DE102007004874A1

DE102007004874A1 - Piezoaktor, bestehend aus übereinander gestapelten, elektrisch kontaktierten Piezoelementen

Info

Publication number: DE102007004874A1
Application number: DE102007004874A
Authority: DE
Inventors: Thomas Pauer; Holger Rapp; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-04-03
Also published as: WO2008040688A1; US20090200895A1; EP2082443A1

Abstract

Es wird ein Piezoaktor (2) vorgeschlagen, der mehrere übereinandergestapelte Piezoelemente (3) mit Piezolagen umfasst, zwischen denen sich jeweils eine Innenelektrode (8, 9) mit im Lagenaufbau abwechselnder Polarität befindet, wobei an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnete Außenelektroden (6a, 7a) vorhanden sind, über welche die Innenelektroden (8, 9) jeweils mit einer elektrischen Ladung versorgt werden. Von der jeweiligen Außenelektrode (6a, 7a) ist vorzugsweise im inaktiven Bereich (21, 22) zur Kontaktierung der jeweils dieser Polarität zugeordneten Innenelektroden (8, 9) mindestens ein leitender Sicherungssteg (13) zu diesen Innenelektroden (8, 9) geführt, der mit der jeweiligen Kontaktfläche (14) zur jeweiligen Innenelektrode (8, 9) einen elektrischen Widerstandsquerschnitt bildet. Der jeweilige Sicherungssteg (13) brennt im Fall eines hohen Stromflusses durch und bildet somit eine Schmelzsicherung.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, bestehend aus übereinandergestapelten Piezoelementen mit Innenelektroden, die elektrisch kontaktiert werden, nach den gattungsgemäßen Merkmalen der Hauptansprüche.
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.
Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors die Piezoelemente so eingesetzt werden können, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Piezolagen 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 beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
Beispielsweise ist ein solcher Piezoaktor als Bestandteil eines Piezoinjektors in sogenannten Common Rail Einspritzsystemen (CR-Injektor) aus der DE 10026005 A1 bekannt. Auch bei diesem Piezoaktor ist ein Stapel mehrerer elektrisch und mechanisch miteinander gekoppelter Piezoelemente so aufgebaut, dass diese über einen Aktorfuß und einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen zwei Anschlägen gehalten ist. Jede Piezolage der Piezoelemente ist 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.
Bei dem zuvor erwähnten Piezoaktor wird zur Heranführung der unterschiedlichen Potenziale eine wechselseitige seitliche Kontaktierung der Innenelektroden über äußere Elektroden vorgenommen, bei der zum Beispiel leitende Flächen auf jeweils einer Seitenfläche des Piezoaktors angebracht sind, die mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind. Im regulären Betrieb fließt beim Laden ein Ladestrom zum Piezoaktor; beim Entladen fließt ein umgekehrt zum Ladestrom gerichteter Entladestrom. Diese Ströme verteilen sich jeweils zu gleichen Teilen auf die Innenelektrodenpaare der Piezoelemente des Piezoaktors, von denen es normalerweise bei der zuvor erläuterten Anwendung als Piezoinjektor mehrere hundert gibt, sodass am Übergang zwischen der äußeren Spannungszuführung (Außenelektrode) und jeweils einer Innenelektrode normalerweise weniger als 1% des Lade- bzw. Entladestroms fließt.
Durch Alterungsvorgänge oder Beschädigung des Piezoaktors kommt es dabei auch zu Durchschlägen zwischen einer Innenelektrode als Anode und einer Innenelektrode als Kathode. Diese führt eventuell dazu, dass die Isolationsfähigkeit der Keramikschicht der Piezolage zwischen diesen Innenelektroden dauerhaft sinkt oder zur Ausbildung einer dauerhaft leitfähigen Verbindung zwischen diesen Innenelektroden führt. In beiden Fällen verliert der Piezoaktor seine Funktionsfähigkeit und bei einer Anwendung als Piezoinjektor für einen Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug kann es dann zum Ausbleiben der Einspritzung und damit quasi zum Ausfall des betroffenen Zylinders des Verbrennungsmotors kommen.
In diesem Fehlerfall fließt der gesamte Ladestrom über die vom Kurzschluss betroffenen Innenelektroden und über die Verbindungsstelle zwischen der Außen- und der betroffenen Innenelektrode; es fließt nun also nicht mehr weniger als 1% des Ladestroms, sondern der vollständige Ladestrom.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Piezoaktor aus, der mehrere übereinandergestapelte Piezoelemente mit Piezolagen umfasst, zwischen denen sich jeweils eine Innenelektrode mit im Lagenaufbau abwechselnder Polarität befindet. Weiterhin sind an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Piezoaktors Außenelektroden angeordnet, über welche die Innenelektroden mit einer elektrischen Ladung versorgt werden. Erfindungsgemäß werden in vorteilhafter Weise von der jeweiligen Außenelektrode zur Kontaktierung der jeweils dieser Polarität zugeordneten Innenelektroden leitende Sicherungsstege zu diesen Innenelektroden hingeführt.
Die jeweiligen Widerstandsquerschnitte der Sicherungsstege brennen daher im Fall eines hohen Stromflusses durch und bilden somit auf einfache Weise eine Schmelzsicherung. Somit ist auf einfache Weise sichergestellt, dass die im Durchschlagsfall betroffenen Innenelektroden sich selbsttätig abschalten und sich der Piezoaktor somit selbst heilt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sicherungsstege in einem inaktiven Bereich, vorzugsweise im Seitenbereich, des Piezoaktors angeordnet werden, bei dem bei der Kontaktierung der Außenelektroden mit jeweils einer Innenelektrode, die jeweils andere Innenelektrode mit entgegengesetzter Polarität einen vorgegebenen Betrag zurückversetzt ist. Im aktiven Bereich des Pieozoaktorquerschnitts, in dem sich die Innenelektroden(Anode) und die Innenelektroden(Kathode) überlappen, bildet sich in der Piezokeramik der Piezolagen ein nahezu homogenes, axial gerichtetes elektrisches Feld aus, unter dessen Einfluss sich die Piezokeramik für den geforderten Hub dehnt. Die zuvor erwähnten inaktiven Seitenbereiche des Piezoaktors, in denen jeweils nur Innenelektroden einer Polung vorkommen, werden hierbei auch als ISO-Zonen bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Ausführungsform mit der Anbringung von Sicherungsstegen in der sogenannten ISO-Zone ist vor allem deswegen vorteilhaft, da hierdurch die leitenden Flächen in ihrer Breite dort stark eingeschränkt werden, wo der Stromfluss von der Außenelektrode zum aktiven Bereich der Innelektroden erfolgt. Dies kann gemäß des ersten Ausführungsbeispiels entweder bereits an der oder nahe der Kontaktstelle der Innen- zu der jeweiligen Außenelektrode erfolgen oder gemäß der anderen Ausführungsform weiter in den Innenbereich des Piezoaktors gelegt werden um die äußeren Kontaktstellen nicht elektrisch und/oder mechanisch zu schwächen. Hierbei können dann die Kontaktstellen zwischen Innen- und Außenelektrode unverändert bleiben und die Engstelle bzw. die Sicherungsstege an der Innenelektrode erst mit geringem Abstand zur Außenelektrode angesetzt werden.
Im normalen Betrieb wirkt sich die erfindungsgemäße Anbringung der Sicherungsstege nicht auf die Funktion des Piezoaktors aus, wenn die Änderung der Innenelektrodengeometrie nur in der ISO-Zone erfolgt und die normale Strombelastung von kleiner 1% des Ladestroms über eine Innenelektrode auch an der Engstelle des Sicherungssteges zu keiner Überlastung führt. Im Fehlerfall, wenn durch den geringen Widerstandswert ein zu hoher oder praktisch der gesamte Ladestrom über ein Innenelektrodenpaar fließt, wirkt die Engstelle dagegen als Sicherung und wird zerstört. Dadurch werden die vom Kurzschluss bzw. vom Überschlag betroffenen Innenelektroden von den Außenelektroden abgekoppelt und nicht mehr mit elektrischer Ladung versorgt. Infolgedessen baut sich an diesen Innenelektroden auch kein elektrisches Feld mehr auf und es kann folglich auch zu keinem Stromfluss über die Durchschlagsstelle mehr kommen. Der Piezoaktor funktioniert nach dem Durchschlagsereignis also innerhalb kürzester Zeit wieder völlig normal weiter, wobei lediglich die Zahl der aktiven Piezoelemente um eine von mehreren hundert abgenommen hat und der Aktorhub sch folglich im vernachlässigbaren Promillebereich reduziert. Dies wird bei einem Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Piezoinjektor aber vom Kraftfahrzeugfahrer nicht wahrgenommen und folglich bleibt der Fehler, der sonst zu einem Zylinderausfall führt, im Fahrzeug ohne Folgen.
Vorteilhaft ist es hierbei auch, wenn der mindestens eine Sicherungssteg zwischen einer mit der Außenelektrode kontaktierten Teilfläche der jeweiligen Innenelektrode und der im Wesentlichen im Inneren des Piezoaktors liegen Fläche der jeweiligen Innenelektrode angebracht ist. Dadurch, dass der Sicherungssteg hier mit einem Abstand zur Außenelektrode angeordnet ist, kann auf einfache Weise ein ungewolltes Dekontaktieren durch mechanische Einflüsse verhindert werden.
Im Fall einer Anordnung der leitenden Sicherungsstege im Bereich der Kontaktierung zwischen Außen- und Innenelektroden können die leitenden Sicherungsstege bevorzugt während eines Druckverfahrens für die Geometrie der Außenelektroden auf die Seitenflächen des Piezoaktors mit aufgebracht werden, wobei die Außenelektroden eingebrannt werden oder aus einem Leitklebersystem bestehen können.
Im Fall einer Anordnung der leitenden Sicherungsstege zwischen einer mit einer Außenelektrode kontaktieren Teilfläche der jeweiligen Innenelektrode und der im Wesentlichen im Inneren des Piezoaktors liegenden Fläche der jeweiligen Innenelektrode können die leitenden Sicherungsstege bevorzugt während eines Druckverfahrens für die Geometrie der Innenelektroden erzeugt werden.
Die Sicherungsstege können im axialen Lagenaufbau des Piezoaktors jeweils an gleichen Positionen übereinanderliegend angeordnet oder weitgehend an jeweils unterschiedlichen Positionen übereinanderliegend angeordnet werden. Letzteres ist besonders vorteilhaft, da dann die durch die Aussparung der Innenelektrode zusätzlich passivierten Bereiche des Aktors nicht in einer Linie übereinander zu liegen kommen und sich so die inneren mechanischen Spannungen stark reduzieren, die bei einer Betätigung des Piezoaktors auftreten. Es ist davon auszugehen, dass es in den durch die Aussparung zusätzlich passivierten Bereichen nicht zu zusätzlichen Polungsrissen kommt, wenn diese ausgesparten Bereiche in den verschiedenen Schichten an verschiedenen Positionen liegen.
Es müssen zum Erreichen der erfindungsgemäßen Vorteile nicht alle Innenelektroden mit Sicherungsstegen ausgeführt sein; es genügt zum Beispiel eventuell eine besonders vorn Kurzschluss gefährdete Innenelektrode, falls diese bekannt ist, die mit einem Sicherungssteg versehen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen, Innenelektroden und Außenelektroden nach dem Stand der Technik und
2 einen Ausschnitt aus einer Seitenfläche eines Piezoaktors mit einer erfindungsgemäßen Anbringung von Sicherungsstegen im Längsschnitt,
3 einen Ausschnitt aus einer Seitenfläche eines Piezoaktors mit einer erfindungsgemäßen Anbringung von Sicherungsstegen im Querschnitt,
4 eine Draufsicht auf kontaktierte Innenelektroden eines Piezoelements nach dem Stand der Technik,
5 eine Draufsicht auf kontaktierte Innenelektroden eines Piezoelements mit einem erfindungsgemäßen Sicherungssteg zwischen der Außenelektrode und der Innelektrode und
6 eine Draufsicht auf kontaktierte Innenelektroden eines Piezoelements mit einem erfindungsgemäßen Sicherungssteg zwischen der über eine Teilfläche der Innelektrode kontaktierten Außenelektrode und der Innelektrodenflächen im Inneren des Piezoaktors.
Ausführungsformen der Erfindung
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. Piezoelemente 3 sind Bestandteil des Piezoaktors 2, der zwischen einem Aktorfuß 4 und einem Aktorkopf 5, zum Beispiel aus Stahl, eingespannt ist. Es sind elektrische Zuleitungen 6 und 7 durch den Aktorfuß 4 geführt, die über Außenelektroden 6a und 7a an Innenelektroden 8 und 9 an den Piezoelementen 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 beispielsweise eine Freigabe einer Düsenöffnung erfolgt.
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 Einspritzsystems erfolgen kann. Die Piezoelemente 3 und die Innenelektroden 8 und 9 sind hier nur beispielsweise mit einem Bezugszeichen versehen worden. Der Piezoaktor 2 nach der 1 weist darüber hinaus noch eine Isolationsschicht 10 auf, die wiederum mit einer Hülse 11 und einer Membran 12 verschlossen ist.
Aus 2 ist ein Ausschnitt des Piezoaktors 2 im Längsschnitt im Bereich der Kontaktierung der Innenelektroden 8 und 9 zu entnehmen. Beispielsweise ist hier auch ausschnittsweise die Außenelektrode 6a zur Kontaktierung der Innenelektroden 8 (die Außenelektrode 7a zur Kontaktierung der Innenelektroden 9 mit der jeweils anderen Polarität ist identisch ausgeführt) gezeigt, die erfindungsgemäß mit Sicherungsstegen 13 versehen ist, die jeweils einen Widerstandsquerschnitt bilden, der zusammen mit der jeweiligen Kontaktfläche 14 zur jeweils kontaktierten Innenelektrode 8 am inneren Ende des Sicherungssteges 13 als Schmelzsicherung wirkt.
3 zeigt die zuvor anhand der 2 beschriebene Anordnung im Querschnitt, sodass hier der Sicherungssteg 13 als Widerstandsquerschnitt deutlich zu erkennen ist, der so bemessen ist, dass er im Fall eines hohen Stromflusses durchbrennt und somit auf einfache Weise eine Schmelzsicherung bildet.
Aus 4 ist der herkömmliche Aufbau der Innenelektroden eines Piezoelements 3 ohne Sicherungsstege als Draufsicht zu entnehmen, wobei die Innelektroden 8 und 9 jeweils unterschiedlich schraffiert sind. Hier ist ein mittlerer Überlappungsbereich der Innelektroden 8 und 9 als aktiver Bereich 20 und jeweils ein seitlicher inaktiver Bereich 21 und 22 als ISO-Zone erkennbar, der nur von Innenelektroden 8 oder 9 jeweils einer Polarität beansprucht wird. Die Kontur des Piezoaktors 2 und damit der Innenelektroden 8 und 9 bzw. der Piezoelemente 3 kann dabei beliebig sein, zum Beispiel auch mit einem runden Querschnitt.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit jeweils einem Sicherungssteg 23 zwischen der Außenelektrode 7a und der zentralen Fläche der Innenelektrode 9. Der eine Sicherungssteg 23 ist hier mittig angeordnet; es können aber auch mehrere anderweitig angeordnete Sicherungsstege 23 vorgesehen werden.
In 6 ist beispielsweise gezeigt, dass der mindestens eine Sicherungssteg 23 auch zwischen einer mit der Außenelektrode 7a kontaktierten Teilfläche 9a der jeweiligen Innenelektrode 9 und der im Wesentlichen im Inneren des Piezoaktors liegenden Fläche der jeweiligen Innenelektrode 9 angebracht ist, wodurch hier ein ungewolltes Dekontaktieren durch mechanische Einflüsse verhindert werden kann.

Claims

Piezoaktor (2), umfassend mehrere übereinandergestapelte Piezoelemente (3) mit Piezolagen, zwischen denen sich jeweils Innenelektroden (8, 9) mit im Lagenaufbau abwechselnder Polarität befindet, sowie an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnete Außenelektroden (6a, 7a), über welche die Innenelektroden (8, 9) mit einer elektrischen Ladung versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, dass von der jeweiligen Außenelektrode (6a, 7a) zur Kontaktierung der jeweils dieser Polarität zugeordneten Innenelektroden (8, 9) mindestens ein leitender Sicherungssteg (13; 23) zu den Innenelektroden (8, 9) hingeführt ist, der mit der jeweiligen Kontaktfläche (14) zur jeweiligen Innenelektrode (8, 9) einen elektrischen Widerstandsquerschnitt bildet.
Piezoaktor (2), umfassend mehrere übereinandergestapelte Piezoelemente (3) mit Piezolagen, zwischen denen sich jeweils Innenelektroden (8, 9) mit im Lagenaufbau abwechselnder Polarität befindet, sowie an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnete Außenelektroden (6a, 7a), über welche die Innenelektroden (8, 9) mit einer elektrischen Ladung versorgt werden, wobei in einem inaktiven Bereich (21, 22) bei der Kontaktierung der Außenelektroden (6a, 7a) mit jeweils einer Innenelektroden (8, 9) die jeweils andere Innenelektrode (8, 9) mit entgegengesetzter Polarität einen vorgegebenen Betrag zurückversetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des inaktiven Bereichs von der jeweiligen Außenelektrode (6a, 7a) zur Kontaktierung der jeweils dieser Polarität zugeordneten Innenelektroden (8, 9) mindestens ein leitender Sicherungssteg (23) zu den Innenelektroden (8, 9) hingeführt ist, der zur jeweiligen Innenelektrode (8, 9) einen elektrischen Widerstandsquerschnitt bildet.
Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindeste eine Sicherungssteg (13; 23) zwischen einer mit der Außenelektrode (6a, 7a) kontaktierten Teilfläche (9a) der jeweiligen Innenelektrode (9) und der im Wesentlichen im Inneren des Piezoaktors (2) liegen Fläche der jeweiligen Innenelektrode (8, 9) angebracht ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsquerschnitt des jeweiligen Sicherungssteges (13; 23) und/oder die Kontaktfläche (14) so bemessen sind, dass im Fall eines hohen Stromflusses von den Außenelektroden (6a, 7a) zu den Innenelektroden (8, 9) der jeweilige Sicherungssteg (13; 23) durchbrennt und somit eine Schmelzsicherung bildet.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsstege (13; 23) während eines Druckverfahrens für die Geometrie der Außenelektroden (6a, 7a) auf die Seitenflächen des Piezoaktors (2) aufgebracht sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsstege (13; 23) während eines Druckverfahrens für die Geometrie der Innenelektroden durch die Formgebung der Innenelektroden erzeugt sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsstege (13; 23) im Lagenaufbau des Piezoaktors jeweils an gleichen Positionen übereinanderliegend angeordnet sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsstege (13; 23) im Lagenaufbau des Piezoaktors weitgehend an jeweils unterschiedlichen Positionen übereinanderliegend angeordnet sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sicherungssteg (13; 23) an mindestens einer besonders kurzschlussgefährdeten Innenelektrode im Lagenaufbau des Piezoaktors angeordnet ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden (6a, 7a) eingebrannt sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden (6a, 7a) aus einem Leitklebersystem bestehen.
Piezoinjektor, umfassend einen Haltekörper und einen in dem Haltekörper zwischen einem Aktorkopf (4) und einem Aktorfuß (5) angeordneten Piezoaktor (2) aus mehreren übereinandergestapelten Piezoelementen (3), gekennzeichnet durch einen Piezoaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Sicherungsstegen (13; 23).