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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor, vorzugsweise in monolithischer
Vielschicht-Bauweise, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Obwohl
auf beliebige Piezoaktoren anwendbar, werden die vorliegende Erfindung
sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in Bezug auf einen in monolithischer
Vielschicht-Bauweise
ausgestalteten Piezoaktor näher
erläutert.
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Ein
derartiger Piezoaktor besteht im Allgemeinen aus mehreren Piezo-Keramikplatten.
Eine Piezokeramik ist ein Material, das sich aufgrund des piezo-elektrischen
Effektes beim Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt. Solche
Piezokeramiken bilden die Basis für die Piezoaktoren, die beim
Anlegen einer Spannung einen Verfahrweg von einigen Mikrometern
realisieren. Die Piezokeramik weist elektrische Dipolmomente auf,
die jeweils innerhalb von Weiss'schen
Bezirken, die gegeneinander abgegrenzt sind, eine Vorzugsrichtung
aufweisen. In einem unpolarisierten Grundzustand der Piezokeramik sind
die Vorzugsrichtungen der einzelnen Weiss'schen Bezirke ungeordnet, so dass nach
außen
hin keine makroskopische elektrische Polarisierung der Piezokeramik
vorliegt.
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Um
den piezo-elektrischen Effekt für
Piezoaktoren nutzbar zu machen, muss die Piezokeramik durch das
Ausrichten der elektrischen Dipolmomente polarisiert werden, wonach
die elektrischen Dipolmomente in allen Weiss'schen Bezirken nicht oder nur sehr wenig
von einer durch die Polarisationsachse vorgegebenen Vorzugsrichtung
abweichen. Die Piezokeramiken werden beispielsweise als Grundkörper von
Piezoaktoren eingesetzt, welche unter anderem Verwendung im Kraftfahrzeugbereich,
beispielsweise in Common-Rail-Ein spritzanlagen für Brennkraftmaschinen als elektromagnetische
Wandler, finden.
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Die
einzelnen oben beschriebenen Piezokeramiken sind beiderseits mit
metallischen Elektroden versehen. Wird an diese Elektroden eine
Spannung angelegt, so reagiert die Piezokeramik mit einer Gitterverzerrung,
die entlang der Hauptachse zu der oben bereits erläuterten
nutzbaren Längenausdehnung
führt.
Da diese allerdings weniger als 2 Promille der Schichtdicke entlang
der Hauptachse beträgt, muss
zur Erzielung einer gewünschten
absoluten Längenausdehnung
eine entsprechend höhere Schichtdicke
aktiver Piezokeramik bereitgestellt werden. Mit zunehmender Schichtdicke
der einzelnen Piezokeramik-Schichten innerhalb eines Piezoaktors steigt
jedoch auch die zum Ansprechen des Piezoaktors erforderliche Spannung.
Um diese in handhabbaren Grenzen zu halten, liegen die Dicken von
einzelnen Schichten bei Vielschicht-Aktoren üblicherweise zwischen 20 μm und 200 μm. Ein Piezoaktor muss
daher beispielsweise für
eine gewünschte
Längenausdehnung
eine entsprechende Anzahl an Einzelelementen bzw. -schichten aufweisen.
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Es
ist der Anmelderin bekannt, zur Herstellung von Piezoaktoren beispielsweise
Piezokeramik-Grünfolien
alternierend mit Elektrodenmaterial in einem Stapel anzuordnen und
gemeinsam zu sintern. Dadurch entsteht ein ausreichend fester Verbund
der Einzelschichten in dem Piezoaktor. Die in dem Vielschicht-Aktor
integrierten Arbeitselektroden werden für eine wechselseitige elektrische
Kontaktierung alternierend an die Oberfläche beispielsweise der sich
gegenüberliegenden
Seiten des Aktors geführt
und dort jeweils durch eine Außenelektrode elektrisch
parallel geschaltet. Zur elektrischen Isolierung bestehen die Endbereiche,
d.h. der Kopfbereich und der Fußbereich,
aus piezo-elektrisch inaktiven bzw. elektrodenfreien Lagen aus Piezokeramik.
Die Endbereich an den Stirnflächen
des aktiven Bereiches sind erforderlich, um einen elektrischen Kurzschluss
zu den angrenzenden metallischen Bauteilen zu vermeiden.
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Bei
der erstmaligen elektrischen Ansteuerung des aktiven Bereiches bis
in den Großsignalbereich
wird die Piezokeramik des piezo-elektrisch aktiven Bereiches entsprechend
der angelegten elektrischen Spannung gepolt und erfährt dabei
eine irreversible Längenänderung,
welche als sogenannte remanente Dehnung bezeichnet wird. Aufgrund
dieser remanenten Dehnung und aufgrund weiterer Ursachen entstehen
im Übergangsbereich
zwischen dem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich und dem piezo-elektrisch
aktiven Bereich erhöhte
mechanische und thermische Zugspannungen im keramischen Werkstoff,
die entweder schon während
des Sinterprozesses zu unerwünschten
Längsrissen
führen oder
im fertigen Bauteil festigkeitsmindernd wirken. Derartige unerwünschte Längsrisse,
die beispielsweise senkrecht zu der Ebene der Elektroden und durch
den Piezoaktor hindurch verlaufen, können weit in den aktiven Bereich
hineinwachsen. Dabei können
die Arbeitselektroden durchtrennt und Spalten zwischen den Arbeitselektroden
unterschiedlichen Potentials geschaffen werden. An diesen Stellen
kann es zu elektrischen Überschlägen kommen, welche
im weiteren in einem Ausfall des Piezoaktors resultieren. Dadurch
kann eine Dauerhaltbarkeit des Piezoaktors nicht weiter gewährleistet
werden.
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Um
derartige Rissbildungen aufgrund auftretender mechanischer Spannungen
zu vermeiden, können
beispielsweise die Betriebsgrenzen beim piezo-elektrischen Betrieb
des Piezoaktors derart gewählt
werden, dass die entstehenden mechanischen Spannungen zu gering
für die
Bildung von Längsrissen
sind.
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An
diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass für
sehr viele Anwendungen ein großer
Verstellweg des Piezoaktors erwünscht
ist, so dass dieser meist in seinen Betriebsgrenzen angesteuert
werden muss.
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Ferner
existieren verschiedene Lösungen, die
mechanischen Spannungen in dem Übergangsbereich
zwischen dem piezo elektrisch aktiven Bereich und dem piezo-elektrisch
inaktiven Endbereichen zu verringern. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 02 574 A1 ist
es bekannt, zwischen dem aktiven Bereich und dem inaktiven Kopfbereich
bzw. Fußbereich
einen zusätzlichen Übergangsbereich
zu integrieren, dessen Schwindung während der Herstellung und dessen
Bedienungsverhalten während
des Betriebes zwischen der Schwindung bzw. dem Dehnungsverhalten
des aktiven und der Schwindung bzw. dem Dehnungsverhalten der inaktiven
Bereiche liegt.
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An
diesen Ansatz gemäß dem Stand
der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass eine Herstellung eines derartigen zusätzlichen Übergangsbereiches aufwändig und
mit zusätzlichen
Herstellungskosten verbunden ist.
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Die
Druckschrift
DE 102
15 992 A1 beschreibt einen Piezoaktor, dessen inaktive
Bereiche jeweils eine nicht ansteuerbare Blindelektrodenschicht
aufweisen. Die zusätzlichen
Elektrodenschichten in piezo-elektrisch inaktiven Bereichen sollen
für ein
gleiches Schwindungsverhalten wie bei dem piezo-elektrisch aktiven
Bereich sorgen.
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An
diesem Ansatz gemäß dem Stand
der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass die zusätzlichen
Blindelektrodenschichten lediglich mittels eines zusätzlichen Herstellungsschrittes
vorgesehen werden können.
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Ferner
weisen alle oben genannten Lösungsansätze den
Nachteil auf, dass durch remanente Ausdehnungsunterschiede bedingte
mechanischer Spannungen zwischen den aktiven und den inaktiven Bereichen
nicht verringert werden können. Somit
besteht bei diesen Ansätzen
nach wie vor die Möglichkeit
einer Bildung von nicht erwünschten Längsrissen
aufgrund auftretender, undefinierter mechanischer Spannungen zwischen
den aktiven und den inaktiven Bereichen, bedingt durch remanente Ausdehnungsunterschiede.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Piezoaktor
und ein Herstellungsverfahren für
denselben anzugeben, wobei längsrissbildende,
unerwünschte
mechanische Spannungen zwischen dem piezo-elektrisch aktiven und
dem piezo-elektrisch inaktiven Bereichen aufgrund von remanten Ausdehnungsunterschieden verringert
bzw. minimiert sind.
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Erfindungsgemäß wir diese
Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und durch den Piezoaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs
6 gelöst.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin,
dass zunächst
ein piezo-elektrisch aktives Segment bestehend aus einem piezo-elektrischen
Material und aus mindestens zwei flächig einander gegenüberliegenden
Elektroden sowie zwei piezo-elektrisch inaktive Endsegmente getrennt
voneinander hergestellt werden, wobei anschließend jeweils eines der beiden
piezo-elektrisch inaktiven Endsegmente mit einer zugeordneten Stirnseite
des piezoelektrisch aktiven Segmentes mittels mindestens eines Verbindungsmittels
miteinander verbunden werden. Das mindestens eine Verbindungsmittel
weist dabei eine Verbindungskraft auf, die geringer ist als die
für eine
Rissbildung in dem piezo-elektrischen Material erforderliche Kraft.
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Somit
wird eine Art Sollbruchstelle in dem Übergangsbereich zwischen dem
piezo-elektrisch aktiven Bereich und dem piezoelektrisch inaktiven Endbereich,
d.h. im Bereich der höchsten
mechanischen und thermischen Belastung geschaffen, welche verhindert,
dass schädliche
Risse in Längsrichtung
in der Piezokeramik entstehen und somit die Dauerhaltbarkeit im
Lebenszyklus reduzieren. Es kann also die Lebensdauer des Piezoaktors
deutlich erhöht
werden, auch bei den immer höheren
Anforderungen an beispielsweise ein Einspritzsystem mit immer steigender
Anzahl an Schaltzyklen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der weiteren Unteransprüche
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung wird als mindestens ein Verbindungsmittel
ein geeignetes Klebemittel verwendet. Im Falle zu hoher mechanischer
Spannungen aufgrund remanenter Ausdehnungsunterschiede zwischen
dem aktiven Bereich bzw. dem aktiven Segment und dem inaktiven Endbereich
bzw. dem inaktiven Endsegment erfolgt ein Bruch im Bereich der Verklebung
bevor sich ein schädlicher
Längsriss
in der Keramik bilden kann, da das Klebemittel eine Verbindungskraft
aufweist, die geringer ist als die Kraft zur Ausbildung von Längsrissen.
Somit dient die Klebeverbindung bzw. das Klebemittel als Sollbruchstelle
und verhindert eine Rissbildung in der Piezokeramik.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird der Piezoaktor in monolithischer Vielschicht-Bauweise aus einem
keramischen, piezo-elektrischen Material hergestellt. Das piezo-elektrisch
aktive Segment wird dabei vorzugsweise aus mehreren in einem Stapel
angeordneten Grünfolien hergestellt,
welche jeweils mit einer Innenelektroden-Bedruckung zum Schaffen
von Arbeitselektroden ausgebildet werden. Die beiden separat hergestellten
piezo-elektrisch inaktiven Endsegmente werden vorzugsweise jeweils
aus mehreren in einem Stapel angeordneten Grünfolien, vorzugsweise aus demselben
Material wie die Piezokeramik des aktiven Segmentes, hergestellt,
wobei jeweils mehrere in einem Stapel angeordnete Grünfolien
vorgesehen werden, welche jeweils ohne einer Innenelektroden-Bedruckung ausgebildet
werden. Die drei Einzelsegmente werden anschließend, wie oben bereits erläutert, mittels
eines geeigneten Verbindungsmittels geeignet aneinandergefügt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen
dabei:
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1 eine
Draufsicht auf einen Piezoaktor gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine
Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A aus 1.
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In
den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Im
folgenden wird anhand der 1 und 2 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert,
wobei 1 eine Draufsicht auf einen Piezoaktor und 2 eine Querschnittsansicht
entlang der Schnittlinie A-A aus 1 darstellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Piezoaktor nicht ganzheitlich mit einer definierten Schichtanzahl
aus inaktiven, aktiven und wiederum inaktiven Grünfolien übereinander gestapelt und anschließend zusammenverpresst,
entbindert und gesintert, sondern es werden drei einzelne Segmente 1, 2 und 3 getrennt
voneinander hergestellt und anschließend geeignet miteinander verbunden.
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Wie
in 2 ersichtlich ist, wird ein piezo-elektrisch aktives
Segment 1 aus einer definierten Schichtanzahl aus aktiven
Grünfolien
hergestellt, wobei die aktiven Grünfolien mit einer Innenelektrodenbedruckung
zum Schaffen von Arbeitselektroden 4 ausgeführt werden.
Die bedruckten Arbeitselektroden 4 werden hinlänglich bekannter
Art und Weise alternierend zu sich gegenüberliegenden Abschnitten des
Piezoaktors für
eine jeweilige elektrische Kontaktierung derselben nach außen geführt. Die
mit Elektroden 4 bedruckten Piezokeramikschichten werden zum
Herstellen des aktiven Segmentes 1 übereinander gestapelt und anschließend verpresst,
entbindert und gesintert.
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Unabhängig von
der Herstellung des piezo-elektrisch aktiven Segmentes 1 werden
zwei einzelne piezo-elektrisch inaktive Endsegmente, d.h. ein oberes
Endsegment 2 und ein unteres Endsegment 3 hergestellt.
Vorzugsweise bestehen die beiden Endsegmente 2 und 3 jeweils
aus dem gleichen piezoelektrischen Material wie das piezo-elektrisch
aktive Segment 1. Beispielsweise bestehen somit auch die
inaktiven Endsegmente 2 und 3 aus einer definierten
Schichtanzahl von Grünfolien,
welche übereinander
gestapelt und anschließend
verpresst, entbindert und gesintert werden. Hierbei werden die Grünfolien
allerdings ohne einer Innenelektroden-Bedruckung ausgeführt.
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Anschließend wird
das obere inaktive Endsegment 2 mit der oberen Stirnseite
des aktiven Segmentes 1 sowie das untere inaktive Endsegment 3 mit
der unteren Stirnseite des aktiven Segments 1 in geeigneter
Weise gekoppelt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden die inaktiven Endsegmente 2 und 3 mit
den jeweils zugeordneten Flächen des
aktiven Segmentes 1 mittels eines geeigneten Klebemittels 5 bzw. 6 verklebt,
wie in 2 dargestellt ist. Das Klebemittel 5 bzw. 6 weist
vorzugsweise eine Verbindungs- bzw. Klebekraft auf, welche geringer
ist als die für
eine Bildung von schädlichen Längsrissen
in dem aktiven Segment 1 erforderliche Kraft. Somit dienen
die Klebeverbindungen 5 bzw. 6 jeweils als Sollbruchstelle,
welche sich im Falle von mechanischen Spannungen aufgrund von remanenten
Ausdehnungsunterschieden oder dergleichen zwischen dem aktiven Segment 1 und
dem angrenzenden inaktiven Endsegment 2 bzw. 3 löst bzw.
die Klebeverbindung freigibt, bevor eine schädliche Rissbildung in der Piezokeramik,
beispielsweise des aktiven Segmentes 1, erfolgen kann.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
die inaktiven Endsegmente 2 und 3 nach einer geeigneten Ausrichtung
auf dem aktiven Segment 1 mittels einer auf dem Umfang
des gesamten Piezoaktors aufgebrachten Passivierungsschicht auf
den zugeordneten Stirnseiten des aktiven Segmentes 1 angebracht werden.
Hierbei dient die Passivierungsschicht als Sollbruchstelle, welche
ebenfalls bei mechanischen Spannungen aufbricht und für eine mechanische
Entlastung derart an geeigneten Stellen sorgt, dass ebenfalls schädliche Rissbildungen
in der Piezokeramik nicht erfolgen können. Die verbleibenden mechanischen
Spannungen reichen nicht weiter für eine Rissbildung in Längsrichtung
des Piezoaktors aus.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann der Piezoaktor in eine geeignete Vorspanneinrichtung eingespannt
und mit einer Vorspannkraft derart beaufschlagt werden, dass die
einzelnen Segmente 1, 2 und 3 aufgrund
der mechanischen Vorspannung miteinander gekoppelt werden. Auch
in diesem Fall führt die
Trennstelle zwischen den inaktiven Endsegmenten 2 und 3 und
dem aktiven Segment 1 zu einer mechanischen Entlastung
von auftretenden mechanischen Spannungen, so dass ebenfalls schädliche Längsrisse
verhindert werden können.
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Vorzugsweise
folgt eine Verbindung der drei Segmente 1, 2 und 3 nach
einer vollständigen
Fertigstellung der einzelnen Segmente. Allerdings kann eine Verbindung
der einzelnen Segmente 1, 2 und 3 miteinander
auch direkt nach einem Sinterprozess und vor einer Aufbringung einer
Außenmetallisierung erfolgen.
Vorteilhaft werden die einzelnen Segmente 1, 2 und 3 zunächst aufeinander
gelegt und entsprechend ausgerichtet und anschließend mit
einer geeigneten Passivierungsschicht ummantelt.
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Somit
schafft die vorliegende Erfindung im Bereich der höchsten mechanischen
und thermischen Belastung, d.h. in dem Übergangsbereich zwischen dem
piezo-elektrisch aktiven Bereich und dem piezo-elektrisch inaktiven
Endbereich eine Sollbruchstelle, welche verhindert, dass schädliche Risse
in Längsrichtung
der Piezokeramik entstehen und die Dauerhaltbarkeit im Lebenszyklus
des Piezoaktors reduzieren. Die Umsetzung des vorliegenden Erfindungsgedankens
kann bei immer höheren
Anforderungen an das Einspritzsystem, in welchem ein Piezoaktor
beispielsweise bei hydraulischen Drücken von über 1800 bar verwendet wird,
oder bei Mehrfacheinspritzungen mit einer hohen Anzahl an Schaltzyklen
und größeren Auslenkungen
der Piezokeramik zu einer Erhöhung
der Lebensdauer des Piezoaktors führen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige
Weise modifizierbar.