endbereich den Piezoaktor.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Piezoaktor
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass dieser kostengünstiger
herstellbar ist als die bisher gebräuchlichen Piezoaktoren. Hierzu
ist der inaktive Endbereich aus einer Keramik hergestellt, die mit
Metall oder einem Metallsalz versetzt ist, so dass sich der inaktive
Endbereich beim Sintern ebenso verhält wie der mit Schichtelektroden
durchsetzte restliche Aktorkörper.
Hierbei wird jedoch weniger Metall gebraucht als bei vollständig ausgebildeten
Schichtelektroden auch in diesem Bereich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der inaktive Endbereich mit einem Metall
versetzt ist, das auch Bestandteil der Schichtelektroden ist. Hierdurch
kann ein identisches Verhalten, insbesondere ein gleiches Schrumpfverhalten,
beim Sinterprozess der Keramik relativ leicht eingestellt werden.
Ebenso kann die den Endbereich bildende Keramik mit einem Metallsalz versetzt
sein, wobei auch hier vorteilhaft ist, wenn das das Metallsalz bildende
Metall auch Bestandteil der Schichtelektroden ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der inaktive Endbereich aus
Gießschlicker
herstellt, der mit dem Metall oder dem Metallsalz versetzt ist.
Gießschlicker
lässt sich
leicht in jede Form bringen und ist hierbei deutlich kostengünstiger
als die Keramik-Folien, aus denen die Aktorschichten gebildet werden. Nach
dem Sintern der Keramik verbindet sich der Gießschlicker mit der angrenzenden
Aktorschicht, so dass ein zusammenhängender Keramikblock entsteht.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Piezoaktors
dargestellt. Es zeigt
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1 einen
erfindungsgemäßen Piezoaktor in
perspektivischer Ansicht und
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2 einen
Längsschnitt
durch den Piezoaktor.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer Piezoaktor
in perspektivischer Ansicht und in 2 nochmals im
Längsschnitt
dargestellt. Der Piezoaktor umfasst einen Aktorkörper 1, der zwei Stirnflächen 2, 2' und eine Vielzahl
von Aktorschichten 3 aufweist. Die Aktorschichten 3 bestehen
aus einem piezoaktiven Material, das im allgemeinen ein piezoaktives
Keramikmaterial ist. Zwischen den einzelnen Aktorschichten 3 ist
jeweils eine Schichtelektrode 5, 5' angeordnet, die aus einer dünnen Metallschicht
besteht, wobei die Schichtelektroden 5, 5' wechselseitig
nach außen
an die Oberfläche
des Aktorkörpers 1 geführt sind.
An der Oberfläche
des Aktorkörpers 1 ist
auf zwei gegenüberliegenden
Seitenflächen
jeweils eine Außenelektrode 6, 6' aufgebracht,
wobei jede mit einer Hälfte
der Schichtelektroden 5, 5' verbunden ist. Die Außenelektroden 6, 6' sind jeweils
mit einem elektrischen Anschluss 12, 13 verbunden,
so dass über
die Außenelektroden 6, 6' eine elektrische
Spannung zwischen jeweils benachbarte Schichtelektroden 5, 5' angelegt werden
kann.
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Zu
den Stirnflächen 2 des
Aktorkörpers 1 hin ist
jeweils ein Endbereich 10, 10' ausgebildet, der piezoelektrisch
inaktiv ist, da in diesem Bereich die Schichtelektroden 5, 5' fehlen, die
ansonsten jedoch aus derselben Keramik wie die Aktorschichten 3 bestehen.
Der Grund hierfür
ist, dass der Piezoaktor unter eine relativ hohen Druckspannung
betrieben wird, die auf die Stirnflächen aufgebracht wird. Da beim Anlegen
der Spannung eine Längenänderung
des Aktorkörpers 1 auftritt,
kommt es auch zu einer entsprechenden Querkontraktion. Wenn die
piezoaktiven Schichten direkt bis zur Stirnfläche 2, 2' des Aktorkörpers 1 reichen,
würde dies
dort zu erheblichen mechanischen Spannungen fuhren, die zumindest langfristig
zum Versagen des Aktorkörpers 1 führen.
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Der
Aktorkörper 1 wird
dadurch gefertigt, dass Schichten einer Schlickerfolie mit aufgedruckten
Schichtelektroden 5, 5' übereinander gestapelt werden,
bis die gewünschte
Anzahl an Aktorschichten 3 erreicht ist. Anschließend wird
der so entstandene Schichtkörper
geschnitten, so dass in der Regel mehrere Aktorkörper 1 in den gewünschten
Abmessungen entstehen, wobei der Aktorkörper 1 im ungesinterten
Zustand auch Grünkörper genannt
wird. Anschließend
erfolgt durch Erhitzen ein Sinterprozess, bei dem der Grünkörper schrumpft
und der Schlicker in Keramik übergeht,
wobei die Aktorschichten 3 fest miteinander verbunden werden
und so den Aktorkörper 1 bilden.
Die Endbereiche 10, 10' sind hier vorzugsweise nicht aus
Schlickerfolie schichtweise aufgebaut, sondern können aus Gießschlicker
gefertigt werden, was erheblich kostengünstiger ist als ein Schichtaufbau.
Dem Gießschlicker
wird Metall oder ein Metallsalz zugegeben, vorzugsweise ein Metall oder
dessen Metallsalz, das auch die Schichtelektroden 5, 5' enthalten.
Ziel ist es, dass der Gießschlicker und
damit den Endbereich 10, 10' beim Sinterprozess im gleichen
Maße schrumpft
wie der restliche Grünkörper, so
dass sich zwischen den Aktorschichten 3 und den inaktiven
Endbereichen 10, 10' keine mechanische
Eigenspannung im Aktorkörper 1 aufbauen,
welche zu einem vorzeitigen Versagen führen könnten.
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Die
Schichtelektroden 5, 5' können aus verschiedenen Materialien
bestehen, beispielsweise aus Silber (Ag) oder einer Legierung aus
Silber und Palladium (Pd). Auch Kupfer (Cu) oder eine Kupferlegierung
ist prinzipiell geeignet, ebenso eine Legierung aus Silber und Platin
(Pt). Um die Metallbeimengungen in den Gießschlicker leichten handhaben
zu können,
kann statt oder zusätzlich
zu einem Metall auch ein Metallsalz beigemengt werden. Möglich sind
hierbei beispielsweise Silbersalze, wie Silberacetat (Ag(AC)), Silberhydroxid
(Ag(OH)) oder Silbercarbonat (Ag2CO3). Die gleichen Verbindungen lassen sich
auch mit Kupfer bilden und dem Schlicker beimengen, z. B. Kupfercarbonat
(CuCO3).
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Es
ist auch möglich,
die Endbereiche ebenso schichtweise aufzubauen wie die sonstigen
Aktorschichten, jedoch müsste
hier eine andere Folie verwendet werden, die keine aufgedruckten
Elektroden, sondern mit Metall oder Metallsalz versetzte Keramik-Grünfolie.
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Es
kann vorgesehen sein, den inaktiven Endbereich an beiden Stirnseiten
des Piezoaktors auszubilden, wie in 1 dargestellt,
oder nur an einer Stirnseite. Dies hängt von der Art der Verwendung
ab und welche Spannkräfte
auf den Piezoaktor wirken. Die Schichtdicke der Aktorschichten 3 beträgt typischerweise
50-150 μm,
vorzugsweise etwa 100 μm, wobei
die Gesamtlänge
des Aktorkörpers 1 im
Bereich von 30-50 mm liegt. Es sind in der Regel also mehrere hundert
Aktorschichten 3 vorhanden. Die Schichtelektroden 5 weisen
hingegen eine deutlich geringere Dicke auf, die im Bereich von einigen μm, vorzugsweise
1-2 μm liegt.
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Der
erfindungsgemäße Piezoaktor
lässt sich als
Betätigungselement
in verschiedenen Vorrichtungen verwenden. Eine mögliche Anwendung sind Einspritzventile
für Dieselmotoren,
wo die Piezoaktoren beispielsweise ein Steuerventil öffnen und
schließen, oder
als Betätigungselement
in einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe oder einer sonstigen Komponente.