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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor, bestehend aus übereinander
gestapelten Piezoelementen, die aus jeweils mit Innenelektroden
eingefasste Piezolagen gebildet sind, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des
Hauptanspruchs.
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Ein
solcher Piezoaktor kann beispielsweise in einem Piezoinjektor zur
zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor
eingesetzt werden. Dieser Piezoinjektor besteht im Wesentlichen
aus einem Haltekörper
und dem in dem Haltekörper
angeordneten Piezoaktor mit dem Piezoelement.
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Es
ist an sich bekannt, dass der Piezoaktor so eingesetzt werden kann,
dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung
des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden
kann. Die Piezoalgen der Piezoelemente sind aus einem Material mit
einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage
einer äußeren elektrischen
Spannung eine mechanische Reaktion der Piezoelemente erfolgt, die
in Abhängigkeit
von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen
Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.
Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielswei se für Anwendungen,
bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen
ablaufen.
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Beispielsweise
ist ein solcher Piezoaktor als Bestandteil eines Piezoinjektors
in so genannten Common Rail Einspritzsystemen (CR-Injektor) aus
der
DE 10026005 A1 bekannt.
Bei diesem Piezoaktor ist ebenfalls ein Stapel mehrerer elektrisch
und mechanisch miteinander gekoppelter Piezoelemente vorhanden,
die über
einen Aktorfuß und
einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen zwei Anschlägen gehalten
sind. Jede piezokeramische Piezolage der Piezoelemente ist auch
hier zwischen zwei Innenelektroden eingefasst, über die von außen eine
elektrische Spannung angelegt werden kann. Aufgrund dieser elektrischen
Spannung führen
die Piezoelemente dann jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung
des Potenzialgefälles
aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren. Dieser Gesamthub
ist über
die Höhe
der angelegten Spannung veränderbar
und kann auf ein mechanisches Stellglied übertragen werden.
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Bei
dem zuvor erwähnten
Piezoaktor wird zur Heranführung
der unterschiedlichen Potenziale eine wechselseitige seitliche Kontaktierung
der Innenelektroden über äußere Elektroden
vorgenommen, bei der leitende Flächen
auf jeweils einer Seitenfläche
des Piezoaktors angebracht sind, die mit den jeweiligen Innenelektroden
kontaktiert sind.
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Um
einen Kurzschluss zwischen den Außenelektroden zu vermeiden,
dürfen
die Innenelektroden nicht die komplette Querschnittsfläche des
Piezoelements einnehmen oder überdecken,
sondern müssen
von der Außenelektrode
der jeweils entgegengesetzten Polarität einen gewissen Abstand einhalten.
Dabei hängt
die Form der auszusparenden Fläche
davon ab, welche Bereiche des Umfangs des Piezoaktors von den Außenelektroden überdeckt
sind.
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Aufgrund
der Geometrie der Innenelektroden bildet sich auf dem Großteil der
Querschnittsfläche
der Piezoelemente ein nahezu homogenes elektrisches Feld aus. In
der Folge ist auch die Dehnung durch den Piezoeffekt nahezu homogen.
Eine Ausnahme bilden allerdings jene Randbereiche des Querschnitts,
in denen die Innenelektroden jeweils einer Polarität fehlen.
Dort ist die elektri sche Feldstärke
und infolgedessen auch die piezoelektrische Dehnung wesentlich geringer,
als auf dem Großteil
der Querschnittsfläche.
Da die Längenausdehnung
des Piezoelements aber hauptsächlich
durch die Dehnung im Bereich des homogenen Felds bestimmt wird,
kommt es bei der Polarisierung und beim Betrieb der Piezoelemente
in den Randbereichen, in denen die Innenelektroden ausgespart sind,
zu so genannten Polungsrissen.
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Diese
Polungsrisse verlaufen üblicherweise
entlang der Trennschicht zwischen zwei durch die erwähnten Keramikschichten
gebildeten Piezolagen. Verläuft
ein Polungsriss entlang einer Trennschicht im ausgesparten Bereich
einer Innenelektrode, so hat dies keine wesentliche Auswirkung auf
die Ausbildung des elektrischen Feldes in der benachbarten Keramikschicht
bzw. der Piezolage. Es besteht lediglich die Gefahr, dass in den
Polungsriss Fremdstoffe eindringen, die auf längere Sicht einen Kurzschluss
zwischen dem am Ausgang des Polungsrisses befindlichen Ende der
Innenelektrode und der benachbarten Außenelektrode verursachen.
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Anders
gelagert ist der Fall, wenn der Polungsriss entlang einer Innenelektrode
verläuft.
In diesem Fall muss das elektrische Feld zwischen der an der Oberfläche des
Polungsrisses befindlichen Innenelektrode und dem zurückgezogenen
Ende der benachbarten, entgegengesetzt gepolten Innenelektrode zusätzlich zur
Keramikschicht einer Piezolage auch den Polungsriss überbrücken.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Piezoaktor aus,
wobei die Nachteile des Standes der Technik bei einem erfindungsgemäßen Piezoelement
der eingangs genannten Gattung dadurch vermieden werden, dass die
jeweilige Innenelektrode eine erste, die jeweils wirksame Querschnittsfläche des
Piezoelements einnehmende Schicht, sowie mindestens eine mindestens
diejenigen Flächenbereiche
der ersten Schicht, denen keine entgegengesetzte Innenelektrode
gegenüberliegt
und sich damit Polungsrisse ausbilden können, überdeckende zweite Schicht
umfasst.
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Somit
umfasst die Innenelektrode mindestens in jenen von der Innenelektrode überdeckten
Flächenbereichen,
in denen sich Polungsrisse ausbilden können, mindestens zwei elektrisch
leitenden Schichten. Der von der ersten Schicht eingenommene Teil
der Querschnittsfläche
des jeweiligen Piezoelements ist dabei vorzugsweise nahezu die gesamte
Querschnittsfläche,
abzüglich
einer Aussparung zur Außenelektrode
der jeweils entgegengesetzten Polarität.
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Da
die zweite Schicht in vorteilhafter Weise mindestens etwas mehr
als nur den Bereich des Polungsrisses überdeckt, bleibt der elektrische
Kontakt zwischen den beiden elektrisch leitenden Schichten immer
bestehen, sodass sichergestellt ist, dass ein auftretender Polungsriss
auf beiden Seiten mit einer elektrisch leitenden Schicht gleichen
elektrischen Potenzials ausgekleidet ist.
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Kommt
es bei einem erfindungsgemäßen Piezoelement
zu einem Polungsriss, so reißt
die Innenelektrode zwischen den beiden elektrisch leitenden Schichten
der ersten und der zweiten Schicht, da diese typischerweise schlechter
aneinander haften, als jede der Schichten an der jeweils benachbarten
Piezolage.
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Das
erfindungsgemäße Piezoelement
weist gegenüber
dem Stand der Technik somit den Vorteil auf, dass durch die in einigen
Bereichen mindestens zweischichtig aufgebaute Innenelektrode bei
einem auftretenden Polungsriss dieser dann auf beiden Seiten mit
einer elektrisch leitenden Schicht ausgekleidet ist, wobei die beiden
Schichten elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind, und somit
dasselbe elektrische Potenzial aufweisen. Im Polungsriss wird sich
nun bei den erfindungsgemäßen Piezoelementen
kein elektrisches Feld mehr ausbilden und das elektrische Feld in
der Piezokeramik der zum Polungsriss benachbarten Piezolage bleibt
vom Polungsriss nahezu unbeeinflusst. Somit wird ein Versagen eines
mit den erfindungsgemäßen Piezoelementen
ausgestatteten Piezoinjektors bei auftretenden Polungsrissen wirkungsvoll
verhindert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
erste Schicht eine herkömmliche
Innenelektrode aus einem üblicherweise
für herkömmliche
Innenelektroden verwendeten Material und mit einer für herkömmliche
Innenelektroden verwendeten Geometrie umfasst, auf die in denjenigen Flächenbereichen,
in denen sich Polungsrisse ausbilden können, die zweite Schicht aufgebracht
ist und das Material der zweiten Schicht ein anderes ist, als das
für die
erste Schicht verwendete Material. Das Material der zweiten Schicht
ist dabei vorzugsweise so zu wählen,
dass sich beim Sintern des Piezoaktors deren Haftung an der Piezokeramik
der jeweiligen Piezolage stärker
ausbildet, als die Haftung an der ursprünglichen Innenelektrode. Hierbei
kann der unterhalb einer Außenelektrode
liegende Bereich der zweiten Schicht auch ausgespart sein.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
auf denjenigen Flächenbereichen
der ersten Schicht, die nicht von der zweiten Schicht überdeckt
sind, eine zusätzliche
Schicht gleicher Dicke, wie die zweite Schicht angeordnet ist. Hierdurch
wird eine einheitliche Dicke der Innenelektrode erreicht. Dadurch
werden Eigenspannungen vermieden, die ansonsten beim Sintern aufgrund
der inhomogenen Dicke der Innenelektrode auftreten würden. Dabei
ist denkbar, dass die zusätzliche
Schicht aus demselben Material, wie die erste Schicht besteht.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrisch
leitenden Schichten als Metallschichten ausgeführt. So ist beispielsweise
denkbar, dass die erste, den überwiegenden
Teil der Querschnittsfläche
der Piezoelemente überdeckende
und somit die eigentliche Innenelektrode bildende Schicht aus Ag-Pd
und die zweite Schicht aus Platin oder einer platinhaltigen Legierung
besteht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Piezoaktors mit einem Piezoelement
nach dem Stand der Technik im Längsschnitt,
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2a und 2b eine
schematische Darstellung des Piezoelements aus der 1 im
Querschnitt auf der Höhe
einer positiven (2a)) und einer negativen (2b)
Innenelektrode,
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3a und 3b jeweils
eine schematische Darstellung zweier Längsschnitte durch einen oberflächennahen
Bereich der Piezoelemente mit einem Polungsriss entlang einer bis
zur Oberfläche
reichenden Innenelektrode (3a) und
mit einem vom Ende einer unterhalb der Oberfläche endenden Innenelektrode
ausgehenden Polungsriss (3b),
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4 eine
theoretische Darstellung der Ausbildung eines elektrischen Feldes
zwischen zwei Innenelektroden, zwischen denen eine elektrische Spannung
anliegt, bei homogener Füllung
des Zwischenraums zwischen den Innenelektroden und mit einem durch
einen Polungsriss gebildeten Luftspalt,
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5a und 5b jeweils
eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein erfindungsgemäßes Piezoelement
mit einer Innenelektrode aus zwei Schichten, in der zweiten Schicht
im Bereich der Außenelektrode
mit Aussparungen (5a) und ohne solche Aussparungen
(6b) und
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6 eine
schematische Darstellung der Ausbildung des elektrischen Felds bei
einem erfindungsgemäßen Piezoelement
mit aufgetretenem Polungsriss.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist
zur Erläuterung
des technischen Hintergrundes der Erfindung eine herkömmliche
an sich bekannte Anordnung 1 mit einem Piezoaktor 2 gezeigt,
die beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff
bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Ein Stapel aus
Piezoelementen 3 ist Bestandteil des Piezoaktors 2,
der weiterhin noch einen Aktorfuß 4 und einen Aktorkopf 5,
zum Beispiel aus Stahl, aufweist. Es sind elektrische Zuleitungen 6 und 7 durch
den Aktorfuß 4 geführt, die über Außenelektroden 6a und 7a jeweils
an Innenelektroden 8 und 9 zwischen Piezolagen
der Piezoelemente 3 kontaktiert sind. Bei einer Betätigung des
Piezoaktors 2 durch eine Spannungsbeaufschlagung der Innenelektroden 8 und 9 kann
eine hier senkrecht unterhalb des Aktorkopfes 5 befindliche
mechanische Anordnung derart betätigt
werden, dass hier eine Freigabe einer Düsenöffnung des Einspritzsystems
erfolgen kann.
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Die
Anordnung 1 mit dem Piezoaktor 2 ist in einem
hier nicht gezeigten Injektorkörper
eingebaut, wobei der Kraftstoff durch den Innenraum des Injektorkörpers an
der Anordnung 1 vorbeigeführt wird. Dieser Kraftstoff
kann dann beispielsweise bei einem sogenannten Common Rail System
unter dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten Raildruck oder einem
anderen vorgebbaren Druck in den Brennraum eines hier nicht dargestellten
Verbrennungsmotors injiziert werden. Weiterhin ist eine Isolationsschicht 10 vorhanden,
die wiederum mit einer Hülse 11 und
einer Membran 12 verschlossen ist.
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Die
Innenelektroden 8 und 9 nach der 1 sind
im Prinzip in 2a und 2b im
Querschnitt auf Höhe
einer positiven (2a) Innenelektrode 8 und
einer negativen (2b) Innenelektrode 9 gezeigt.
Um einen Kurzschluss zwischen den Außenelektroden 6a und 7b zu
vermeiden, dürfen
die Innenelektroden 8 und 9 nicht die komplette
Querschnittsfläche
der Piezoelemente 3 einnehmen oder überdecken, sondern müssen von
der Außenelektrode 6a oder 7a der
jeweils entgegengesetzten Polarität einen gewissen Abstand mit Randbereichen 20 und 21 einhalten.
Dabei hängt
die Form der auszusparenden Fläche
davon ab, welche Bereiche des Um fangs der Piezoelemente 3 von
den Außenelektroden 6a oder 7a überdeckt
sind. Die in den 2a und 2b dargestellten
Geometrien stellen lediglich ein in der Praxis verwendetes Beispiel
dar.
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Aufgrund
der Geometrie der Innenelektroden 8 und 9 bildet
sich auf dem Großteil
der Querschnittsfläche
der Piezoelemente 3 ein nahezu homogenes elektrisches Feld
aus. In der Folge ist auch die Dehnung durch den Piezoeffekt nahezu
homogen. Eine Ausnahme bilden allerdings jene Randbereiche des Querschnitts,
in denen die Innenelektroden 8 und 9 jeweils einer
Polarität
fehlen. Dort ist die elektrische Feldstärke und infolgedessen auch
die piezoelektrische Dehnung wesentlich geringer, als auf dem Großteil der
Querschnittsfläche.
Da die Längenausdehnung
der Piezoelemente 3 aber hauptsächlich durch die Dehnung im
Bereich des homogenen Felds bestimmt wird, kommt es bei der Polarisierung
und beim Betrieb des Piezoaktors 2 in den Randbereichen 20 und 21,
in denen die Innenelektroden 8 und 9 ausgespart
sind, zu so genannten Polungsrissen.
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In 3a und 3b sind
solche Polungsrisse 31 und 32 anhand einer vergrößerten Darstellung
von seitlichen Bereichen der Piezoelemente 3 schematisch
dargestellt. Die Polungsrisse 31 und 32 verlaufen üblicherweise
entlang einer Trennlinie zwischen zwei durch Innenelektroden 8 und 9 eingefassten
Piezolagen.
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Verläuft der
Polungsriss 32 im ausgesparten Bereich der Innenelektrode 8,
wie in der 3b dargestellt, so hat dies
keine wesentliche Auswirkung auf die Ausbildung des elektrischen
Feldes in der jeweils benachbarten Piezolage. Es besteht lediglich
die Gefahr, dass in den Polungsriss 32 Fremdstoffe eindringen,
die auf längere
Sicht einen Kurzschluss zwischen dem am Ausgang des Polungsrisses 32 befindlichen
Ende der Innenelektrode 8 und der benachbarten Außenelektrode 7a verursachen.
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Wenn
der Polungsriss 31 jedoch, wie in der 3a dargestellt,
entlang der hier außen
kontaktierten Innenelektrode 9 verläuft, muss das elektrische Feld
zwischen der an der Oberfläche
des Polungsrisses 31 befindlichen Innenelektrode 9 und
dem zurückgezogenen
Ende der benachbarten, entgegengesetzt gepolten Innen elektrode 8 zusätzlich zur
Piezolage auch den Polungsriss 31 überbrücken.
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Welche
Auswirkungen dies auf das elektrische Feld hat, lässt sich
anhand der folgenden Erläuterungen
darlegen, bei denen davon ausgegangen wird, dass sich zunächst zwei
Innenelektroden
8 und
9 mit einem Abstand d gegenüberliegen,
wobei der Randbereich
20 homogen mit Piezokeramik ausgefüllt ist.
Wenn die Anordnung in ihrer Fläche
unendlich weit ausgedehnt ist, weist die Piezokeramik der Piezolagen
folgende Dielektrizitätskonstante
auf:
εK = εrK·ε0 (1)auf. Dabei
ist ε
0 die Dielektrizitätskonstante des Vakuums mit
und ε
rK die
relative Dielektrizitätskonstante
der Piezokeramik der Piezolagen. Bei typischen Piezokeramikwerkstoffen
liegt ε
rK bei Werten zwischen 2000 und 3000. Wird
zwischen den beiden Innenelektroden
8 und
9 eine Spannung
U angelegt, so bildet sich zwischen ihnen ein homogenes elektrisches
Feld aus. Da die Spannung U
AB zwischen zwei
Punkten A, B gemäß der Formel
berechnet wird, und das Feld
homogen ist, ergibt sich die elektrische Feldstärke zu
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Für diese
Feldstärke
sind die Piezoelemente 3 und ihre Isolation auch ausgelegt.
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Wenn
nun aber nicht der komplette Randbereich
20 zwischen den
Innenelektroden
8 und
9 mit Piezokeramik ausgefüllt ist,
sondern es befindet sich oberhalb der Innenelektrode
9 zunächst ein
mit Luft gefüllter Polungsriss
31 der
Höhe d
R, dann weist die Luft im Polungsriss
31 eine
Dielektrizitätskonstante
auf, die näherungsweise
gleich ε
0 ist. Der verbleibende Abstand ist mit Piezokeramik
gefüllt.
Wird nun wieder eine Spannung U zwischen den beiden Innenelektroden
8 und
9 angelegt,
so bildet sich wiederum ein elektrisches Feld zwischen diesen Innenelektroden
8 und
9 aus,
welches ausschließlich
eine Komponente senkrecht zu den von den Innenelektroden
8 und
9 gebildeten
Ebenen aufweist. Allerdings unterscheiden sich nun die Feldstärken im
Luftspalt des Polungsrisses
31 und in der Piezokeramik
erheblich. Ursache hierfür
ist die durch das elektrische Feld verursachte dielektrische Verschiebung
D. Diese ergibt sich aus der elektrischen Feldstärke gemäß der Gleichung
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Dies
bedeutet, dass im Luftspalt (Polungsriss
31) die elektrische
Verschiebung
vorherrscht und in der Piezokeramik
die dielektrische Verschiebung
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Dabei
handelt es sich hier um eine vereinfachte Darstellung, welche Permanentpolarisationseffekte und
Anisotropien der Piezokeramik außer Acht lässt. Diese Vereinfachung ist
aber zur grundsätzlichen
Herleitung des Feldverlaufs zulässig
und führt
zu keiner wesentlichen Änderung
des Ergebnisses. Befinden sich keine elektrischen Raumladungen ρ zwischen
den beiden Innenelektroden
8 und
9, wovon üblicherweise
auszugehen ist, so folgt aus der Maxwellschen Gleichung
sowie
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Für die Beträge der elektrischen
Feldstärken
im Luftspalt muss damit aber gelten
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Die
elektrische Feldstärke
im Luftspalt des Polungsrisses 31 ist also auf jeden Fall
erheblich höher,
als jene in der Piezokeramik der Piezolage.
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Da
nach wie vor die Gleichung
gilt,
ergibt sich bei Anlegen einer Spannung U zwischen den benachbarten
Innenelektroden
8 und
9 -
Daraus
folgt für
die Feldstärke
im Luftspalt
und für die Feldstärke in der
Piezokeramik
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Ist
die Höhe
dR des Luftspalts deutlich kleiner als der
Gesamtabstand d zwischen den Innenelektroden 8 und 9,
so ist die Feldstärke
in diesem Luftspalt folglich deutlich größer als der Wert U/d, welchen
die Feldstärke
bei homogener Ausbildung des Dielektrikums annimmt. Ist zudem die
Höhe dR des Luftspalts auch deutlich kleiner als
der Wert dK/εrK,
so ist in der Keramik die Feldstärke
ferner deutlich geringer, als der Wert U/d.
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In 4 ist
qualitativ dargestellt, wie sich das elektrische Feld in einem Polungsriss 31 entsprechend der 3a ausbildet,
sobald eine Spannung U zwischen den Innenelektroden 8 und 9 eines
Piezoelements 3 angelegt wird. Im Polungsriss 1 herrscht
aufgrund der vorher veranschaulichten Effekte eine erheblich höhere Feldstärke, als
die Feldstärke
U/d, für
die das Piezoelement und seine Isolation ausgelegt wurden.
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In
der Folge kann es zu Teilentladungen über den Luftspalt (Polungsriss 31)
hinweg und zum Aufbau einer Flächenladung
auf der dem Polungsriss 31 zugewandten Oberfläche der
Piezokeramik kommen. Diese Teilentladungen bewirken eine fortschreitende
Zerstörung
der Piezokeramik zwischen dem Polungsriss 31 und der in
der Piezokeramik verborgenen, entgegengesetzt gepolten Innenelektrode 8,
was bis zum Durchschlagen zwischen den beiden benachbarten Innenelektroden 8 und 9 führen kann.
Die Folge ist ein Ausfall des Piezoelements 3 und damit
ein Ausfall des eingangs beschriebenen Piezoinjektors.
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Bei
einer in 5a und 5b sowie
im Detail in 6 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführung eines
Piezoelements 50 umfassen die zwischen Piezolagen angeordneten
Innenelektroden 51 und 52 eine erste, einen überwiegenden
Teil der Querschnittsfläche
des Piezoelements 50 einnehmende Schicht 53, sowie mindestens
eine mindestens diejenigen Flächenbereiche
der ersten Schicht 53, in denen sich Polungsrisse 54 ausbilden
können, überdeckende
zweite Schicht 55, die vor dem Stapeln und Sintern der
Piezoelemente 50 zusätzlich
aufgebracht werden kann.
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Dabei überdeckt
die zweite Schicht 55 diejenigen Flächenbereiche der ersten Schicht 53 zuzüglich einer
aus der 6 ersichtlichen Überlappungszone 56,
an denen sich aufgrund einer fehlenden entgegengesetzt gepolten
Innenelektrode Polungsrisse 54 ausbilden können, die
nicht durch eine Außenelektrode 60 oder 61 überbrückt werden
können;
unabhängig
davon, ob der Polungsriss 54 nach außen tritt, oder ob er durch
die jeweilige Außenelektrode 60 oder 61 überbrückt wird.
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Wichtig
ist hervorzuheben, dass die in 5a und 5b dargestellte
Geometrie des Querschnitts und der von den Innenelektroden 51 oder 52 überdeckten
Bereiche grundsätzlich
beliebig wählbar
ist, wobei die Geometrien zwischen den hier dargestellten Extremen
liegen können. Üblicherweise
wird die Geometrie der von den Innenelektroden 51 und 52 überdeckten
Bereiche an allen Innenelektroden 51 und 52 der
Piezoelemente 50 einheitlich gewählt. Denkbar ist aber auch,
verschiedene Geometrien zu mischen, mit oder ohne Zuordnung der
einzelnen Geometrien zur Polung der Innenelektroden 51 oder 52.
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Beim
Material der zweiten Metallschicht 55 handelt es sich dabei
vorzugsweise um ein anderes, als das Material der die eigentliche
Innenelektrode 51 und 52 bildenden ersten Schicht 53.
Das Material der zweiten Schicht 55 ist so zu wählen, dass
sich beim Sintern deren Haftung an der Piezokeramik der Piezolagen
im Piezoelement 50 stärker
ausbildet, als die Haftung an der die ursprüngliche Innenelektrode bildenden
ersten Schicht 53. Bei einer beispielsweise aus Ag-Pd ausgebildeten
Innenelektrode 51 und 52 kann die zweite Schicht 55 beispielsweise
aus Platin oder einer platinhaltigen Legierung bestehen.
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Da
in jenem Umfangsbereich der Piezoelemente 50, der von einer
Außenelektrode überdeckt
ist, ein Polungsriss 54 durch die Außenelektrode 60 oder 61 quasi
kurzgeschlossen wird, ist es denkbar, den unterhalb einer Außenelektrode 60 oder 61 liegenden
Bereich der zweiten Schicht 53 zumindest teilweise auszusparen (vgl. 5a).
Ohne diese Aussparung ergibt sich eine Geometrie der zweiten Schicht 53 wie
in 5b dargestellt.
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Kommt
es nun zu einem Polungsriss 54 im dargestellten kritischen
Bereich, so reißt
bei einem erfindungsgemäßen Piezoelement 50 die
Innenelektrode 51, 52 zwischen der ersten 53 und
der zweiten Schicht 55, da diese schlechter aneinander
haften, als jede der ersten Schichten 53 an der benachbarten
Piezokeramik der Piezolagen. Da die zweite Schicht 55 aber
mindestens etwas mehr als nur den Bereich des Polungsrisses 54 überdeckt,
bleibt der elektrische Kontakt zwischen den beiden Schichten 53 und 55 dennoch
bestehen. Der Polungsriss 54 ist dann, wie in der 6 dargestellt,
auf beiden Seiten mit einer Schicht 53, 55 ausgekleidet, wobei
die beiden Metallschichten 53, 55 elektrisch miteinander
kurzgeschlossen sind, und somit das gleiche elektrische Potenzial
aufweisen.
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Im
Polungsriss 54 wird sich nun bei einem erfindungsgemäßen Piezoelement 50 kein
elektrisches Feld mehr ausbilden und das elektrische Feld in der
Piezokeramik der zum Polungsriss 54 benachbarten Piezolage bleibt
vom Polungsriss 54 nahezu unbeeinflusst.
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Um
eine über
den Querschnitt des Piezoelements 50 einheitliche Dicke
der jeweils eine zweite Schicht 55 umfassenden Innenelektroden 51 und 52 des
erfindungsgemäßen Piezoelements 50 zu
erreichen, kann zusätzlich
zu der zweiten Schicht 55 in den von dieser nicht überdeckten,
von der Innenelektrode 52, 52 eingenommenen Querschnittsbereichen
eine zusätzliche
Metallschicht gleicher Dicke aufgebracht werden, die aus dem gleichen
Material wie die ursprüngliche
Innenelektrode 51, 52 besteht. Dadurch werden
Eigenspannungen vermieden, die ansonsten beim Sintern der Piezoelemente 50 aufgrund
der inhomogenen Dicke der Innenelektroden 51, 52 auftreten
würden.
Ebenso ist denkbar, jeweils die gesamte Innenelektrode 51, 52 mit
einer zweiten Schicht 55 zu versehen.
