DE102005031342A1

DE102005031342A1 - Piezoaktor und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102005031342A1
Application number: DE102005031342A
Authority: DE
Inventors: Frank Mai
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2007-01-11
Also published as: EP1902480A1; US20080218034A1; CN101218690A; WO2007003655A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors (1) mit einer Vielzahl von Aktorschichten (4) aus einem keramischen Material und jeweils einer zwischen den Aktorschichten (4) angeordneten, metallischen Schichtelektrode (2; 2'), welche abwechselnd mit jeweils einer Anschlusselektrode (15; 15') elektrisch verbunden sind, über die eine elektrische Spannung an die Schichtelektroden (2; 2') anlegbar ist. Wenigstens eine Anschlusselektrode (15; 15') verläuft innerhalb des Piezoaktors (1), wobei der Piezoaktor (1) eine Stirnfläche (5) und eine dieser gegenüberliegende Grundfläche (7) aufweist. Beim Herstellungsverfahren wird wenigstesn eine Längsbohrung (10; 10') in einen den Piezoaktor (1) bildenden Grünkörper eingebracht, in die anschließend eine röhrenförmige Anschlusselektrode (15; 15') eingeführt wird, wobei die Anschlusselektrode (15; 15') über die Stirnseite (5) des Grünkörpers hinausragt. Schließlich wird der Grünkörper solange erhitzt, bis der Sinterprozess abgeschlossen ist, wobei das über die Stirnfläche (5) hinausstehende Ende der Anschlusselektrode (15; 15') so abgestützt wird, dass sich der Grünkörper während des Sinterprozesses nicht verzieht. Ein so hergestellter Piezoaktor (1) weist mindestens eine Anschlusselektrode (15; 15') auf, die röhrenförmig ausgebildet ist und im Inneren des Piezoaktors (1) verläuft (Figur 1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, der vorzugsweise als Stellelement verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellung dieses Piezoaktors.

Piezoaktoren kommen in vielen Bereichen der Kraftstoffeinspitzung zum Einsatz, beispielsweise als Steller oder zur Betätigung einer Düsennadel, insbesondere bei Diesel-Einspritzsystemen. Der Aktor muss dabei eine minimale Kraft und einen minimalen Hub zur Verfügung stellen, damit das entsprechende Stellelement, das durch den Piezoaktor bewegt werden soll, ordnungsgemäß funktioniert. Meist kommen dabei Piezoaktoren zur Anwendung, die als so genannte Multi-Layer-Aktoren aufgebaut sind. Diese bestehen aus einer Vielzahl von Keramikschichten, die typischerweise eine Schichtdicke von etwa 100 μm aufweisen. Zwischen den Keramikschichten sind abwechselnd Schichtelektroden angeordnet, die wechselseitig an Anschlusselektroden kontaktiert sind. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Anschlusselektroden ergibt sich zwischen jeweils zwei benachbarten Schichtelektroden ein elektrisches Feld, sodass die Keramikschicht, die sich zwischen den beiden Schichtelektroden befindet, ihre Dicke je nach Größe des elektrischen Feldes ändert.

Die Kraft des Piezoaktors wird dabei durch die aktive Querschnittsfläche bestimmt, also die Fläche, durch die das angelegte elektrische Feld dringt. Der Hub wird wiederum bestimmt durch die relative Dehnung der Piezokeramik beim Anlegen des elektrischen Feldes. Dabei ist zu beachten, dass eine maximale elektrische Feldstärke nicht überschritten werden kann, da es andernfalls zu Durchschlägen zwischen den einzelnen Schichtelekt roden kommt, was zu einem Kurzschluss und damit zu einem Ausfall des Bauteils führen würde. Eine Huberhöhung bei maximalem elektrischen Feld ist somit nur durch eine höhere Anzahl an Keramikschichten und damit mit einem längeren Piezoaktor möglich.

Zur Kontaktierung der Schichtelektroden sind verschiedene Anschlusselektroden aus dem Stand der Technik bekannt. So zeigt zum Beispiel die DE 199 132 71 A1 einen Piezoaktor, der zwei auf die Außenfläche des Piezoaktors aufgebrachte Anschlusselektroden aufweist, wobei die Schichtelektroden wechselseitig an die Oberfläche des Piezoaktors geführt sind. An diese außenliegenden Anschlusselektroden lässt sich eine entsprechende elektrische Spannung an die Schichtelektroden anlegen. Darüber hinaus sind beispielsweise aus der DE 103 350 19 A1 Anschlusselektroden bekannt, die im Inneren des Piezoaktors verlaufen. Hierbei werden zwei Längsbohrungen in den Piezoaktor eingebracht und stabförmige Anschlusselektroden eingebracht, die im Inneren des Piezoaktors jeweils abwechselnd die Schichtelektroden kontaktieren. Dadurch wird der Bauraum des Piezoaktors verkleinert, und die Anschlusselektroden sind im Inneren des Piezoaktors geschützt.

Aufgrund der Einbaubedingungen, wie sie zum Beispiel in einem Piezoinjektor herrschen, der für direkteinspritzende Dieselmotoren verwendet wird, ist die maximale Querschnittsfläche des Piezoaktors begrenzt und damit auch die erreichbare maximale Kraft. Um den maximalen Hub zu vergrößern, kann die Anzahl der Keramikschichten erhöht werden, was jedoch durch den Herstellungsprozess begrenzt ist: Die Piezoaktoren werden aus einem Grünkörper gefertigt und freistehend im Ofen gesintert. Wird der Piezoaktor im Verhältnis zur Grundfläche zu lang, besteht jedoch die Gefahr, dass sich der Piezoaktor während des Sinterns verzieht und so in Schiefstellung fixiert wird, was den Piezoaktor unbrauchbar macht. Ein Abstützen des Piezoaktors mit einer Führung ist jedoch kaum möglich, da einerseits die Gefahr besteht, dass Material der Stützvorrichtung in den Aktor eindiffundiert und so Defekte in die Piezokeramik eingebaut werden. Außerdem ist eine statische Stützvorrichtung nicht möglich, da der Aktor durch den Sinterprozess schrumpft und die Stutzvorrichtung somit nachgeführt werden müsste. Dies führt letztendlich dazu, dass bei Piezoaktoren ein bestimmtes Länge-zu-Breite-Verhältnis nicht überschritten werden kann.

Vorteile der Erfindung

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors ist es möglich, auch sehr lange Piezoaktoren in einem einzigen Sinterprozess herzustellen. Hierzu wird zur Innenkontaktierung eine Längsbohrung in den Grünkörper eingebracht, welcher nach dem Sintern den Piezoaktor bildet. In die Längsbohrung wird eine röhrenförmige Anschlusselektrode eingebracht, wobei die Anschlusselektrode über eine der Stirnseiten des Grünkörpers hinausragt. Das überstehende Ende der Anschlusselektrode wird nun so abgestützt, dass sich der Grünkörper während des Sinterprozesses nicht verziehen kann.

Durch weitere vorteilhafte Verfahrensschritte lässt sich das Verfahren zur Herstellung des Piezoaktors weiterbilden. So kann der Grünkörper während des Sinterprozesses auf seiner Grundfläche aufliegen, die dem überstehenden Ende der Anschlusselektrode gegenüber liegt. Ebenso ist es auch möglich, dass der Grünkörper während des Sinterprozesses an der überstehenden Anschlusselektrode aufgehängt wird. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn eine der Anschlusselektroden genau symmetrisch in der Mitte des Grünkörpers verläuft, sodass sich keine Kippmomente auf den Grünkörper ergeben, was ein Verziehen während des Sinterprozesses begünstigen könnte.

Weiterhin ist es möglich, dass in die Anschlusselektroden während des Sinterprozesses ein Führungsstift eingeführt wird, der zu einer weiteren Stabilisierung führt. Insbesondere dann, wenn die Anschlusselektroden aus Kupfer gefertigt sind, erweichen diese durch die hohen Temperaturen während des Sinterprozesses, sodass eine weitere Stabilisierung durch einen Führungsstift, der vorzugsweise aus Keramik oder aus einem hoch schmelzenden Metall gefertigt ist, zu einer Verbesserung des Prozesses führt.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die röhrenförmige Anschlusselektrode beim Sinterprozess fest mit der Wandung der Längsbohrung verbunden wird, sodass sich eine feste Verbindung zwischen der Anschlusselektrode und den Schichtelektroden ergibt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit ein Piezoaktor zur Verfügung gestellt, der sich dadurch auszeichnet, dass die Anschlusselektroden, die im Inneren des Piezoaktors verlaufen, als dünnes Metallrohr ausgebildet sind, welche in die Längsbohrung des Piezoaktors eingesintert sind. Diese rohrförmigen Anschlusselektroden lassen sich anschließend beispielsweise mit einem elektrisch leitenden oder nicht leitenden Material füllen, was dem Piezoaktor zusätzliche Stabilität verleiht.

Zeichnung
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Piezoaktor dargestellt. Es zeigt
1 einen erfindungsgemäßen Piezoaktor in Seitenansicht mit einer Führung für die Anschlusselektroden während des Sinterprozesses und
2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Piezoaktor bzw. Grünkörper.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Piezoaktor in Seitenansicht dargestellt. 2 zeigt denselben Piezoaktor in einem Längsschnitt entlang der Ebene, die in 1 mit A-A bezeichnet ist. Der Piezoaktor 1 weist eine Stirnfläche 5 und eine gegenüberliegende Grundfläche 7 auf und besteht aus einer Vielzahl von Aktorschichten 4, die alle zumindest näherungsweise dieselbe Schichtdicke aufweisen und die parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Aktorschichten 4 bestehen aus einem keramischen, piezoaktiven Material, das vor dem Sinterprozess als Grünfolie vorliegt. Verschiedene Schichten dieser Grünfolie werden übereinander gestapelt, solange, bis sich ein Grünkörper mit der gewünschten Höhe ergibt. Zwischen je zwei Aktorschichten 4 ist eine Schichtelektrode 2, 2' ausgebildet, die aus einem elektrisch gut leitenden Metall bestehet, beispielsweise Silber oder einer Silberlegierung. Wie 2 zeigt, weisen die Schichtelektroden 2, 2' abwechselnd eine Ausnehmung auf, durch die zwei Längsbohrungen 10, 10', die im Aktorkörper 1 verlaufen, hindurch treten. Dies hat zur Folge, dass nur die Schichtelektroden 2 an der Wandung der Längsbohrung 10 zum Vorschein kommen, während an der Wandung der Längsbohrung 10' die Schichtelektroden 2' hervortreten.
2 stellt den Piezoaktor 1 als Grünkörper dar, dass heißt vor dem Sinterprozess. In die Längsbohrungen 10, 10' wird jeweils eine röhrenförmige Anschlusselektrode 15, 15' eingeschoben, sodass sich die Anschlusselektrode 15, 15' über die gesamte Länge des Piezoaktors 1 erstreckt. Die röhrenförmige Anschlusselektrode 15, 15' ist hierbei beispielsweise als dünnes Kupferröhrchen ausgeführt, wobei auch ein anderes metallisches Material verwendet werden kann. Die röhrenförmige Anschlusselektroden 15, 15' weisen hierbei einen Durchmesser auf, der etwas kleiner ist als der Durchmesser der Längsbohrung 10, 10' sodass sich die Anschlusselektroden 15, 15' einerseits leichter einführen lassen und andererseits dem Schrumpfungsprozess des Grünkörpers beim Sinterprozess Rechnung getragen wird.
Der Herstellungsprozess geschieht nun dadurch, dass der Grünkörper, wie er in 2 dargestellt ist, in einen entsprechenden Sinterofen eingebracht wird. Die röhrenförmigen Anschlusselektroden 15, 15' liegen hier beispielhaft an einer Führung 22 an, die dafür sorgt, dass die Anschlusselektroden 15, 15' nur sehr begrenzt beweglich sind. Zur weiteren Stabilisierung der röhrenförmigen Anschlusselektroden 15, 15' kann auch ins Innere der Anschlusselektroden 15, 15' ein Führungsstift 20 eingeschoben werden, wobei darauf zu achten ist, dass dieser ebenfalls etwas Spiel im Inneren der Anschlusselektrode 15, 15' aufweist. Während des Sinterprozesses erhitzt sich der Grünkörper, wobei Füllmaterial verdampft und sich ein harter Keramikkörper bildet. Dabei schrumpft der Grünkörper, und die einzelnen Aktorschichten 4 werden fest mit den Schichtelektroden 2, 2' und auch untereinander verbunden.
Durch den Schrumpfungsprozess des Grünkörpers verringert sich auch der Durchmesser der Längsbohrungen 10, 10' soweit, dass die röhrenförmigen Anschlusselektroden 15 fest in der Längsbohrung 10, 10' eingeklemmt sind. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass die Anschlusselektroden 15, 15' keinen zu großen Außendurchmesser aufweisen, da andernfalls zu große mechanischen Spannungen in diesem Bereich entstehen. Durch das Schrumpfen des Grünkörpers werden die Anschlusselektroden 15, 15' fest gegen die jeweiligen Schichtelektroden 2, 2' gepresst, die an der Wandung der jeweiligen Längsbohrung 10, 10' heraustreten. Somit kontaktiert die Anschlusselektrode 15 nach dem Sinterprozess die Schichtelektroden 2, während die Anschlusselektrode 15' die Schichtelektroden 2' kontaktiert. Der Führungsstift 20 kann entweder in der Anschlusselektrode 15, 15' verbleiben und dabei so ausgeführt sein, dass er fest in der Anschlusselektrode 15, 15' verklemmt ist. Es kann auch vorgesehen sein, den Durchmesser des Führungsstifts 20 so zu wählen, dass dieser anschließend wieder entfernt werden kann. Das über die Stirnfläche 5 des Piezoaktors 1 hinausstehende Ende der Anschlusselektroden 15, 15' kann nach dem Sinterprozess abgetrennt werden, sodass der Piezoaktor 1 in der bekannten Art und Weise eingebaut werden kann. Um das Entfernen des Führungsstifts 20 zu erleichtern, kann es auch vorgesehen sein, diesen nur so weit in die Anschlusselektrode 15, 15' einzuführen, das ein Ende bis zur Höhe der Stirnfläche 5 reicht. Dadurch ist sichergestellt, dass nach dem Abschneiden der überstehenden Anschlusselektroden 15, 15' auch der Führungsstift 20 entfernt ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Piezoaktor 1 bzw. der Grünkörper während des Sinterprozesses nicht auf der Grundfläche 7 aufliegt, sondern an einer oder beiden Anschlusselektroden 15, 15' aufgehängt wird. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn eine der Anschlusselektroden 15, 15' mittig im Piezoaktor 1 verläuft, damit sich kein Kippmoment auf den Grünkörper ergibt. Es kann auch vorgesehen sein, dass das überstehende Ende der Anschlusselektroden 15, 15' nach dem Sinterprozess nicht vollständig abgetrennt wird, sodass die überstehenden Enden für die Kontaktierung von Anschlussieitungen verwendet werden können.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors (1) mit einer Stirnfläche (5) und einer dieser gegenüberliegenden Grundfläche (7), der eine Vielzahl von Aktorschichten (4) aus einem keramischen Material aufweist, wobei zwischen den Aktorschichten (4) metallische Schichtelektroden (2; 2') angeordnet sind, welche abwechselnd mit jeweils einer Anschlusselektrode (15; 15') elektrisch verbunden sind, über die eine elektrische Spannung zwischen den einzelnen Schichtelektroden (2; 2') anlegbar ist, wobei wenigstens eine Anschlusselektrode (15; 15') innerhalb des Piezoaktors (1) verläuft, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Einbringen wenigstens einer Längsbohrung (10; 10') in einen den Piezoaktor (1) bildenden Grünkörper, – Einführen einer Anschlusselektrode (15; 15') in die Längsbohrung (10; 10'), wobei die Anschlusselektrode (15; 15') über die Stirnseite (5) des Grünkörpers hinausragt, – Erhitzen des Grünkörpers solange, bis der Sinterprozess abgeschlossen ist, wobei das über die Stirnfläche (5) hinausstehende Ende der Anschlusselektrode (15; 15') so abgestützt wird, dass sich der Grünkörper während des Sinterprozesses nicht verzieht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselektroden (15; 15') röhrenförmig ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper während des Sinterprozesses auf der dem überstehenden Ende der Anschlusselektrode (15; 15') gegenüberliegenden Grundfläche (7) steht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper während des Sinterprozesses an der Anschlusselektrode (15; 15') aufgehängt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die röhrenförmige Anschlusselektrode (15; 15') während des Sinterprozesses ein Führungsstift (20) eingeschoben wird, so dass die Anschlusselektrode (15; 15') auf dem Führungsstift (20) geführt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsstift (20) aus Keramik oder einem hochschmelzenden Metall gefertigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselektrode (15; 15') in der Längsbohrung ein solches Spiel aufweist, dass diese nach dem Sinterprozess fest von der Wand der Längsbohrung (10; 10') des Piezoaktors (1) eingeklemmt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Sinterprozess das über die Stirnseite (5) des Piezoaktors (1) überstehende Ende der Anschlusselektrode (15; 15') abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die röhrenförmige Anschlusselektrode (15; 15') aus Kupfer gefertigt ist.
Piezoaktor mit einer Vielzahl von Aktorschichten aus einem keramischen Material und jeweils einer zwischen den Aktorschichten (4) angeordneten, metallischen Schichtelektrode (2; 2'), welche abwechselnd mit jeweils einer Anschlusselektrode (15; 15') elektrisch verbunden sind, über die eine elektrische Spannung an die Schichtelektroden (2; 2') anlegbar ist, wobei wenigstens eine der Anschlusselektroden (15; 15') innerhalb des Piezoaktors verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anschlusselektrode als metallische, röhrenförmige Anschlusselektrode (15; 15') ausgebildet ist, die in einer Längsbohrung (10; 10') des Piezoaktors (1) eingesintert ist.
Piezoaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere der röhrenförmigen Anschlusselektrode (15; 15') mit einem elektrisch nicht leitenden Material gefüllt ist.
Piezoaktor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische, röhrenförmige Anschlusselektrode (15; 15') aus Kupfer gefertigt ist.