DE102008042110A1

DE102008042110A1 - Piezoaktor mit einem Mehrlagenaufbau und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102008042110A1
Application number: DE102008042110A
Authority: DE
Inventors: Cosima Eschenbacher; Ingo Kerkamm; Georg Hejtmann; Ivan Spremo
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-13
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2010-02-18

Abstract

Es wird ein Piezoaktor mit einem Mehrlagenaufbau aus Piezoelementen (2) oder als Massivkeramik vorgeschlagen, die jeweils aus sinterbaren Piezolagen (3) bestehen, die zwischen Innenelektroden (4, 5) eingefasst sind und die in Richtung des Lagenaufbaus und der Wirkrichtung des Piezoaktors (1) über Außenelektroden (6, 7) abwechselnd mit einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind und mit einer mindestens den Piezoaktor (1) umgebenden Schutzschicht oder sonstigen Steifigkeit. Der Piezoaktor (1) ist vor einer Polarisierung außen mit einer in Wirkrichtung seriellen oder parallelen mechanischen Steifigkeit versehen, die nach der Polarisierung eine Kraft gegen die Wirk- oder Dehnungsrichtung auf den Piezoaktor (1) ausübt. Die mechanische Steifigkeit ist vorzugsweise durch eine außen auf den Piezoaktor (1) aufgebrachte, nach dem Aufbringen aushärtbare Vergussmasse (10) gebildet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs 1 und des Verfahrensanspruchs 5.
Piezoaktoren sind metallisierte keramische Bauelemente, mit denen in vielen technischen Bereichen unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Hubs eines Stellelements, zum Beispiel eines Ventils oder dergleichen, vorgenommen werden kann. In Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung stellt die mechanische Reaktion einer Piezokeramik einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung dar, wobei derartige Piezoaktoren sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen präzise Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen, d. h. mit schneller Auslenkung, ablaufen sollen, besonders eignen.
Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet stellt die mit solchen Piezoaktoren geregelte Einspritzung von Kraftstoff in der Kraftfahrzeugtechnik dar. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Steuerventils genutzt, das wiederum den Hub einer Düsennadel in einem sogenannten Piezoinjektor regelt und damit zur zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in periodisch arbeitenden Verbrennungsmotoren verwendet werden kann.
Die Piezoelemente des Piezoaktors sind aus Piezolagen aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass beim Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden, die die Piezolagen jeweils einschließen, eine mechanische Reaktion der Piezoelemente erfolgt. Um mit moderaten elektrischen Spannungen in Kraftfahrzeugen arbeiten zu können, werden daher in der Regel Vielschicht- oder Mehrlagenaktoren verwendet, die einen Schichtverbund aus dünnen Ke ramikschichten und metallischen Innenelektroden darstellen. Die Keramikschichten werden mit Hilfe der wechselseitig ausgeführten und mit Außenelektrode elektrisch gebrückten Innenelektroden parallel geschaltet, so dass beispielsweise eine Steuerspannung von ca. 200 V an jeder Keramikschicht anliegt und dann ein elektrisches Feld von ca. 2 kV/mm ausbilden kann. Eine typische Bauform besteht dabei zum Beispiel aus 300 aktiven Keramikschichten mit einer Schichtdicke von 90 μm und einer Ag-Pd-Innenelektrodendicke von 2–3 μm.
Der zuvor beschriebene Piezoinjektor besteht im Wesentlichen aus einem Haltekörper und einem in dem Haltekörper angeordneten Piezoaktormodul, bestehend aus einem Kopf- und einem Fußteil sowie einem zwischen Kopf- und Fußteil angeordneten Piezoaktor aus den Piezoelementen. Das Piezoaktormodul ist hier dann mit einer Düsennadel verbunden, sodass durch Anlegen oder Wegnahme einer elektrischen Spannung an die Piezoelemente eine Düsenöffnung freigegeben oder verschlossen wird.
Bei der so genannten direkten Düsennadelsteuerung wird der Piezoaktor im Haltekörper des Piezoinjektors direkt im Kraftstoff unter Hochdruck betrieben. Ein Piezoinjektor mit direkter Düsennadelsteuerung ist beispielsweise aus der EP 117 46 15 A2 bekannt.
Zum Schutz des Piezoaktors bzw. der Piezoelemente vor Feuchtigkeit, etwa vor Diesel, Wasser, Raps-Methyl-Ester (RME) oder sonstigen elektrisch leitenden Substanzen, vor Partikeln und Schwebstoffen, vor den umgebenden hohen Drücken, sowie vor Druck- und Temperaturschwankungen ist es bekannt, den Piezoaktor in einem Piezoinjektor mit direkter Düsennadelsteuerung zumindest teilweise mit einer Schutzummantelung zu versehen. Durch die WO 01/48834 A2 ist eine elektrische Isolation eines Piezoaktors durch einen Schutzmantel aus Kunststoff bekannt, der beispielsweise durch Spritzgießen aufgebracht wird.
Aus der DE 199 28 179 A1 ist für sich gesehen auch bekannt, dass solche Piezoaktoren mechanische Ausgleichselemente aufweisen, die im Wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten wie der Piezoaktor aufweisen, sodass die temperaturbedingte Dehnung der Piezoelemente ausgeglichen werden kann und somit die Piezoelemente des Piezoaktors im Gehäuse verspannbar sind. Hierzu liegt beispielsweise der Piezoaktor oder das Piezoaktormodul in seiner Wirkrichtung mit einem Ende über eine Feder an einer Fixierkante eines Gehäuses und mit dem anderen Ende über die Druckplatte und eine Vorspannfeder an einer anderen Fixierkante des Gehäuses an.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht sowohl von einem eingangs beschriebenen Piezoaktor mit einem Mehrlagenaufbau aus Piezoelementen aus, die jeweils aus sinterbaren Piezolagen bestehen, die zwischen Innenelektroden eingefasst sind und die in Richtung des Lagenaufbaus und der Wirkrichtung des Piezoaktors über Außenelektroden abwechselnd mit einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind und mit einer mindestens den Piezoaktor umgebenden Schutzschicht oder einer sonstigen Steifigkeit, wie zum Beispiel einer Feder, versehen sind, als auch von einem Piezoaktor aus, der aus mindestens einer Piezolage gebildet ist, die aus einer Massivkeramik hergestellt ist.
Erfindungsgemäß ist der Piezoaktor in vorteilhafter Weise gemäß einer zweiten Ausführungsform vor einer Polarisierung außen mit einer in Wirk- oder Dehnungsrichtung seriellen oder parallelen mechanischen Steifigkeit versehen, die nach der Polarisierung eine Kraft gegen die Wirkrichtung auf den Piezoaktor ausübt.
Mit der Erfindung kann dadurch in vorteilhafter Weise eine Erhöhung des nutzbaren Hubes einer piezoelektrischen Massivkeramik in den Piezolagen bzw. im gesamten Mehrlagenaufbau des Piezoaktors erreicht werden. Neben der Erhöhung des Hubes kann dadurch auch eine zusätzliche uniaxiale mechanische Vorspannung in der Anwendung des Piezoaktors eventuell entfallen.
Ein solcher Piezoaktor kann, wie eingangs beschrieben, Bestandteil eines Piezoinjektors zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die mechanische Steifigkeit durch eine außen auf den Piezoaktor aufgebrachte, nach dem Aufbringen aushärtbare Vergussmasse, vorzugsweise aus einem Duroplast mit einer vorgegebenen Steifigkeit, gebildet. Die Vergussmasse ist dabei so zu wählen, dass die Remanenz der polarisierten Piezolagen herabsenkbar ist und damit die Erhöhung des nutzbaren Hubs des Piezoaktors in der Wirkrichtung erfolgt. Durch die Anbringung der Vergussmasse wird zusätzlich eine elektrische Isolation des Piezoaktors bewirkt und bei einer entsprechenden Wahl der Vergussmasse kann diese auch als Schutz vor den Umgebungsmedien (Flüssigkeiten, Gase) dienen.
Gemäß eines vorteilhaften Verfahrens zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Piezoaktors wird nach dem Aufbringen der mechanischen Steifigkeit, vorzugsweise einer Vergussmasse, auf den Piezoaktor die Polarisierung durch Beaufschlagung der Piezolagen mit einer hohen elektrischen Spannung bei hohen Temperaturen durchgeführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Piezoaktors zur Verwendung in einem Piezoinjektor in einem Längsschnitt,
2 eine Darstellung eines laminierten Blocks, aus dem ein solcher Piezoaktor heraustrennbar ist,
3 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß fertig prozessierten Piezoaktor mit einer Vergussmasse als mechanische Steifigkeit,
4 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Massivkeramik,
5a bis 5d Ersatzschaltbilder des Piezoaktors mit der parallel oder seriell wirkenden Steifigkeit und
6 ein Diagramm eines resultierenden Nutzhubes des Piezoaktors mit und ohne der erfindungsgemäßen Steifigkeit.
Ausführungsform der Erfindung
Ein in 1 schematisch dargestellter Piezoaktor 1 umfasst mehrere als Mehrlagenaufbau übereinandergestapelte Piezoelemente 2, die jeweils aus Piezolagen 3 aus Piezokeramik und diese einschließende Innenelektroden 4 und 5 bestehen. Die Innenelektroden 4 und 5 der Piezoelemente 2 sind mit Außenelektroden 6 und 7 wechselseitig an eine Spannungsquelle 8, zum Beispiel in der Größenordnung von 200 V, angeschlossen, die unter Ausnutzung des Piezoeffekts bei Anlage der elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Richtung des Mehrlagenaufbaus bewirken.
Aus 2 ist ein Aufbau eines Mehrlagenpiezoaktors zu entnehmen, bei dem im Serienmaßstab als Fertigungstechnologie beispielsweise die sogenannte Blocktechnik angewandt werden kann, bei der aus einem Block 9 eine Vielzahl von quaderförmigen Piezoaktoren herausgetrennt werden können.
In 3 ist ein erfindungsgemäßer Piezoaktor 1 im Längsschnitt dargestellt, bei dem hier zusätzlich zu den nur schematisch erkennbaren Innenelektroden und Piezolagen auf den Außenelektroden 6 und 7 eine Vergussmasse 10 als mechanische Steifigkeit erkennbar ist.
Aus 4 ist ein Piezoaktor 1 als Massivkeramik mit den Außenelektroden 6 und 7 und der Vergussmasse 10 ebenfalls im Längsschnitt ersichtlich.
Die Anbringung der mechanischen Steifigkeit bzw. der Vergussmasse 10 erfolgt am Piezoaktor im nichtpolarisierten Zustand und somit vor dem anschließenden Polarisieren. Dies kann durch eine Polarisation erfolgen, bei der bei hohen Temperaturen eine elektrische Spannung an die Innenelektroden 4 und 5 angelegt wird, sodass die Domänen in der Richtung des elektrischen Feldes ausgerichtet werden und nach dem Abschalten des elektrischen Feldes eine resultierende Polarisation der Keramik der Piezolagen 3 bestehen bleibt.
Bei diesem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird somit die Remanenz der polarisierten Piezolagen 3 stark abgesenkt und der nutzbare Hub des Piezoaktors 1 erhöht und eine zusätzliche uniaxiale mechanische Vorspannung in der Anwendung kann entfallen. Die Vergussmasse 10 dient weiterhin als zusätzliche elektrische Isolation des Piezoaktors 1 und kann auch als Schutz vor Umgebungsmedien, wie zum Beispiel Flüssigkeiten oder Gasen dienen.
In 5a bis 5d sind Ersatzschaltbilder der mit der mechanischen Steifigkeit (Vergussmasse 10) zusätzlich auf den Piezoaktor 1 nach der 3 wirkenden Kräfte F₁ und F₂ und im Diagramm nach 6 ist der Verlauf der Dehnung bzw. des Hubs des Piezoaktors 1 in Abhängigkeit vom elektrischen Feld E während der Polarisierung und als Nutzhub gezeigt. Der unipolare Nutzhub des Piezoaktors 1 wird durch das Anbringen der Vergussmasse 10 in einer seriellen Variante (seriell zur Dehnungsrichtung nach 5a, 5b) oder in einer parallelen Variante (parallel zur Dehnungsrichtung nach 5c, 5d) mittels der zur Dehnungsachse geschalteten Steifigkeit (Vergussmasse 10) im unpolarisierten Zustand (5a, 5c) mit einem elektrischen Feld E = 0 und im polarisierten Zustand (5b, 5d) mit einem elektrischen Feld E ≥ 0 gezeigt.
Im polarisierten Zustand ergibt sich bei der seriellen Auslegung eine Druckbelastung des Piezoaktors 1, wodurch auch eine Ausführung der Steifigkeit als Federelement in Frage kommt. Wenn die Steifigkeit parallel zur Dehnungsrichtung des Piezoaktors 1 geschaltet ist, ergibt sich im polarisierten Zustand daraus eine Klemmung des Piezoaktors 1, sodass hier die Ausführung der Steifigkeit vor allem durch Vergießen des Piezoaktors 1 in Frage kommt.
Die Steifigkeit der Vergussmasse 10 wird derart ausgelegt, dass im unpolarisierten Zustand des Piezoaktors 1 keine Kraft F₁ (seriell nach der 5a) oder Kraft F₂ (parallel nach der 5c) auf den Piezoaktor 1 ausgeübt wird. Im polarisierten Zustand des Piezoaktors 1 wird dagegen eine Kraft F₁ > 0 (seriell nach der 5b) oder eine Kraft F₂ > 0 (parallel nach der 5d) auf den Piezoaktor 1 ausübt. Die Größen k₁ und k₂ bezeichnen hier die Steifigkeit und die Größe P die Polarisierung.
Aus dem Diagramm nach der 6 ist ersichtlich, dass beim Durchlaufen einer ersten elektrischen Belastung anhand einer Neukurve 11 mit der Steifigkeit der Vergussmasse 10 eine erstmalige Längenausdehnung des Piezoaktors 1 (vgl. 3 oder 5a bis 5d) erfolgt. Aufgrund der seriell oder parallel geschalteten Steifigkeit wird eine parallel zur Ausdehnungsrichtung wirkende Kraft F₁ oder F₂ auf den Piezoaktor 1 ausgeübt. Dies bewirkt eine stärkere Absenkung gemäß Kurve 12 des Remanenzzustands 13 im Vergleich zum Sättigungszustand 14. Der Remanenzzustand 13 des Piezoaktors 1 mit Steifigkeit liegt somit unterhalb des Remanenzzustands 17 eines Piezoaktors 1 ohne Steifigkeit. Ein Verlauf einer Neukurve 15 ohne Steifigkeit ist hier ebenfalls dargestellt, die einen Sättigungszustand 16 erreicht und auf den höher liegenden Remanenzzustand 17 herabsinkt. Folglich erhöht sich bei dem Piezoaktor 1 mit der erfindungsgemäßen Steifigkeit die unipolare Dehnung oder der Nutzhub 18 gegenüber dem Nutzhub 19 eines Piezoaktors 1 ohne Steifigkeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1174615 A2 [0006]
- WO 01/48834 A2 [0007]
- DE 19928179 A1 [0008]

Claims

Piezoaktor mit einem Mehrlagenaufbau aus Piezoelementen (2), die jeweils aus sinterbaren Piezolagen (3) bestehen, die zwischen Innenelektroden (4, 5) eingefasst sind und die in Richtung des Lagenaufbaus und der Wirkrichtung des Piezoaktors (1) über Außenelektroden (6, 7) abwechselnd mit einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind und einer mindestens den Piezoaktor (1) umgebenden Schutzschicht oder sonstigen Steifigkeit dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) vor einer Polarisierung außen mit einer in Wirkrichtung seriellen oder parallelen mechanischen Steifigkeit versehen ist, die nach der Polarisierung eine Kraft gegen die Wirk- oder Dehnungsrichtung auf den Piezoaktor (1) ausübt.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Steifigkeit durch eine außen auf den Piezoaktor (1) aufgebrachte, nach dem Aufbringen aushärtbare Vergussmasse (10) gebildet ist.
Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (10) so gewählt ist, dass die Remanenz der polarisierten Piezolagen (3) herabsenkbar ist und eine Erhöhung des nutzbaren Hubs des Piezoaktors (1) in der Wirk- oder Dehnungsrichtung erfolgt.
Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (10) aus Duroplast besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der mechanischen Steifigkeit, vorzugsweise einer Vergussmasse (10), auf den Piezoaktor (1) die Polarisierung durch Beaufschlagung der Piezolagen (3) mit einer hohen elektrischen Spannung bei hohen Temperaturen durchgeführt wird.
Verwendung eines Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) Bestandteil eines Piezoinjektors zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor ist.