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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit Verkapselung,
insbesondere einen Vielschichtaktor.
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2. Hintergrund der Erfindung
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Piezokeramische
Multilayer-Aktoren bestehen aus alternierend angeordneten Schichten
aus Piezokeramik- und Innenelektrodenmaterial. Die Innenelektroden
reichen dabei bis zu den Stack-Seitenflächen, um
eine größtmögliche aktive
Fläche
pro Bauvolumen zu erreichen. Diese elektrisch unter einer hohen
Feldbelastung stehenden Seitenflächen führen aber
zusammen mit den in monolithischen Multilayer-Piezostacks normalerweise
auftretenden Polungsrissen dazu, dass solche Piezoaktoren nicht direkt
in elektrisch leitenden Flüssigkeiten
betrieben werden können.
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Insbesondere
bei gewünschtem
Betrieb des Piezoaktors in Kraftstoffen, z. B. Direkteinspritzsysteme
im Automobilbereich, die üblicherweise
immer gewisse Anteile an Wasser oder Additiven aufweisen, ist daher
eine elektrische Passivierung des Piezostacks gegenüber seiner
Umgebung zwingend erforderlich. Soll der Piezoaktor zusätzlich im
Hochdruckbereich dieser Injektoren betrieben werden (Drücke bis
ca. 2000 bar), besteht eine bekannte Anordnung darin, den Piezostack
in ein hermetisch dichtes metallisches Gehäuse einzubringen. Das metallische
Gehäuse,
beispielsweise Dehn- oder Wellrohr, behindert die Nutzdehnung des
Piezoaktors nicht. Derartige Rohre weisen eine hohe radiale Eigensteifigkeit
auf, müssen
jedoch in axialer Richtung flexibel sein, da durch den anliegenden
Hochdruck sowie die erwünschte
Dehnung des Piezostacks Längenänderungen
im Bereich von > 100 μm ermöglicht werden
müssen.
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Da
ein äußerer Druck
von ca. 2000 bar jedoch von einem solchen Metallrohr ertragen werden soll,
ist es notwendig, ein Medium in den Raum zwischen Rohrmantel-Innenseite
und Piezostack-Oberfläche
einzubringen, das den äußeren Druck
auf die sehr steife Piezokeramik ableitet. Auf diese Weise wird
die im Metallrohr entstehende Druckdifferenz gering gehalten. Dieses
Medium soll aber die bei Druckänderung
und elektrischer Ansteuerung auftretenden Längenänderungen des Piezostacks in
axialer Richtung möglichst
wenig beeinflussen.
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Ein
weiteres Ziel dieses Druckübertragungsmediums
ist, den Piezostack unter quasi-isostatischen allseitigen Druck
zu setzen, da bei größeren anliegenden
Druckunterschieden in unterschiedlichen Richtungen des Piezostacks
irreversible Domänenschaltprozesse
stattfinden. Diese beeinflussen negativ die Nutzdehnung des Piezostacks
sowie dessen Drift- und Alterungsverhalten.
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Ein
bekannter Piezoaktor mit Verkapselung ist in der deutschen Patentanmeldung
10 2006 006 076.8 offenbart. Diese Anordnung nutzt ein massives Druckübertragungsmedium
zur Abstützung
eines umgebenden Wellrohrs auf dem mittig angeordneten Piezoaktor.
Das massive Übertragungsmedium
stützt sich
beispielsweise über
ein Gleitlager, Wälzlager oder
eine Teflonschicht an der Oberfläche
des Piezoaktors ab. Trotz Gleitlager, Wälzlager und Teflonschicht,
die eine möglichst
reibungslose Längsdehnung
des Piezoaktors gewährleisten
sollen, kommt es zu Klemmungen durch die über das Übertragungsmedium übertragenen äußeren Druckspannungen,
die die Nutzdehnung des Piezoaktors verringern. Des Weiteren sind
Gleit- und Wälzlager
aufwendig in ihrer Konstruktion und stellen einen beachtlichen Kostenpunkt
bei der Herstellung von Piezoaktoren mit Verkapselung dar.
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Es
ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, einen Piezoaktor
mit Verkapselung bereitzustellen, der einen verbesserten Betrieb
im Vergleich zum Stand der Technik gewährleistet.
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3. Zusammenfassung der Erfindung
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Das
obige Problem wird durch einen Piezoaktor mit Verkapselung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der vorliegenden
Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, der Zeichnung und
den anhängenden
Ansprüchen
hervor.
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Der
erfindungsgemäße Piezoaktor
mit Verkapselung umfasst einen Piezoaktor mit einer Mehrzahl in
Stapelrichtung übereinander
angeordneter piezokeramischer Schichten, ein den Piezoaktor zumindest
parallel zur Stapelrichtung umgebendes Metallrohr, so dass ein mechanischer
Schutz und eine chemische Isolation des Piezoaktors gegen ein umgebendes
Medium gewährleistet
ist, ein zwischen dem Piezoaktor und dem Metallrohr angeordnetes Druckübertragungsmedium,
so dass eine auf das Metallrohr wirkende mechanische Belastung auf
den Piezoaktor übertragbar
ist, und eine zwischen dem Piezoaktor und dem Druckübertragungsmedium
angeordnete Funktionsschicht, die derart aufgebaut ist, dass eine
in Stapelrichtung auftretende Dehnung des Piezoaktors innerhalb
der Funktionsschicht mit zunehmender Entfernung vom Piezoaktor senkrecht zur
Stapelrichtung reduzierbar ist.
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Mit
Hilfe der obigen Anordnung wird ein Piezoaktor bereitgestellt, dessen
uneingeschränkter
Betrieb beispielsweise auch in einem Kraftstoffbad und unter dem
Einfluss von Hochdruck gewährleistet
ist. Dies wird vor allem dadurch ermöglicht, dass sich das nach
außen
den Piezoaktor schützende
Metallrohr oder Wellrohr mit Hilfe des Druckübertragungsmediums auf dem
Piezoaktor abstützen
kann. Dadurch werden einerseits Schutz und andererseits mechanische
Stabilität
des Piezoaktors mit Verkapselung sichergestellt. Des Weiteren verhindert
die innerhalb der Verkapselung angeordnete Funktionsschicht, dass
der Piezoaktor durch die von dem umgebenden Medium aufgebrachten
Druckkräfte
klemmend in seinem Betrieb behindert wird. Diese Funktionsschicht
lässt auf
Grundlage von Werk stoffauswahl und innerer Struktur eine optimale
Dehnung des Piezoaktors in Stapelrichtung zu, während gleichzeitig senkrecht
zur Stapelrichtung innerhalb der Funktionsschicht diese Dehnungen
reduziert werden. Dadurch stellt die Funktionsschicht eine ausreichende Bewegungsfähigkeit
des Piezoaktors trotz der von außen einwirkenden Druckbelastungen
innerhalb der Verkapselung sicher.
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Gemäß einer
Ausführungsform
besteht die Funktionsschicht aus einem polymeren oder metallischen
oder keramischen Material. Es ist des Weiteren bevorzugt, das Material
der Funktionsschicht mit Verstärkungselementen
zu verstärken,
so dass anisotrope Schichteigenschaften parallel und senkrecht zur
Stapelrichtung erzeugt werden. Gemäß einer Ausführungsform
besteht die Funktionsschicht daher aus einem polymeren Material
mit einer Mehrzahl von Plättchen,
die annähernd
senkrecht zur Stapelrichtung (20) angeordnet sind, so dass
innerhalb der Funktionsschicht Druckkräfte senkrecht zur Stapelrichtung übertragbar
und Dehnungen parallel zur Stapelrichtung abbaubar sind.
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Gemäß einer
weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung besteht die Funktionsschicht
aus elektrisch isolierendem Material, so dass sie eine elektrische
Isolation oder Passivierung des Piezoaktors gegenüber dessen
Umgebung gewährleistet.
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Bei
Ausbildung der Funktionsschicht aus elektrisch isolierendem Material übernimmt
die Funktionsschicht sowohl mechanische als auch elektrische Eigenschaften.
Dies reduziert einerseits den Herstellungsaufwand des Piezoaktors
mit Verkapselung und minimiert zudem dessen Platzbedarf bei einem
späteren
Einbau. Gemäß einer
Weiterentwicklung der Materialgestaltung der Funktionsschicht ist diese
derart ausgebildet, dass sie weder in mögliche Polungsrisse oder andere
Oberflächenschädigungen des
Piezoaktors eindringt, und dadurch die Gewährleistung einer hohen Lebensdauer
des Piezoaktors unterstützt.
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Gemäß einer
weiteren Alternative des Piezoaktors wird die elektrische Isolation
des Piezoaktors durch eine zwischen Funktionsschicht und Piezoaktor
angeordnete Isolationsschicht bereitgestellt.
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Das
oben genannte Druckübertragungsmedium
zur Abstützung
des Metallrohrs auf dem Piezoaktor besteht bevorzugt aus einem Schaum-,
Geflecht- oder Gewebekörper,
so dass in Richtung des Metallrohrs Stützpunkte, -linien und/oder
-flächen vorhanden
sind.
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4. Kurze Beschreibung der
begleitenden Zeichnung
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung näher
erläutert.
Diese zeigt eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung
parallel zur Stapelrichtung des Piezoaktors.
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5. Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die
Figur zeigt eine bevorzugte Ausführungsform
des Piezoaktors mit Verkapselung 1. Im Zentrum der Figur
ist ein Piezoaktor 10, insbesondere ein Vielschichtaktor,
dargestellt. Der Piezoaktor 10 umfasst eine Mehrzahl piezokeramischer
Schichten 12, die in einer Stapelrichtung 20 übereinander
angeordnet sind. Zwischen zwei benachbarten piezokeramischen Schichten 12 befindet
sich jeweils eine Innenelektrode 14. Gemäß der hier
gezeigten Ausführungsform
bedecken die Innenelektroden 14 nur eine Teilfläche der
angrenzenden piezokeramischen Schichten 12, so dass die
Innenelektroden 14 über eine
großflächige Außenmetallisierung 16 kontaktierbar
sind. Es ist ebenfalls denkbar, die Innenelektroden 14 vollflächig auszubilden,
so dass ein vollaktiver Piezoaktor 10 entsteht. Bei einem
vollaktiven Piezoaktor würde
bevorzugt eine individuelle Kontaktierung der Innenelektroden 14 erfolgen.
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In
Stapelrichtung 20 gesehen befindet sich am oberen Ende
des Piezoaktors 10 eine Kopfplatte 70, während am
unteren Ende des Piezoaktors 10 eine Bodenplatte 80 angeordnet
ist.
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Die
Verkapselung des Piezoaktors 10 wird angrenzend an ein
umgebendes Medium (nicht gezeigt) durch ein Metallrohr 30 gebildet.
Das Metallrohr 30 ist gemäß einer Alternative ein zylindrisches Rohr
mit glatten Seitenflächen
parallel zur Stapelrichtung 20. Gemäß einer weiteren Alternative
wird das Metallrohr 30 durch ein Wellrohr mit einer wellenförmigen äußeren Oberfläche gebildet.
Die Wellenform dient der Aufnahme von Druckspannungen des umgebenden
Mediums, die zur Entlastung des Piezoaktors 10 in Biegebelastungen
umgewandelt werden. Ist das umgebende Medium chemisch aggressiv,
wie beispielsweise Dieselkraftstoff, stellt ein chemisch resistentes
Metall den geeigneten Werkstoff für das Metallrohr 30 dar.
Es ist ebenfalls denkbar, das Metallrohr 30 mit einer zusätzlichen äußeren Schutzschicht,
beispielsweise aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material,
zu versehen, um die Widerstandsfähigkeit
der Verkapselung zu steigern.
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Das
Metallrohr 30 ist bevorzugt hermetisch dicht mit der Kopfplatte 70 und
der Bodenplatte 80 verbunden. Eine derartige Verbindung
lässt sich durch
Schweißung
oder andere geeignete Verbindungsverfahren herstellen.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst des Weiteren ein zwischen dem Piezoaktor 10 und
dem Metallrohr 30 angeordnetes Druckübertragungsmedium 40.
Das Druckübertragungsmedium 40 überträgt mechanische
Belastungen des umgebenden Mediums von dem Metallrohr 30 auf
den Piezoaktor 10, so dass sich das Metallrohr 30 am
Piezoaktor 10 abstützt.
Das Druckübertragungsmedium 40 weist
eine hohe Steifigkeit senkrecht zur Stapelrichtung 20 und eine
geringe Steifigkeit parallel zur Stapelrichtung 20 auf.
Basierend auf der hohen Steifigkeit senkrecht zur Stapelrichtung 20 werden
die außen
an der Verkapselung anliegenden mechanischen Belastungen, beispielsweise
Hochdruck innerhalb eines Kraftstoffbads, auf den Piezoaktor 10 verteilt.
Die im Vergleich dazu geringe Steifigkeit des Druckübertragungsmediums 40 parallel
zur Stapelrichtung 20 dient dazu, den Betrieb des Piezoaktors 10 so
wenig wie möglich einzuschränken. Die
Oberfläche
des Druckübertragungsmediums 40 in
Richtung des Piezoaktors 10 als auch in Richtung des Metallrohrs 30 weist
Stützpunkte,
Stützlinien
und/oder Stützflächen auf,
die typischerweise weniger als 200 μm voneinander beabstandet sind.
Die Stützstrukturen
dienen dazu, die von außen
auf die Verkapselung aufgebrachten mechanischen Belastungen möglichst
gleichmäßig auf das
Druckübertragungsmedium 40 zu
verteilen. Dies verhindert einerseits eine irreversible Deformation oder
Zerstörung
der Stützstrukturen
bzw. des Druckübertragungsmediums 40 sowie
eine plastische Verformung des Metallrohrs 30.
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Die
Stützstrukturen
des Druckübertragungsmediums 40 werden
gemäß verschiedener
Ausführungsformen
aus mikroporösen
und gegebenenfalls segmentierten Schaum-, Geflecht- oder Gewebekörpern gebildet.
Diese sind aus einem polymeren, metallischen, glasartigen oder keramischen
Werkstoff hergestellt. Weitere Ausgestaltungen der Stützstrukturen
und Werkstoffe des Druckübertragungsmediums 40 gehen
aus der Patentanmeldung 10 2006 006 076.8 hervor.
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Der
Piezoaktor mit Verkapselung 1 umfasst des Weiteren eine
Isolationsschicht 60, die auf der Oberfläche des
Piezoaktors 10 parallel zur Stapelrichtung 20 angeordnet
ist. Die Isolationsschicht 60 wird als eine dünne polymere,
glasartige oder keramische Passivierungsschicht aufgebracht. Sie
gewährleistet
eine elektrische Isolation des Piezoaktors 10 gegenüber der
Umgebung, während
gleichzeitig die Betriebsdehnung des Piezoaktors 10 ohne
Zerstörung
der Isolationsschicht 60 sichergestellt ist. Die Isolationsschicht 60 weist
zudem eine hohe mechanische Stabilität gegen punktuelle mechanische
Druckspannungen auf, so dass sie den mechanischen Belastungen durch
das Druckübertragungsmedium 40 widersteht.
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Das
Material der Isolationsschicht 60 ist bevorzugt derart
ausgewählt,
dass es beispielsweise trotz hoher äußerer Drücke nicht in Risse; Poren oder Oberflächenschädigungen
des Piezoaktors 10 eindringt und dadurch ein Versagen des
Piezoaktors 10 unterstützt.
Dies gilt beispielsweise für
Rissöffnungen im
Bereich von 1 bis 20 μm.
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Der
Piezoaktor mit Verkapselung 1 umfasst zudem eine zwischen
dem Piezoaktor 10 und dem Druckübertragungsmedium 40 angeordnete
Funktionsschicht 50. Diese Funktionsschicht 50 ist
derart aufgebaut, dass Dehnungen des Piezoaktors parallel zur Stapelrichtung 20 nicht
behindert werden und diese Dehnungen senkrecht zur Stapelrichtung
innerhalb der Funktionsschicht 50 mit zunehmender Entfernung
vom Piezoaktor 10 abgebaut werden. Auf diese Weise werden
die Nutzdehnung des Piezoaktors 10 und durch Setzen und
Druckeinfluss hervorgerufene reversible Längenänderungen des Piezoaktors 10 senkrecht
zur Stapelrichtung 20 sukzessive abgebaut. Dies gilt ebenfalls
für im
Polungsrissbereich entstehende irreversible und reversible höhere Dehnungen
des Piezoaktors 10.
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Gemäß verschiedener
Ausführungsformen besteht
die Funktionsschicht 50 aus einem polymeren, metallischen
oder keramischen Material. Basierend auf ihrer Materialauswahl und
Anordnung verhindert die Funktionsschicht 50 eine Klemmung
des Piezoaktors 10 durch die über das Druckübertragungsmedium 40 auf
den Piezoaktor 10 übertragenen
Druckspannungen. Dies wird beispielsweise dadurch realisiert, dass
die Funktionsschicht 50 mit hoher Flexibilität auf Scherbelastungen
reagiert, so dass sich der Piezoaktor 10 trotz äußerer Druckbelastungen
nahezu uneingeschränkt
in Stapelrichtung 20 dehnen kann. Gemäß einer weiteren Alternative der
Funktionsschicht 50 ist diese mit Verstärkungselementen, wie Plättchen oder
Fasern, verstärkt.
Die Plättchen
oder Fasern sind gemäß einer
Ausführungsform
annähernd
senkrecht zur Stapelrichtung 20 oder miteinander verschachtelt
innerhalb der Funktionsschicht 50 angeordnet, so dass senkrecht zur
Stapelrichtung 20 auftretende Druckkräfte übertragbar und Dehnungen abbaubar
sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
besteht die Funktionsschicht 50 aus elektrisch nicht leitendem
Material. Basierend auf dieser Materialauswahl werden die Funktionsschicht 50 und
die Isolationsschicht 60 durch eine gemeinsame Schicht
gebildet, sofern die Funktionsanforderungen an die einzelnen Schichten
innerhalb der gemeinsamen Schicht erfüllt sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der verbleibende
Raum zwischen Piezoaktor 10, Druckübertragungsmedium 40 und
Innenseite des Metallrohrs 30 durch ein Füllmedium
ausgefüllt.
Ein temperaturbeständiges,
gut wärmeleitendes
und gegebenenfalls elektrisch isolierendes Material bildet ein derartiges
Füllmedium,
wie beispielsweise Wärmeleit-Silikon-Elastomer
oder Silikonöl.
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Zur
weiteren Optimierung der oben beschriebenen Konstruktion des Piezoaktors
mit Verkapselung 1 werden ergänzend aus den Bereichen Leichtbau
sowie Luft- und Raumfahrt bekannte Lösungen für hochfeste und gleichzeitig
flexible Konstruktionswerkstoffe auf die speziellen Anforderungen
des Piezoaktors mit Verkapselung 1 angewandt.