DE102007037552A1 - Piezoelectric actuator, particularly actuator for fuel injection valve, has actuator body, which has multiple ceramic layers and multiple electrode layers arranged between those ceramic layers - Google Patents

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Abstract

The piezoelectric actuator (2) has an actuator body (23), which has multiple ceramic layers (26,27,28) and multiple electrode layers (30,31,32,33) arranged between that ceramic layers. The actuator body has homogeneous basic polarization that extends over the active range and the semi active range.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor für ein Brennstoffeinspritzventil und ein Brennstoffeinspritzventil mit solch einem piezoelektrischen Aktor. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.The The invention relates to a piezoelectric actuator for a Fuel injection valve and a fuel injection valve with such a piezoelectric actuator. Specifically, the invention relates the field of injectors for fuel injection systems of air-compressing, self-igniting internal combustion engines.

Aus der DE 10 2004 012 284 A1 ist ein piezoelektrisches Schichtelement bekannt, das eine Schichtkörpereinheit mit einer Vielzahl von übereinander geschichteten Elementeinheiten aufweist, in denen abwechselnd piezoelektrische Schichten und Innenelektrodenschichten übereinander geschichtet sind, wobei ein Paar auf den Seiten der Schichtkörpereinheit befindliche Seitenelektroden jede zweite Innenelektrodenschicht elektrisch miteinander verbinden. Ferner ist zwischen der Seitenelektrode und der zwischen den Elementeinheiten ausgebildeten Aufschichtungsgrenze ein Hohlraumabschnitt vorhanden, der aus einer sich zur Seitenelektrode hin öffnenden Nut besteht. Dadurch wird ein Brechen der Seitenelektroden verhindert, so dass eine hohe Haltbarkeit erzielt ist. Bei der Versorgung der Seitenelektroden mit elektrischer Energie werden die piezoelektrischen Elemente nämlich so erregt, dass sich die piezoelektrischen Schichten ausdehnen, wobei es bei der Energiezuführung zu einer Längendifferenz zwischen einem mittleren Abschnitt und dem Außenumfangsabschnitt des piezoelektrischen Schichtelements kommen kann, wodurch in dem Außenumfangsabschnitt eine nicht unbeträchtliche Spannung entstehen kann, die ansonsten zum Brechen der Seitenelektrode führt.From the DE 10 2004 012 284 A1 For example, a piezoelectric laminated member comprising a laminated body having a plurality of stacked element units in which piezoelectric layers and inner electrode layers are stacked alternately, wherein a pair of side electrodes located on the sides of the laminated body unit electrically connect each other inner electrode layer. Further, between the side electrode and the lamination boundary formed between the unit units, there is a cavity portion consisting of a groove opening to the side electrode. This prevents breakage of the side electrodes, so that a high durability is achieved. Namely, when the side electrodes are supplied with electric power, the piezoelectric elements are excited to expand the piezoelectric layers, and the energy supply may cause a difference in length between a central portion and the outer peripheral portion of the piezoelectric layer element, whereby one in the outer peripheral portion inconsequential stress can arise, which otherwise leads to breakage of the side electrode.

Das aus der DE 10 2004 012 284 A1 bekannte piezoelektrische Schichtelement hat den Nachteil, dass die Ausbildung mit den Hohlraumabschnitten aufwändig und somit mit erhöhten Kosten verbunden ist. Speziell das Auffüllen der Hohlraumabschnitte mit Klebstoff erfordert weitere Verfahrensschritte. Außerdem ist für eine wirkungsvolle Reduktion der Spannungen in dem Außenumfangsabschnitt eine große Anzahl von Elementeinheiten erforderlich, die an ihren Stirnseiten miteinander zu verbinden sind. Ferner entstehen im Bereich der Vielzahl von Verbindungsflächen zwischen den Elementeinheiten passive Bereiche, die funktionslos sind, was die Gesamtbaulänge des piezoelektrischen Schichtelements vergrößert.That from the DE 10 2004 012 284 A1 known piezoelectric layer element has the disadvantage that the training with the cavity sections is complex and thus associated with increased costs. Especially the filling of the cavity sections with adhesive requires further process steps. In addition, for an effective reduction of the stresses in the outer peripheral portion, a large number of element units are required to be connected to each other at their end faces. Furthermore, in the region of the multiplicity of connecting surfaces between the element units, passive regions are created which are inoperative, which increases the overall structural length of the piezoelectric layer element.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 9 haben demgegenüber den Vorteil, dass eine Reduzierung der in dem Aktorkörper auftretenden Spannungen möglich ist, die nicht auf geometrische Veränderungen der Gestalt des Aktorkörpers angewiesen ist. Dies ermöglicht auch eine größere Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Geometrie des Aktorkörpers. Hierbei ist es aber möglich, dass eine Kombination mit geometrischen Maßnahmen zur Spannungsreduzierung erfolgt.Of the Piezoelectric actuator according to the invention with the Features of claim 1 and the inventive Have fuel injection valve with the features of claim 9 In contrast, the advantage that a reduction of in the actuator body occurring voltages possible that is not due to geometric changes of the figure 's shape Actuator is instructed. This also allows greater freedom of design with regard to Geometry of the actuator body. But it is possible that a combination with geometric measures to reduce stress he follows.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruchs 1 angegebenen piezoelektrischen Aktors und des im Anspruch 9 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.By the measures listed in the dependent claims are advantageous developments of specified in claim 1 piezoelectric actuator and the fuel injection valve specified in claim 9 possible.

Piezokeramiken für aktorische Anwendungen benötigen für ihre Funktion in der Regel ein hohes elektrisches Feld von mehr als 1,5 kV/mm. Damit die Steuerspannung im Betrieb auf ein handhabbares Maß begrenzt ist, werden piezoelektrische Aktoren im Vielschichtaufbau hergestellt. Die einzelne Schicht ist hierbei beispielsweise 0,1 mm dick und kann somit schon mit 150 V angesteuert werden. Die Ausgestaltung der Elektrodenschichten erfolgt in vorteilhafter Weise entsprechend einem interdigitalen Design, bei dem die Elektrodenschichten nicht den gesamten Querschnitt des Aktorkörpers ausfüllen, sondern alternierend so versetzt sind, dass eine gemeinsame Kontaktierung einer Polarität an einer Seite möglich ist, ohne die Elektroden kurzzuschließen. Dabei ist ein Teil der Elektrodenschichten im Bereich der entsprechenden Elektrodenanbindung bis an die Außenseite des Aktorkörpers geführt, wobei der weitere Teil der Elektrodenschichten in diesem Bereich etwas beabstandet zu der Außenseite ist. Im Bereich der Kontaktierung der weiteren Elektrodenanbindung ist in entsprechender Weise der weitere Teil der Elektrodenschichten an die Außenseite geführt, während der andere Teil der Elektrodenschichten etwas beabstandet ausgeführt ist.piezoceramics need for actuator applications for Their function is usually a high electric field of more as 1.5 kV / mm. So that the control voltage in operation on a manageable Dimension is limited, piezoelectric actuators in the multilayer structure produced. The single layer is, for example, 0.1 mm thick and can thus be controlled with 150 V. The design the electrode layers are carried out in an advantageous manner accordingly an interdigital design in which the electrode layers are not fill the entire cross section of the actuator body, but alternately offset so that a common contact one polarity on one side is possible without short the electrodes. It is part of the Electrode layers in the region of the corresponding electrode connection led to the outside of the actuator body, wherein the further part of the electrode layers in this area something spaced to the outside. In the area of contacting the further electrode connection is in a corresponding manner the further part of the electrode layers to the outside while the other part of the electrode layers is carried out slightly spaced.

Bei diesem interdigitalen Design ist der Aktorkörper in einen aktiven Bereich und jeweils einen semi-aktiven Bereich an jeder der Elektrodenanbindungen aufgeteilt. Hierdurch ergeben sich Probleme in Bezug auf den Polungsprozess des Aktorkörpers. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die Elektrodenanbindungen wird eine Polarisierung der keramischen Schichten des Aktorkörpers erreicht, um deren aktorische Fähigkeit zu aktivieren. Während dieser Polung dehnt sich der Werkstoff remanent um beispielsweise 0,3% aus. Da das durch die angelegte Spannung erzeugte elektrische Feld zumindest im Wesentlichen nur zwischen den Elektrodenschichten, das heißt im aktiven Bereich, erzeugt wird, erfolgt der Polungsprozess auch fast ausschließlich im aktiven Bereich, wodurch es zu erheblichen Zugeigenspannungen im semi-aktiven Randbereich kommt. Diese können so hoch sein, dass es zu Polungsrissen kommt, die sich negativ auf die Bauteillebensdauer auswirken.In this interdigital design, the actuator body is divided into an active area and a semi-active area at each of the electrode connections. This results in problems with respect to the poling process of the actuator body. By applying an electrical voltage between the electrode connections, a polarization of the ceramic layers of the actuator body is achieved in order to activate its actuator capability. During this polarity, the material retentively expands by, for example, 0.3%. Since the electric field generated by the applied voltage is generated at least substantially only between the electrode layers, that is to say in the active region, the poling process also takes place almost exclusively in the active region, which leads to considerable tensile residual stresses in the semi-active edge region. These can be so high that it leads to polarization cracks, which have a negative effect on the Affect component life.

Der Aktorkörper weist eine zumindest im Wesentlichen homogene Gundpolarisierung auf. Diese kann beispielsweise mit einem zusätzlichen Prozessschritt bei der Aktorherstellung ausgebildet werden, wobei eine möglichst vollständige und homogene Polung gewährleistet wird. Hierbei wird der Aktorkörper vor der Anbringung der Außenelektroden in ein elektrisches Feld eingebracht, das beispielsweise durch mittels auf den Stirnflächen applizierter Elektroden erzeugt ist. Die im Inneren des Aktorkörpers vorgesehenen Elektrodenschichten beeinflussen hierbei auf Grund ihrer senkrecht zum elektrischen Feld liegenden Orientierung die Ansteuerung nicht. Bei diesem Vorgang dehnt sich der Werkstoff im aktiven Bereich und im semi-aktiven Bereich im gleichen Maße aus, so dass keine Eigenspannungszustände auftreten. Der Aktorkörper weist dann eine homogene Grundpolarisierung auf, die sich über den aktiven Bereich und den semi-aktiven Bereich erstreckt. Nach dem Entfernen der Polungselektroden, dem Anbringen der Außenelektroden und gegebenenfalls weiterer Bearbeitungsschritte kann der Aktor normal angesteuert werden, wobei jede zweite Schicht neu polarisiert wird, da die entsprechenden keramischen Schichten vorzugsweise entgegen der Grundpolarisierung angesteuert werden.Of the Actuator body has an at least substantially homogeneous Gundpolarisierung on. This can, for example, with an additional Process step are formed in the Aktorherstellung, wherein a complete and homogeneous polarity is guaranteed. Here, the actuator body is in front the attachment of the external electrodes in an electrical Field introduced, for example, by means of on the end faces applied electrodes is generated. The inside of the actuator body provided electrode layers affect this reason their orientation perpendicular to the electric field the Control not. In this process, the material expands in active area and in the semi-active area to the same extent out, so that no residual stress states occur. Of the Actuator body then has a homogeneous Grundpolarisierung on, which is about the active area and the semi-active Range extends. After removing the poling electrodes, the Attaching the outer electrodes and optionally further processing steps The actuator can be controlled normally, with every other layer is re-polarized because the corresponding ceramic layers preferably be driven against the basic polarization.

Hierfür werden die Elektrodenschichten in vorteilhafter Weise abwechselnd mit der Elektrodenanbindung und der weiteren Elektrodenanbindung elektrisch verbunden, wobei bei einer Ansteuerung jede zweite keramische Schicht im aktiven Bereich entgegen der Grundpolarisierung polarisiert ist. Die hierfür erforderliche Neupolarisierung ändert jedoch nicht den endgültigen Dehnungszustand, so dass abschließend das Bauteil wieder frei von Eigenspannungen ist. Somit ergibt sich der Vorteil, dass bei der Betriebsansteuerung der Dehnungsunterschied zwischen aktivem Bereich und semi-aktivem Bereich nur auf die Dehnungsänderung im Betrieb beschränkt ist und der Belastungszustand somit beispielsweise um etwa 50% im Vergleich zum konventionellen Aktor reduziert ist. Der verminderte Zugspannungszustand erhöht direkt die Bauteillebensdauer, da diese maßgeblich von den Randzugspannungen bestimmt ist. Vorteilhaft ist es, dass die Elektrodenanbindung mittels eines Klebstoffes oder eines Kaltbeschichtungsvorganges mit dem Aktorkörper verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass die Grundpolarisierung erhalten wird, da eine thermische Depolarisierung der keramischen Schichten, die bei Temperaturen ab 250°C auftreten kann, verhindert ist.Therefor the electrode layers are advantageously alternating with the electrode connection and the further electrode connection electrically connected, wherein in a drive every second ceramic Layer polarized in the active region against the base polarization is. The required new polarization changes however, not the final strain state, so concluding the component is again free of residual stresses. Thus results the advantage that in the operation control of the difference in expansion between active area and semi-active area only on the strain change is limited in operation and the load condition thus for example, by about 50% compared to the conventional actuator is reduced. The reduced tensile state increases directly the component lifetime, since this is largely determined by the edge tension is determined. It is advantageous that the Electrode connection by means of an adhesive or a cold coating process is connected to the actuator body. This has the advantage that the fundamental polarization is obtained as a thermal depolarization the ceramic layers, which at temperatures from 250 ° C can occur is prevented.

Vorteilhaft ist, dass die Grundpolarisierung durch ein elektrisches Feld mit einer Stärke von etwa 2 kV/mm hervorgerufen wird. Ferner ist es vorteilhaft, dass bei einer Ansteuerung in einem Teil des aktiven Bereichs des Aktors entgegen der Grundpolarisierung eine Polarisierung hervorgerufen wird, die aus einem Bereich von etwa 0% bis etwa 50% ist. Durch die homogene Polarisierung des gesamten Aktors können remanente Zugeigenspannungen verhindert werden. Die homogene Polarisierung kann mit einer hohen elektrischen Spannung erfolgen, die ein elektrisches Feld von etwa 2 kV/mm erzeugt. Dabei ist es auch möglich, dass der Aktorkörper im erhitzten Zustand dem elektrischen Feld unterworfen ist, wodurch sich die Polung auch bei niedrigeren Feldstärken, beispielsweise von 1 kV/mm oder weniger, realisieren lässt. Diese Polarisierung findet vor der elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten mit den Außenelektroden statt, da die miteinander verbundenen Elektrodenschichten zu einer inneren Feldfreiheit führen würden.Advantageous is that basic polarization by an electric field with a strength of about 2 kV / mm is caused. Further It is advantageous that in a control in a part of the active area of the actuator against the basic polarization a Polarization is caused by a range of about 0% to about 50%. Due to the homogeneous polarization of the entire Actors can retentive residual tensions are prevented. The homogeneous polarization can be with a high electrical voltage which generates an electric field of about 2 kV / mm. there it is also possible that the actuator body in the heated Condition is subject to the electric field, causing the Polarity even at lower field strengths, for example of 1 kV / mm or less. This polarization takes place before the electrical contacting of the electrode layers with the outer electrodes instead, because the interconnected Lead electrode layers to an internal field freedom would.

Nach dem Anbringen der Außenelektroden kann die normale Ansteuerung des Aktors erfolgen, wobei der Dehnungszustand im semi-aktiven Bereich weitgehend unverändert bleibt. Da vorzugsweise jede zweite Schicht entgegen ihrer bereits bestehenden Polarisierung angesteuert wird, kommt es hier zu einer Umpolung. Dabei dreht sich die Polarisationsachse um 180°. Mechanisch gesehen kommt es bei diesem Prozess zu einer vorübergehenden negativen Dehnung, jedoch ist der finale Dehnungszustand mit dem Ausgangszustand wieder identisch. Es treten nach der Umpolung jedoch keine Zugeigenspannungen im Randbereich auf, so dass die Rissbildung eingeschränkt und ein unterkritisches Risswachstum verhindert ist. Im Betrieb dehnt sich der Aktorkörper im aktiven Bereich aus, wodurch Zugspannungen im semi-aktiven Bereich auftreten, da dieser konstruktionsbedingt nicht angesteuert wird. Allerdings ist die entstehende mechanische Spannung reduziert, da nur die Betriebsdehnung zu einer Spannung führt. Diese Dehnung kann beispielsweise nur halb so groß wie die remanente Dehnung auf Grund der Polung sein.To the attachment of the external electrodes can the normal control of the actuator, wherein the strain state in the semi-active region largely remains unchanged. Since preferably every other layer is driven against its already existing polarization, it comes here to a Umpolung. The polarization axis rotates around 180 °. Mechanically, this process occurs to a temporary negative stretch, however the final strain state is identical to the initial state again. However, after the polarity reversal there are no residual tensile stresses in the edge area so that the cracking is limited and a subcritical Crack growth is prevented. During operation, the actuator body expands in active area, causing tensile stresses in the semi-active area occur because this is not driven by design. However, the resulting mechanical stress is reduced because only the operating strain leads to a voltage. This stretching For example, it can only be half the size of the remanent one Stretching due to the polarity.

Speziell besteht der Vorteil, dass die während der Standzeit des Bauteils bestehenden Zugeigenspannungen vermieden und damit das unterkritische Risswachstum verhindert ist. Ferner können auch die im Betrieb auftretenden Spannungen reduziert werden, so dass eine Rissbildung und ein Risswachstum reduziert ist, was sich positiv auf die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit auswirkt. Ferner besteht der Vorteil, dass unterschiedliche Aktorgeometrien realisiert werden können.specially There is the advantage that during the life of the Component existing tensile stresses avoided and thus the subcritical crack growth is prevented. Further, you can also the voltages occurring during operation are reduced so that Cracking and crack growth is reduced, which is positive affects the life and reliability. It also exists the advantage that different Aktorgeometrien be realized can.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:A preferred embodiment of the invention is explained in more detail in the following description with reference to the accompanying drawings, in which corresponding elements are provided with corresponding reference numerals. It shows:

1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 a fuel injection valve with a piezoelectric actuator in a schematic sectional view according to an embodiment of the invention;

2 den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors in einer detaillierten Schnittdarstellung und 2 the in 1 with II designated section of a piezoelectric actuator according to the invention in a detailed sectional view and

3 ein Diagramm zur Erläuterung der Polarisierung des piezoelektrischen Aktors des Ausführungsbeispiels der Erfindung. 3 a diagram for explaining the polarization of the piezoelectric actuator of the embodiment of the invention.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektischen Aktor 2 entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einer Brennstoffverteilerleiste, die Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 2 eignet sich besonders für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und der erfindungsgemäße Aktor 2 eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle. 1 shows a fuel injector 1 with a piezoelectric actuator 2 according to an embodiment of the invention. The fuel injector 1 can be used in particular as an injector for fuel injection systems of air-compressing, self-igniting internal combustion engines. A preferred use of the fuel injection valve 1 consists of a fuel injection system with a fuel rail, the diesel fuel under high pressure to multiple fuel injectors 1 leads. The piezoelectric actuator according to the invention 2 is particularly suitable for such a fuel injector 1 , The fuel injection valve according to the invention 1 and the actuator according to the invention 2 However, they are also suitable for other applications.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3 und einen mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen Brennstoffeinlassstutzen 4 auf. An den Brennstoffeinlassstutzen 4 ist eine Brennstoffleitung anschließbar, um Brennstoff in einen im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen Aktorraum 5 einzuleiten. Der Aktorraum 5 ist durch ein Gehäuseteil 6 von einem ebenfalls im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen Brennstoffraum 7 getrennt. In dem Gehäuseteil 6 sind Durchlassöffnungen 8, 9 vorgesehen, um den über den Brennstoffeinlassstutzen 4 in den Aktorraum 5 geführten Brennstoff in den Brennstoffraum 7 zu leiten.The fuel injector 1 has a valve housing 3 and one with the valve body 3 connected fuel inlet nozzle 4 on. To the fuel inlet nozzle 4 is a fuel line connectable to fuel in one inside the valve body 3 provided actuator space 5 initiate. The actuator room 5 is through a housing part 6 from one also inside the valve body 3 provided fuel space 7 separated. In the housing part 6 are passage openings 8th . 9 provided to the over the fuel inlet 4 in the actuator room 5 led fuel into the fuel chamber 7 to lead.

An einem mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen Ventilsitzkörper 10 ist eine Ventilsitzfläche 11 ausgebildet, die mit einem Ventilschließkörper 12 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Der Ventilschließkörper 12 ist einstückig mit einer Ventilnadel 15 ausgebildet, über die der Ventilschließkörper 12 mit einer im Aktorraum 5 vorgesehenen Druckplatte 16 verbunden ist. Das Gehäuseteil 6 führt die Ventilnadel 15 in Richtung einer Achse 17 des Brennstoffeinspritzventils 1. Eine Ventilfeder 18, die einerseits an dem Gehäuseteil 6 und andererseits an der Druckplatte 16 anliegt, beaufschlagt die Ventilnadel 15 mittels der Druckplatte 16 mit einer Schließkraft, so dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der Ventilsitzfläche 11 gebildete Dichtsitz geschlossen ist.At one with the valve housing 3 connected valve seat body 10 is a valve seat surface 11 formed with a valve closing body 12 cooperates to a sealing seat. The valve closing body 12 is integral with a valve needle 15 formed, via which the valve closing body 12 with one in the actuator room 5 provided pressure plate 16 connected is. The housing part 6 guides the valve needle 15 in the direction of an axis 17 of the fuel injection valve 1 , A valve spring 18 on the one hand on the housing part 6 and on the other hand on the printing plate 16 is applied, acts on the valve needle 15 by means of the pressure plate 16 with a closing force, so that between the valve closing body 12 and the valve seat surface 11 formed sealing seat is closed.

An dem Ventilgehäuse 3 ist außerdem ein Anschlusselement 20 ausgebildet, das das Anschließen einer elektrischen Zuleitung an das Brennstoffeinspritzventil 1 ermöglicht. Die elektrische Zuleitung kann dabei mittels eines Steckers an elektrische Leitungen 21, 22 angeschlossen werden. An einen Aktorkörper 23 des Aktors 2 sind einerseits ein Aktorfuß 24 und andererseits ein Aktorkopf 25 angefügt. Die elektrischen Leitungen 21, 22 sind durch das Gehäuse 3 und den Aktorfuß 24 an den Aktorkörper 23 geführt.On the valve body 3 is also a connection element 20 formed, which is the connection of an electrical supply line to the fuel injection valve 1 allows. The electrical lead can thereby by means of a plug to electrical lines 21 . 22 be connected. To an actuator body 23 of the actor 2 On the one hand are an actuator base 24 and on the other hand, an actuator head 25 added. The electrical wires 21 . 22 are through the case 3 and the actuator foot 24 to the actuator body 23 guided.

Der Aktorkörper 23 des piezoelektrischen Aktors 2 weist eine Vielzahl von keramischen Schichten 26, 27, 28 und eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten angeordneten Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 auf. Dabei sind zur Vereinfachung der Darstellung exemplarisch die keramischen Schichten 26, 27, 28 und die Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 gekennzeichnet. Die Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 sind so ausgestaltet, dass sich diese jeweils nur über einen Teil des Querschnitts des Aktorkörpers 23 erstrecken. An einer Außenseite 34 des Aktorkörpers 23 sind eine Elektrodenanbindung 35 und eine weitere Elektrodenanbindung 36 vorgesehen, die einander gegenüberliegen. Ein Teil der Elektrodenschichten, der die Elektrodenschichten 31, 33 umfasst, ist einerseits im Bereich der Elektrodenanbindung 35 bis an die Außenseite 34 geführt und andererseits im Bereich der weiteren Elektrodenanbindung 36 etwas von der Außenseite 34 beabstandet. Entsprechend ist ein weiterer Teil der Elektrodenschichten, der die Elektrodenschichten 30, 32 umfasst, im Bereich der weiteren Elektrodenanbindung 36 bis an die Außenseite 34 geführt und im Bereich der Elektrodenanbindung 35 etwas von der Außenseite 34 beabstandet. Somit ist der Teil mit den Elektrodenschichten 31, 33 nur mit der Elektrodenanbindung 35 elektrisch kontaktiert, während der weitere Teil mit den Elektrodenschichten 30, 32 mit der weiteren Elektrodenanbindung 36 elektrisch kontaktiert ist. Die weitere Ausgestaltung des Aktorkörpers 23 ist anhand der 2 in weiterem Detail erläutert.The actuator body 23 of the piezoelectric actuator 2 has a variety of ceramic layers 26 . 27 . 28 and a plurality of electrode layers disposed between the ceramic layers 30 . 31 . 32 . 33 on. In this case, the ceramic layers are exemplary for simplifying the illustration 26 . 27 . 28 and the electrode layers 30 . 31 . 32 . 33 characterized. The electrode layers 30 . 31 . 32 . 33 are designed so that they each only over part of the cross section of the actuator body 23 extend. On an outside 34 of the actuator body 23 are an electrode connection 35 and another electrode connection 36 provided, which are opposite to each other. A part of the electrode layers, the electrode layers 31 . 33 includes, on the one hand in the field of electrode connection 35 to the outside 34 guided and on the other hand in the field of further electrode connection 36 something from the outside 34 spaced. Accordingly, another part of the electrode layers, which are the electrode layers 30 . 32 includes, in the field of further electrode connection 36 to the outside 34 guided and in the field of electrode connection 35 something from the outside 34 spaced. Thus, the part is with the electrode layers 31 . 33 only with the electrode connection 35 electrically contacted, while the other part with the electrode layers 30 . 32 with the further electrode connection 36 electrically contacted. The further embodiment of the actuator body 23 is based on the 2 explained in more detail.

Zur Isolierung des piezoelektrischen Aktors 2, insbesondere des Aktorkörpers 23, ist außerdem eine elektrisch isolierende, kraftstoffbeständige Ummantelung 37 vorgesehen, die vereinfacht dargestellt ist. Die Ummantelung 37 ermöglicht die Anordnung des piezoelektrischen Aktors 2 in dem mit Brennstoff durchflossenen Aktorraum 5. Falls ein separater Aktorraum 5 vorgesehen ist, der konstruktiv gegenüber dem Brennstoff abgedichtet ist, kann die Ummantelung 37 auch entfallen.For isolation of the piezoelectric actuator 2 , in particular of the actuator body 23 , is also an electrically insulating, fuel-resistant sheath 37 provided, which is shown in simplified form. The jacket 37 allows the arrangement of the piezoelectric actuator 2 in the fuel-carrying actuator space 5 , If a separate actuator room 5 is provided, which is structurally sealed against the fuel, the sheath 37 also omitted.

2 zeigt den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt in einer detaillierten Schnittdarstellung. Dabei zeigt die 2 die Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktors 2 im Bereich der weiteren Elektrodenanbindung 36. Die Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktors 2 im Bereich der Elektrodenanbindung 35 ergibt sich in entsprechender Weise. 2 shows the in 1 Section II in a detailed sectional view. It shows the 2 the embodiment of the piezoelectric actuator 2 in the area of the further electrode connection 36 , The embodiment of the piezoelectric actuator 2 in the field of electrode connection 35 results in a corresponding manner.

Da die Elektrodenschichten 31, 33 etwas beabstandet von der weiteren Elektrodenanbindung 36 sind, ergibt sich ein semi-aktiver Bereich 40, in dem die keramischen Schichten 26, 27 zusammen zwischen den Elektrodenschichten 30, 32 angeordnet sind, wobei die Elektrodenschichten 30, 32 über die weitere Elektrodenanbindung 36 elektrisch miteinander verbunden sind, so dass im Betrieb des piezoelektrischen Aktors 2 kein wesentliches zusätzliches elektrisches Feld in dem semi-aktiven Bereich 40 der keramischen Schichten 36, 27 erzeugt wird. In einem aktiven Bereich 41 besteht im Gegensatz dazu eine alternierende Anordnung von Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33, die einerseits mit der Elektrodenanbindung 35 und andererseits mit der Elektrodenanbindung 36 kontaktiert sind, so dass bei einer Beaufschlagung des piezoelektrischen Aktors 2 durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die Elektrodenanbindung 35, 36 zusätzliche elektrische Felder in den keramischen Schichten 26, 27, 28 erzeugt werden.Because the electrode layers 31 . 33 slightly spaced from the further electrode connection 36 are, results in a semi-active area 40 in which the ceramic layers 26 . 27 together between the electrode layers 30 . 32 are arranged, wherein the electrode layers 30 . 32 via the further electrode connection 36 are electrically connected to each other, so that during operation of the piezoelectric actuator 2 no significant additional electric field in the semi-active region 40 the ceramic layers 36 . 27 is produced. In an active area 41 In contrast, there is an alternating arrangement of electrode layers 30 . 31 . 32 . 33 , on the one hand with the electrode connection 35 and on the other hand with the electrode connection 36 are contacted, so that when a loading of the piezoelectric actuator 2 by applying an electrical voltage between the electrode connection 35 . 36 additional electric fields in the ceramic layers 26 . 27 . 28 be generated.

Während somit im aktiven Bereich 41 des Aktorkörpers 23 abwechselnd jeweils zwei Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 unterschiedlicher Polarität parallel zueinander eine keramische Schicht 26, 27, 28 einschließen und somit zu einem zumindest im Wesentlichen homogenen elektrischen Feld bei der Ansteuerung führen, liegen sich im semi-aktiven Bereich 40 jeweils gleiche Polaritäten gegenüber.While thus in the active area 41 of the actuator body 23 alternately two electrode layers 30 . 31 . 32 . 33 different polarity parallel to each other a ceramic layer 26 . 27 . 28 Include and thus lead to an at least substantially homogeneous electric field in the control, are in the semi-active area 40 each opposite to the same polarities.

Ohne die homogene Grundpolarisierung des Aktorkörpers 23 würde im semi-aktiven Bereich 40 ein stark inhomogenes Dehnungsfeld entstehen, da der Aktorkörper 23 mit dem aktiven Bereich 41 polarisiert würde und somit eine remanente Dehnung nach der Abschaltung der Ansteuerung im aktiven Bereich 41 bestehen würde, während es im semi-aktiven Bereich 40 zu keiner homogenen Polung des Materials und somit zu einer entsprechenden inhomogenen remanenten Dehnung kommen würde. Gegebenenfalls könnte sogar eine gewisse remanente Kontraktion auftreten. Im Endeffekt käme es zu wesentlichen Zugeigenspannungen im Randbereich, welche die Festigkeit des Werkstoffs beziehungsweise die Festigkeit der Grenzschichten zwischen Metall und Keramik überschreitet und somit zu Rissbildung führt. Ferner kann bei ständiger Belastung ein unterkritisches langsames Risswachstum auftreten, welches die Lebensdauer des Bauteils reduziert.Without the homogeneous basic polarization of the actuator body 23 would be in the semi-active area 40 create a strong inhomogeneous strain field, as the actuator body 23 with the active area 41 polarized and thus a remanent stretching after switching off the control in the active area 41 would exist while in the semi-active area 40 would not come to a homogeneous polarity of the material and thus to a corresponding inhomogeneous remnant elongation. If necessary, even a certain remanent contraction could occur. Ultimately, there would be significant residual tensile stresses in the edge region, which exceeds the strength of the material or the strength of the boundary layers between metal and ceramic and thus leads to cracking. Furthermore, under constant load a subcritical slow crack growth can occur, which reduces the life of the component.

Erfindungsgemäß wird der Aktorkörper 23 vor der elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 mittels der Elektrodenanbindungen 35, 36 einem zumindest im Wesentlichen in Richtung der Achse 17 orientierten homogen starken elektrischen Feld unterworfen, das sich über den gesamten Querschnitt des Aktorkörpers 23 erstreckt und somit neben dem aktiven Bereich 41 auch den semi-aktiven Bereich 40 einschließt. Hierbei können beispielsweise vorübergehend zwei Außenelektroden auf die beiden Stirnseiten 42, 43 des Aktorkörpers 23 aufgebracht werden. Die Polarisierung kann durch eine hohe elektrische Spannung erfolgen, die beispielsweise ein elektrisches Feld von 2 kV/mm erzeugt. Das erzeugte Polarisationsfeld kann dann parallel zu der Achse 17 in der Richtung 44 orientiert sein. Anschließend kann die Kontaktierung der Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 mittels der Elektrodenanbindungen 35, 36 erfolgen, so dass die Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 abwechselnd mit der Elektrodenanbindung 35 und der weiteren Elektrodenanbindung 36 elektrisch kontaktiert sind. Die Aufbringung der Elektrodenanbindungen 35, 36 erfolgt vorzugsweise bei eher niedrigen Temperaturen, das heißt bei Temperaturen, bei denen eine thermische Depolarisierung der keramischen Schichten 26, 27, 28 zumindest im Wesentlichen verhindert ist.According to the invention, the actuator body 23 before the electrical contacting of the electrode layers 30 . 31 . 32 . 33 by means of the electrode connections 35 . 36 one at least substantially in the direction of the axis 17 oriented homogeneously subjected to strong electric field, extending over the entire cross section of the actuator body 23 extends and thus adjacent to the active area 41 also the semi-active area 40 includes. Here, for example, temporarily two outer electrodes on the two end faces 42 . 43 of the actuator body 23 be applied. The polarization can be done by a high electrical voltage, for example, generates an electric field of 2 kV / mm. The generated polarization field can then be parallel to the axis 17 in that direction 44 be oriented. Subsequently, the contacting of the electrode layers 30 . 31 . 32 . 33 by means of the electrode connections 35 . 36 done so that the electrode layers 30 . 31 . 32 . 33 alternating with the electrode connection 35 and the further electrode connection 36 electrically contacted. The application of the electrode connections 35 . 36 is preferably at rather low temperatures, that is, at temperatures at which a thermal depolarization of the ceramic layers 26 . 27 . 28 is at least substantially prevented.

Bei der normalen Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 2 bleibt der Polarisations- und somit auch der Dehnungszustand im semi-aktiven Bereich 40 weitgehend unbeeinflusst. Da jede zweite keramische Schicht 27 entgegen ihrer bereits bestehenden Polarisation angesteuert wird, kommt es in dieser zu einer Umpolung, wobei sich die Polarisationsachse um 180° dreht. Somit kommt es bei diesem Prozess mechanisch zu einer vorübergehenden negativen Dehnung des Aktorkörpers 23. Jedoch ist der endgültige Dehnungszustand mit dem Ausgangszustand wieder identisch. Es treten nach der Umpolung somit keine Zugeigenspannungen im Randbereich, insbesondere im semi-aktiven Bereich 40, auf, so dass eine Rissbildung zumindest eingeschränkt und ein unterkritisches Risswachstum verhindert oder verringert ist.In the normal control of the piezoelectric actuator 2 The polarization and thus also the strain state remains in the semi-active range 40 largely unaffected. As every second ceramic layer 27 is driven against its already existing polarization, it comes in this to a polarity reversal, with the polarization axis rotates 180 °. Thus, this process mechanically leads to a temporary negative elongation of the actuator body 23 , However, the final strain state is identical to the initial state again. There are thus no residual tensile stresses in the edge region after the polarity reversal, in particular in the semi-active region 40 , so that cracking is at least limited and subcritical crack growth is prevented or reduced.

Bei der Betriebsansteuerung dehnt sich der aktive Bereich 41 des Aktorkörpers 23 aus, so dass Zugspannungen im semi-aktiven Bereich 40 auftreten, die jedoch um beispielsweise 50% reduziert sind, da nur die Betriebsdehnung zu einer Spannung führt. Diese Betriebsdehnung ist nämlich in der Regel kleiner als die remanente Dehnung auf Grund der Polung.During operation control, the active area expands 41 of the actuator body 23 out, allowing tensile stresses in the semi-active area 40 occur, however, which are reduced by, for example, 50%, since only the operating strain leads to a voltage. This operating strain is usually smaller than the residual strain due to the polarity.

3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung der Erfindung. Dabei zeigt die 3 einen Teil einer typischen Hysteresekurve bei der Ansteuerung des Aktorkörpers 23. Hierbei ist auf der Abszisse die elektrische Feldstärke E und auf der Ordinate die Dehnung D aufgetragen. Der Ausgangspunkt 50 liegt im Ursprung des dargestellten Diagramms. Bei der ersten Ansteuerung durchläuft der Aktorkörper 23 die Kurve A, wobei sich beim Durchlaufen der Kurve A der Polungszustand in dem Aktorkörper 23 ausbildet. Bei der anschließenden Entlastung durchläuft der Aktorkörper 23 die Kurve B, wobei eine remanente Dehnung im Entlastungspunkt 51 verbleibt. Eine typische Betriebsansteuerung verläuft entlang der Kurve C, bei der sich die Dehnung D wieder bis zum Maximalwert im Punkt 52 erhöht. Die remanente Dehnung 53 ist somit größer als die Dehnungsänderung 54 im Betrieb. Beispielsweise kann die Dehnungsänderung 54 im Betrieb etwa 50% der remanenten Dehnung 53 ausmachen. 3 shows a diagram illustrating the effect of the invention. It shows the 3 a part of a typical hysteresis curve in the control of the actuator body 23 , In this case the electric field strength E is plotted on the abscissa and the strain D is plotted on the ordinate. The output Point 50 lies at the origin of the illustrated diagram. During the first activation, the actuator body passes through 23 the curve A, wherein when passing through the curve A, the poling state in the actuator body 23 formed. During the subsequent discharge, the actuator body passes through 23 the curve B, where a remanent strain in the discharge point 51 remains. A typical operation drive is along the curve C, where the strain D is again up to the maximum value at the point 52 elevated. The remanent strain 53 is thus greater than the strain change 54 operational. For example, the strain change 54 in operation about 50% of the remanent elongation 53 turn off.

Durch die wesentlichen homogene Grundpolarisierung des Aktorkörpers 23 können somit die mechanischen Spannungen im Aktorkörper 23 im Betrieb des piezoelektrischen Aktors 2 verringert werden. Somit kann die Lebensdauer des piezoelektrischen Aktors 2 vergrößert und die Zuverlässigkeit verbessert werden.Due to the substantial homogeneous Grundpolarisierung the actuator body 23 Thus, the mechanical stresses in the actuator body 23 during operation of the piezoelectric actuator 2 be reduced. Thus, the life of the piezoelectric actuator 2 increased and the reliability can be improved.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.The Invention is not on the described embodiment limited.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 102004012284 A1 [0002, 0003] - DE 102004012284 A1 [0002, 0003]

Claims (8)

Piezoelektrischer Aktor (2), insbesondere Aktor für Brennstoffeinspritzventile, mit einem Aktorkörper (23), der eine Vielzahl von keramischen Schichten (26, 27, 28) und eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten (26, 27, 28) angeordneten Elektrodenschichten (30, 31, 32, 33) aufweist, wobei ein Teil der Elektrodenschichten mit einer Elektrodenanbindung (35) und ein weiterer Teil der Elektrodenschichten mit einer weiteren Elektrodenanbindung (36) verbunden ist und wobei der Aktorkörper (23) einen aktiven Bereich (41) und zumindest einen semi-aktiven Bereich (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (23) eine zumindest im Wesentlichen homogene Grundpolarisierung aufweist, die sich über den aktiven Bereich (41) und den semi-aktiven Bereich (40) erstreckt.Piezoelectric actuator ( 2 ), in particular actuator for fuel injection valves, with an actuator body ( 23 ) comprising a plurality of ceramic layers ( 26 . 27 . 28 ) and a plurality of between the ceramic layers ( 26 . 27 . 28 ) arranged electrode layers ( 30 . 31 . 32 . 33 ), wherein a part of the electrode layers with an electrode connection ( 35 ) and a further part of the electrode layers with a further electrode connection ( 36 ) and wherein the actuator body ( 23 ) an active area ( 41 ) and at least one semi-active region ( 40 ), characterized in that the actuator body ( 23 ) has an at least substantially homogeneous basic polarization which extends over the active region ( 41 ) and the semi-active region ( 40 ). Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschichten (30, 31, 32, 33) abwechselnd mit der Elektrodenanbindung (35) und der weiteren Elektrodenanbindung (36) elektrisch verbunden sind und dass bei einer Ansteuerung jede zweite keramische Schicht im aktiven Bereich (41) entgegen der Grundpolarisierung polarisiert ist.Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that the electrode layers ( 30 . 31 . 32 . 33 ) alternately with the electrode connection ( 35 ) and the further electrode connection ( 36 ) are electrically connected and that when activated, every second ceramic layer in the active region ( 41 ) is polarized against the fundamental polarization. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ansteuerung die homogene Grundpolarisierung im semi-aktiven Bereich (40) zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst ist.Piezoelectric actuator according to claim 2, characterized in that during the activation, the homogeneous basic polarization in the semi-active region ( 40 ) is at least substantially unaffected. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die homogene Grundpolarisierung eine remanente Grunddehnung des Aktorkörpers (23) hervorruft.Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the homogeneous Grundpolarisierung a remanent basic strain of the actuator body ( 23 ). Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch eine Ansteuerung bewirkte Dehnung entgegen der Grunddehnung gerichtet ist.Piezoelectric actuator according to claim 4, characterized characterized in that caused by a control strain directed against the basic strain. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanbindungen (35, 36) mittels eines Klebstoffes oder eines Kaltbeschichtungsvorganges mit dem Aktorkörper (23) verbunden sind.Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrode connections ( 35 . 36 ) by means of an adhesive or a cold coating process with the actuator body ( 23 ) are connected. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundpolarisierung durch ein elektrisches Feld mit einer Stärke von etwa 2 kV/mm hervorgerufen wird.Piezoelectric actuator according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the basic polarization by an electric field with a thickness of about 2 kV / mm is caused. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen Aktor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem von dem Aktor (2) betätigbaren Ventilschließkörper (12), der mit einer Ventilsitzfläche (11) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt.Fuel Injector ( 1 ), in particular injector for fuel injection systems of air-compressing, self-igniting internal combustion engines, with a piezoelectric actuator ( 2 ) according to one of claims 1 to 7 and one of the actuator ( 2 ) operable valve closing body ( 12 ), which is provided with a valve seat surface ( 11 ) cooperates to a sealing seat.
DE102007037552A 2007-08-09 2007-08-09 Piezoelectric actuator, particularly actuator for fuel injection valve, has actuator body, which has multiple ceramic layers and multiple electrode layers arranged between those ceramic layers Withdrawn DE102007037552A1 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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