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Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, wie er beispielsweise als Steller oder Sensor in Kraftstoffeinspritzsystemen verwendet werden kann.
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Stand der Technik
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Heute übliche Piezoaktoren, wie sie vorzugsweise zur Steuerung oder als Sensor in Kraftstoffeinspritzsystemen verwendet werden, sind als sogenannte Multilayer- oder Mehrschichtaktoren aufgebaut. Diese bestehen aus einer Vielzahl von Piezokeramikschichten mit einer definierten Dicke, zwischen denen jeweils eine metallische Schichtelektrode angeordnet ist. Die Schichtelektroden sind wechselseitig an die Oberfläche des Piezoaktors geführt und dort mit einer Außenelektrode kontaktiert. Dabei wechseln sich jeweils eine Plus- und eine Minus-Schichtelektrode ab, wobei zwei benachbarte Schichtelektroden eine Piezokeramikschicht definierter Dicke einschließen. Da es sich bei einem solchen Piezoaktor bezüglich seiner elektrischen Eigenschaften um ein kapazitives Bauteil handelt, verfügt dieser über die Fähigkeit, Ladungen auf seinen Schichtelektroden zu speichern und kann folglich eine elektrische Spannung zwischen den Schichtelektroden über einen längeren Zeitraum aufrecht erhalten. Über Kriechströme verfügt ein solche Piezoaktor natürlich über eine gewisse Selbstentladung, diese ist aber quantitativ nicht näher spezifiziert und in vielen Fällen äußerst gering.
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Der Piezoaktor wird von einem geeigneten Steuergerät mit einer Spannung beaufschlagt, damit über den dadurch bewirkten Hub des Piezoaktors eine Steuerung des Einspritzventils oder der sonstigen Einspritzeinrichtung vorgenommen werden kann. Fällt das Steuergerät aus oder wird plötzlich die Verbindung des Steuergeräts zum Piezoaktor unterbrochen, bleibt der Piezoaktor geladen. Damit sich ein geladener Piezoaktor in einem definierten Zeitintervall sicher entlädt, wird dem Aktor derzeit ein sogenannter Ableitwiderstand parallel geschaltet. Dabei handelt es sich um ein separates Bauelement, welches außerhalb des Aktors, aber meist innerhalb des Injektors parallel zu den Anschlusselektroden des Aktors geschaltet wird. Ein typischer Widerstandswert für diesen Ableitwiderstand beträgt 180 kΩ. Bei einer Aktorkapazität von ca. 4,5 µF ergibt sich daraus eine Entladezeitkonstante des Aktors von etwa 0,8 s.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 101 47 666 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, bei dem der Ableitwiderstand in den Piezoaktor integriert ist. Dazu wird zumindest eine Schichtelektrode hochohmig ausgebildet und mit beiden Anschlusselektroden verbunden. Bei einer entsprechenden Dimensionierung des Widerstands kann diese Schichtelektrode den externen Ableitwiderstand ersetzen.
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Da der Piezoaktor beim Betreiben in sehr kurzen Zeitabständen geladen und wieder entladen wird, trägt der parallel geschaltete, hochohmige Ableitwiderstand bei der regulären Funktion des Aktors nichts zur Funktion bei. Aufgrund der notwendigen Verbindungs- und Isoliertechnik verursacht der Ableitwiderstand aber Kosten, die deutlich höher als die eigentlichen Bauteilkosten des Ableitwiderstands liegen. Außerdem muss auch die Qualität der elektrischen Verbindung sowie deren sichere Isolation nach außen überwacht werden, was ebenfalls Kosten verursacht. Wird der Ableitwiderstand hingegen einfach weggelassen, so bleibt die Spannung des Piezoaktors unter Umständen über längere Zeiträume erhalten und kann sich beispielsweise bei der Montage oder Demontage des Piezoinjektors unkontrolliert entladen.
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Die Schichtelektroden des Piezoaktors sind flach ausgebildet, sodass sich zwischen zwei benachbarten Schichtelektroden jeweils ein nahezu homogenes elektrisches Feld ausbildet, welches die Dehnung der Keramik letztendlich bewirkt. Die Feldstärke dieses homogenen Felds zwischen zwei Schichtelektroden ergibt sich als der Quotient aus der zwischen den Schichtelektroden angelegten Spannung und dem Abstand zwischen zwei benachbarten Schichtelektroden, also der Schichtdicke der Keramik. Zum Schutz vor Verschmutzung und Beschädigung bei der Handhabung ist ein solcher Aktor an seinen Mantelflächen mit einer isolierenden Lackschicht versehen, was jedoch zu Problemen führen kann. Da sowohl der Lack als auch die Keramik bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften Isolatoren darstellen, können sich über einen längeren Zeitraum hinweg Oberflächenladungen auf der Oberfläche der Keramik oder des Lacks bilden, die dort weitgehend ortsfest bleiben. Dieses Feld, das innerhalb des Aktors zu einem inhomogenen elektrischen Feld führt, überlagert sich nun mit dem homogenen elektrischen Feld, das zwischen den Schichtelektroden durch die angelegte Spannung erzeugt wird, wodurch sich lokal eine nennenswerte Erhöhung der Feldstärke ergeben kann, die deutlich höher liegt als sie oben erwähnte Stärke des homogenen Felds. Da der Aktor zur Erreichung eines maximalen Hubs mit einer Spannung versorgt wird, die zu einem elektrischen Feld führt, das nahe der Überschlagsfeldstärke liegt, ergibt sich durch eine lokale Feldstärkeüberhöhung zum einen eine erhöhte mechanische Belastung des Aktors an dieser Stelle, zum anderen ein stark überhöhtes Risiko von elektrischen Überschlägen, die schließlich zu einem Totalausfall des Piezoaktors führen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Piezoaktor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass eine definierte Selbstentladung des Aktors sichergestellt ist, ohne dass ein Ableitwiderstand als separates Bauteil benötigt wird. Darüber hinaus weist der Piezoaktor den Vorteil auf, dass die beschriebenen Oberflächenladungen nicht auftreten und somit die damit verbundenen Nachteile nicht auftreten. Hierzu ist der Piezoaktor zumindest auf einem Teil seiner Oberfläche mit einer Lackschicht überzogen, die schwach elektrisch leitend ist und die in elektrischem Kontakt mit den beiden Anschlusselektroden steht, sodass eine hochohmige Verbindung zwischen den Anschlusselektroden hergestellt wird. Wird der spezifische Widerstand dieser Lackschicht entsprechend gewählt, ergibt sich eine definierte Entladung des Piezoaktors für den Fall, dass die Verbindung zum Steuergerät unterbrochen wird oder das Steuergerät ausfällt. Zum anderen werden Oberflächenladungen, die sich auf der Oberfläche des Piezoaktors oder des Lacks bilden können, durch die hochohmige, elektrisch leitende Lackschicht abgeführt.
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Durch die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands der Erfindung möglich. Neben der Entladung des Piezoaktors über die Anschlusselektroden, die wiederum in elektrischem Kontakt mit der Lackschicht stehen, ist es auch möglich, dass die Lackschicht direkt mit den Schichtelektroden elektrisch zu verbinden. Dadurch bleibt die elektrische Entladung sichergestellt, auch dann, wenn sich die Anschlusselektrode beispielsweise gelöst haben sollte. Als besonders vorteilhaft hat sich ein spezifischer Widerstand der Lackschicht von 105 bis 107 Ω·m herausgestellt, vorzugsweise etwa 106 Ω·m.
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Zur Vermeidung von Oberflächenladungen ist es besonders vorteilhaft, wenn der gesamte Piezoaktor mit einer solchen Lackschicht bedeckt ist, die auch die Stirnfläche des Piezoaktors bedeckt. Somit kann an keiner Stelle der Oberfläche eine entsprechende Ladung entstehen.
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Als besonders vorteilhaft hat sich eine Lackschichtdicke von weniger als 0,2 mm erwiesen, vorzugsweise 0,05 - 0,1 mm, da diese in der Regel ausreichend flexibel ist, um die Längenänderung des Piezoaktors mitzumachen, ohne dass Risse in der Lackschicht die Funktion als Ableitwiderstand beeinträchtigen.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Piezoaktor dargestellt. Es zeigen:
- 1 einen Piezoaktor mit den entsprechenden Anschlusselektroden, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist,
- 2 einen erfindungsgemäßen Piezoaktor und
- 3 denselben Aktor wie in 2 in einer Draufsicht.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ein Piezoaktor mit den entsprechenden elektrischen Anschlüssen dargestellt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Piezoaktor weist eine Reihe von Aktorschichten 1 auf, zwischen denen jeweils eine Schichtelektrode 4, 4' angeordnet ist. Die Schichtelektroden 4, 4' sind dabei wechselseitig an die Oberfläche des Piezoaktors geführt und dort mit jeweils einer Anschlusselektrode 3, 3' elektrisch verbunden. Dadurch lässt sich eine elektrische Spannung zwischen den Schichtelektroden 4, 4' über eine elektrische Spannung anlegen, die zwischen den Anschlusselektroden 3, 3' angelegt wird. Die Anschlusselektroden 3, 3' sind ihrerseits elektrischen Leitungen 5, 5' verbunden, die bis zu elektrischen Anschlüssen 7, 7' führen, die letztendlich mit einer entsprechenden Spannungsquelle, in einer Brennkraftmaschine vorzugsweise dem Steuergerät, verbunden sind. Zwischen den elektrischen Leitungen 5, 5' ist ein Ableitwiderstand 10 angeordnet, der eine hochohmige Verbindung parallel zum Piezoaktor zwischen den elektrischen Anschlüssen 7, 7' bzw. den elektrischen Leitungen 5, 5' herstellt. Ist das Steuergerät abgeschaltet oder ist die elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Anschlüssen 7, 7' und der Spannungsquelle unterbrochen, so findet eine elektrische Entladung des Piezoaktors, der durch die Vielzahl von parallelen elektrisch leitenden Schichtelektroden 4, 4' eine Kapazität darstellt, über den Ableitwiderstand 10 statt in einer definierten Zeit statt.
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Der Piezoaktor weist einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt auf und weist darüber hinaus eine erste Stirnfläche 8 und eine zweite Stirnfläche 9 auf, zwischen denen durch das Anlegen der elektrischen Spannung zwischen den Schichtelektroden 4,4' eine Längenänderung stattfindet, sodass der Piezoaktor als Aktor oder als Sensor verwendbar ist, beispielsweise für den Einsatz in einer Einspritzanlage für selbstzündende Brennkraftmaschinen. Die vier Seitenflächen des Piezoaktors bilden eine Mantelfläche 6, die bei den bekannten Piezoaktoren mit einem elektrisch nicht leitfähigen Lack überzogen ist, um eine elektrische Isolierung nach außen zu erreichen.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Piezoaktor, der sich von dem in 1 dargestellten Piezoaktor dadurch unterscheidet, dass zumindest ein Teil der Mantelfläche 6 mit einer elektrisch schwach leitenden Lackschicht 12 beschichtet ist. Die Lackschicht 12 steht in elektrischem Kontakt mit den Anschlusselektroden 3, 3', sodass eine hochohmige Verbindung zwischen den Anschlusselektroden 3, 3' zustande kommt. 3 zeigt hierzu eine Draufsicht des Piezoaktors nach 2, wobei die Lackschicht 12 zur Verdeutlichung übertrieben dick dargestellt ist.
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Die Lackschicht 12 bedeckt vorzugsweise die gesamte Mantelfläche 6 und insbesondere die Anschlusselektroden 3, 3', sodass die hochohmige Verbindung über die gesamte Mantelfläche des Piezoaktors zustande kommt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass nur ein Teil der Mantelfläche 6 von der elektrisch leitfähigen Lackschicht bedeckt ist aber jedenfalls so viel, dass ein elektrischer Kontakt zwischen den Anschlusselektroden 3, 3' zustande kommt.
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Ebenfalls kann es vorgesehen sein, dass die Lackschicht 12 die Mantelfläche 6 nur teilweise bedeckt, ohne dabei die Anschlusselektroden 3, 3' direkt miteinander zu verbinden. Die Lackschicht 12 verbindet in diesem Fall vielmehr die Anschlusselektroden 3, 3' jeweils mit wenigstens einer Schichtelektrode 4, 4', über die die elektrische Verbindung zwischen den Anschlusselektroden 3, 3' schließlich zustande kommt.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Lackschicht 12 neben der Mantelfläche 6 auch die Stirnflächen 8, 9 oder Teile davon bedeckt, um eine allseitige Isolierung des Piezoaktors zu erreichen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Oberflächenladungen, die sich auf der Keramik bilden, abgeleitet werden sollen, um eine lokale Erhöhung der Feldstärke innerhalb des Piezoaktors zu verhindern. Andernfalls kann es durch diese Oberflächenladungen zusammen mit dem homogenen Feld, das zwischen den Schichtelektroden 4, 4' durch das Anlegen der Spannung an die elektrischen Anschlüsse 7, 7' entsteht, zu einer lokalen Feldüberhöhung kommen, was letztendlich zu einem elektrischen Überschlag und damit zur Zerstörung des Piezoaktors führen kann.
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Der spezifische Widerstand der Lackschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 105 bis 107 Ω·m. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Widerstand von 106 Ω·m erwiesen. Bei einer Lackschichtdicke von etwa 0,1 mm ergibt sich so bei den üblichen Abmessungen eines Piezoaktors, wie er in Einspritzeinrichtungen verwendet wird, ein Ableitwiderstand in Höhe von etwa 180 kΩ. Die Dicke der Lackschicht hängt vom spezifischen Widerstand ab, beträgt aber im allgemeinen weniger als 0,2 mm, vorzugsweise von 0,05 bis 0,1 mm, da ansonsten die Gefahr besteht, dass die Lackschicht 12 durch die Bewegungen des Piezoaktors bricht und sich vom Piezoaktor löst.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die leitfähige Lackschicht 12 von einem nicht elektrisch leitfähigen Schutzlack überstrichen ist, sodass zwei Lackschichten auf dem Piezoaktor ausgebildet sind, wobei die isolierende Lackschicht die elektrisch leitfähige Lackschicht 12 überdeckt.
