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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere einen
Rollaktor, und ein Brennstoffeinspritzventil mit solch einem piezoelektrischen Aktor.
Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für
Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 10 2006
017 295 A1 ist ein Piezoaktor und ein Verfahren zur Herstellung
eines Piezoaktors bekannt. Der bekannte Piezoaktor weist einen Grundkörper
mit einer Längsachse auf, wobei im Grundkörper
angeordnete Innenelektroden vorgesehen sind, deren Hauptflächen
parallel zur Längsachse verlaufen. Zur Herstellung kann
eine Wickelanordnung von Innenelektroden in einem zylindrischen Grundkörper
wie folgt erzeugt werden. Es wird eine Mehrschichtanordnung erzeugt,
die zwei Keramikschichten umfasst. Zwischen der ersten Keramikschicht
wird eine Metallschicht zur Bildung der ersten Innenelektrode und
auf der zweiten Keramikschicht eine weitere Metallschicht zur Bildung
der zweiten Innenelektrode durch Auftragen einer silberhaltigen Metallpaste
erzeugt. Dabei erstreckt sich die erste Innenelektrode in vertikaler
Richtung bis zum oberen ersten Rand der Keramikschicht, der die
erste Stirnseite des zylindrischen Grundkörpers bildet,
und ist vom gegenüberliegenden Rand dieser Keramikschicht
zur Bildung einer passiven Zone beabstandet. Die zweite Innenelektrode
erstreckt sich in vertikaler Richtung bis zum unteren zweiten Rand
der Keramikschicht, der die zweite Stirnseite des zylindrischen
Grundkörpers bildet, und ist vom gegenüberliegenden
Rand dieser Keramikschicht zur Bildung der passiven Zone beabstandet.
Diese Mehrschichtanordnung wird dann zur Bildung einer Rolle gewickelt,
wobei auf dieser Rolle nach dem Wickeln eine endständige
Keramikschicht erzeugt wird. Die fertige Rolle wird gepresst und
gesintert. Auf den Stirnseiten der Rolle wird jeweils eine Metallschicht zur
Bildung der Außenelektroden durch ein Verfahren wie zum
Beispiel Sputtern aufgetragen und eingebrannt.
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Der
aus der
DE 10
2006 017 295 A1 bekannte Piezoaktor hat den Nachteil, dass
die Herstellung aufwändig ist. Zur Herstellung sind zwei
mit Metallschichten beschichtete Keramikschichten erforderlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße
Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 15 haben
demgegenüber den Vorteil, dass die Herstellung vereinfacht
ist. Speziell kann eine vorteilhafte Funktionsweise des piezoelektrischen
Aktors erreicht werden, wobei die Herstellung des piezoelektrischen
Aktors mit relativ geringen Herstellungskosten möglich
ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
piezoelektrischen Aktors und des im Anspruch 15 angegebenen Brennstoffeinspritzventils
möglich.
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Vorteilhaft
ist es, dass sich ein erster Teil der Elektrodenschichten bis an
eine erste Stirnseite des gewickelten Schichtsystems erstreckt und
von einer der ersten Stirnseite abgewandten zweiten Stirnseite des
gewickelten Schichtsystems beabstandet ist und dass sich ein zweiter
Teil der Elektrodenschichten bis an die zweite Stirnseite des gewickelten
Schichtsystems erstreckt und von der ersten Stirnseite des gewickelten
Schichtsystems beabstandet ist. Dadurch ist eine vorteilhafte Kontaktierung
der Elektrodenschichten an den beiden Stirnseiten möglich.
Speziell kann ein Teil der Elektrodenschichten positive Elektroden
bilden, während der andere Teil der Elektrodenschichten
negative Elektroden bildet.
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Dabei
ist es ferner vorteilhaft, dass an der ersten Stirnseite eine erste
Außenelektrode vorgesehen ist, die mit dem ersten Teil
der Elektrodenschichten elektrisch verbunden ist, und dass an der
zweiten Stirnseite eine zweite Außenelektrode vorgesehen ist,
die mit dem zweiten Teil der Elektrodenschichten verbunden ist.
Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die erste Außenelektrode
in eine erste keramische Deckplatte integriert ist, die an die erste
Stirnseite des gewickelten Schichtsystems angefügt ist,
und dass die zweite Außenelektrode in eine zweite keramische
Deckplatte integriert ist, die an die zweite Stirnseite des gewickelten
Schichtsystems angefügt ist. Dadurch ist eine vorteilhafte
Kontaktierung des Aktors an den Stirnseiten möglich, wobei
die Stirnseiten des Aktors durch die keramischen Deckplatten passiviert
sind, wodurch eine einfache mechanische Anbindung an die umliegenden
Bauteile möglich ist, die keine elektrische Passivierung
mehr enthalten müssen. Dies ist insbesondere deswegen von
Vorteil, da umliegende Bauteile aus Metall gebildet sein können.
Bei der Herstellung können die keramischen Deckplatten
mit den integrierten Außenelektroden im Grünzustand
angebracht werden, so dass die Deckplatten dann in dem anschließenden
Sinterprozess mit dem gewickelten (gerollten) Schichtsystem zu einem
monolithischen Bauteil zusammensintern. In vorteilhafter Weise sind
die Deckplatten aus dem gleichen Material wie die keramische Schicht
des Schichtsystem oder aus einem anderen keramischen Material, das
mit dem gleichen Sinterprofil gesintert werden kann.
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Um
die elektrische Kontaktierung über die Stirnseiten des
gewickelten Schichtsystems zu erreichen, sind in die Deckplatten
die Außenelektroden integriert, was beispielsweise durch
einen Siebdruckprozess erfolgen kann. Dabei kontaktieren die Außenelektroden
jeweils die an diese heranreichenden Elektrodenschichten.
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In
vorteilhafter Weise sind die Deckplatten mit einem größeren
Durchmesser als das gewickelte Schichtsystem oder zumindest mit
einem teilweisen Überstand zu dem gewickelten Schichtsystem
ausgebildet. Dadurch kann in einfacher Weise eine elektrische Kontaktierung
der Außenelektroden erreicht werden, die in die Deckplatten
integriert sind und zumindest teilweise über eine Außenkontur
des gewickelten Schichtsystems herausstehen und somit freiliegen.
Es ist auch möglich, die Deckplatten mit einer zentralen Öffnung
auszuführen, wodurch ein Aktor mit Durchgangsbohrung ausgestaltet
werden kann. Ferner können die Deckplatten auch dreidimensional so
ausgestaltet sein, dass eine zentrische Erhebung in die dann vorhandene
zentrale Durchgangsöffnung des gewickelten Schichtsystems
hineinragt. Dadurch kann die Positionierung der Deckplatte relativ
zum Aktor verbessert werden.
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Alternativ
zur Aufbringung der Deckplatten im Grünzustand ist auch
eine spätere Aufbringung im gesinterten Zustand möglich.
Eine gute elektrische Verbindung mit den Elektrodenschichten ist
durch eine leitfähige Klemm-, Löt- oder Klebeverbindung möglich.
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Vorteilhaft
ist es, dass eine Dicke der ersten Deckplatte so groß vorgegeben
ist, dass keine wesentliche parasitäre Kapazität
zu einem metallischen Anbauteil ermöglicht ist, und dass
eine Dicke der zweiten Deckplatte so groß vorgegeben ist,
dass keine wesentliche parasitäre Kapazität zu
einem weiteren metallischen Anbauteil ermöglicht ist. Dadurch können
die keramischen Deckplatten eine Abschirmung für die elektromagnetische
Verträglichkeit gewährleisten. Die jeweilige Dicke
einer Deckplatte ist ausreichend groß, um eine parasitäre
Kapazität zwischen Elektroden und metallischen Anbauteilen
in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktor zu minimieren.
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Vorteilhaft
ist es, dass die streifenförmigen Elektrodenschichten zumindest
näherungsweise parallelogrammförmig ausgestaltet
sind. Die streifenförmig ausgestalteten Elektrodenschichten,
die strukturierte Elektroden bilden, sind unter einem gewissen Winkel
zur Wickelrichtung angeordnet. Dadurch ergibt sich nach dem Aufrollen
des Schichtsystems eine spiralförmige Anordnung der streifenförmigen Elektrodenschichten
im Aktor. Dies hat den Vorteil, dass der die Dehnung behindernde
passive Bereich (Streifen) zwischen zwei benachbarten Elektrodenschichten
unterschiedlicher Polarität nicht auf einer Stelle im Querschnitt
des Aktors konzentriert ist und somit die axiale Kontraktion nicht
behindert ist. Dadurch wird ein Verbiegen oder Verkippen des Aktors bei
einer Betätigung verhindert. Somit kann die Klemmung durch
die spiralförmige Ausprägung der passiven Bereiche
gleichmäßig über den Umfang verteilt werden,
wodurch eine homogenere Verformung und geringere mechanische Spannungen
erzielt sind.
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Dabei
ist es ferner vorteilhaft, dass eine Breite der Elektrodenschichten
in der Wickelrichtung zuzüglich eines jeweiligen passiven
Bereichs jeweils zumindest näherungsweise gleich einem
jeweiligen Wickelumfang ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die passiven
Bereiche, des um die Längsachse gewickelten Schichtsystems,
die zwischen den Elektrodenschichten ausgebildet sind, in radialer
Richtung zumindest näherungsweise übereinanderliegen.
Dadurch ist eine vorteilhafte Ansteuerung des keramischen Materials
möglich. Hierbei variiert in vorteilhafter Weise die Breite
der Elektrodenschichten und/oder eine Breite der passiven Bereiche
entsprechend dem Wickelumfang.
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Bei
der Herstellung des Schichtsystems wird die keramische Schicht vorzugsweise
nur auf einer Seite mit Elektrodenschichten versehen, so dass die Herstellung
weiter vereinfacht ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen
sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Schichtsystem zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktors entsprechend
einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 ein
Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer
auszugsweisen, axialen Schnittdarstellung entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3 den
in 2 mit III bezeichneten Ausschnitt eines Brennstoffeinspritzventils
mit einem piezoelektrischen Aktor in einer axialen Schnittdarstellung
entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
und
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4 das
in 1 gezeigte Schichtsystem zur Herstellung eines
piezoelektrischen Aktors entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
ein Schichtsystem 2 zur Herstellung eines piezoelektrischen
Aktors 1 (2) entsprechend einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen,
auszugsweisen Darstellung. Das Schichtsystem 2 weist eine
keramische Schicht 3 auf, die als Folie ausgestaltet sein
kann. Ferner weist das Schichtsystem 2 Elektrodenschichten 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F auf,
die auf einer Seite der keramischen Schicht 3 vorgesehen
sind. Dabei ist vorzugsweise nur eine Seite der keramischen Schicht 3 beschichtet.
Beispielsweise kann die keramische Schicht 3 einseitig mit
den Elektrodenschichten 4A bis 4F, 5A bis 5F bedruckt
sein.
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Zur
Herstellung des piezoelektrischen Aktors 1 wird das Schichtsystem 2 mit
der keramischen Schicht 3 und den Elektrodenschichten 4A bis 4F, 5A bis 5F in
einer Wickelrichtung 6 um eine Längsachse 16 aufgerollt
(aufgewickelt). Beim Aufwickeln des Schichtsystems 2 in
der Wickelrichtung 6 entsteht ein gewickeltes Schichtsystem 2,
das einen Grundkörper 2' (2) mit der
Längsachse 16 bildet. Das Schichtsystem 2 weist
eine erste Längsseite 7 und eine zweite Längsseite 8 auf.
Der Grundkörper 2', das heißt das gewickelte
Schichtsystem 2 weist eine erste Stirnseite 7',
die durch Aufwickeln aus der ersten Längsseite 7 des
Schichtsystems 2 entsteht, und eine zweite Stirnseite 8' auf,
die durch Aufwickeln aus der zweiten Längsseite 8 des
Schichtsystems 2 entsteht.
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Die
Elektrodenschichten 4A bis 4F, 5A bis 5F sind
in einen ersten Teil 4, der die Elektrodenschichten 4A bis 4F umfasst,
und einen zweiten Teil 5, der die Elektrodenschichten 5A bis 5F umfasst, aufgeteilt.
Dabei ist der Teil 4 mit den Elektrodenschichten 4A bis 4F bis
zu der ersten Längsseite 7 ausgebildet und von
der zweiten Längsseite 8 beabstandet. Ferner ist
der Teil 5 mit den Elektrodenschichten 5A bis 5F bis
zu der zweiten Längsseite 8 ausgebildet und von
der ersten Längsseite 7 beabstandet. Diese Ausgestaltung
kann durch strukturiertes Aufbringen eines metallischen Materials
auf die keramische Schicht 3 zur Herstellung des Schichtsystems 2 erzielt
werden.
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Das
Aufwickeln des Schichtsystems 2 um die Längsachse 16 erfolgt
vorzugsweise derart, dass benachbarte Elektrodenschichten 4A bis 4F, 5A bis 5F möglichst
weitgehend überlappen. Beispielsweise ist die Elektrodenschicht 4C weitgehend
in Überlappung mit der Elektrodenschicht 5C. Hierfür
sind die Elektrodenschichten 4A bis 4F, 5A bis 5F geeignet
ausgestaltet. Beim Aufwickeln des Schichtsystems 2 in der
Wickelrichtung 6 ergibt sich im Bereich der Elektrodenschicht 4C beispielsweise
ein Wickelumfang 9. Der Wickelumfang 9 nimmt dabei
in der Wickelrichtung 6 zu. Der Wickelumfang 9 ist
durch die radiale Position der Elektrodenschicht 4C in
dem gewickelten Schichtsystem 2 bestimmt. Eine Breite 10 der Elektrodenschicht 4C und
eine Breite 11 eines passiven Bereichs 12 zwischen
der Elektrodenschicht 4C und der folgenden Elektrodenschicht 5C sind
so vorgegeben, dass die Summe aus der Breite 10 und der Breite 12 zumindest
näherungsweise gleich dem Wickelumfang 9 an der
Elektrodenschicht 4C ist. Dadurch kann das keramische Material
der keramischen Schicht 3, das im aufgewickelten Zustand
zwischen den Elektrodenschichten 4C, 5C angeordnet ist,
weitgehend angesteuert werden. Zwischen den Elektrodenschichten 4A bis 4F, 5A bis 5F sind
weitere passive Bereiche vorgesehen, wobei in der 1 die
passiven Bereiche 12, 13 gekennzeichnet sind. Im
gewickelten Zustand des Schichtsystems 2 liegen die passiven
Bereiche, insbesondere die passiven Bereiche 12, 13,
die zwischen den Elektrodenschichten 4A bis 4F, 5A bis 5F ausgebildet
sind, in radialer Richtung 17 übereinander. Die
in 2 veranschaulichte radiale Richtung 17 ist
dabei senkrecht zu der Längsachse 16 orientiert.
Dabei sind die passiven Bereiche 12, 13 spiralförmig
ausgestaltet, wodurch eine umfängliche Konzentration passiven
keramischen Materials der keramischen Schicht 3 vermieden
wird. Hierdurch wird bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen
Aktors 1 eine gleichmäßige Dehnung oder
Verkürzung erzielt. Ferner können Spannungen in
dem keramischen Material der keramischen Schicht 3 verringert
werden.
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Die
Elektrodenschichten 4A bis 4F, 5A bis 5F des
Schichtsystems 2 für den piezoelektrischen Aktors 1 des
ersten Ausführungsbeispiels sind streifenförmig
und parallelogrammförmig ausgestaltet. Dabei verlaufen
die Elektrodenschichten 4A bis 4F, 5A bis 5F schräg
zu der Wickelrichtung 6. Beispielsweise verläuft
die Elektrodenschicht 4B in einer Richtung 14,
wobei zwischen der Richtung 14 für die Elektrodenschicht 4B und
der Wickelrichtung 6 ein Winkel 15 besteht, der
nicht 90° ist. Der Winkel 15 kann beispielsweise
etwa 45° betragen.
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2 zeigt
ein Brennstoffeinspritzventil 20 mit einem piezoelektrischen
Aktor 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung
entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der piezoelektrische
Aktor 1 an den Grundkörper 2' angefügte
Deckplatten 21, 22. Die erste Deckplatte 21 ist dabei
an die erste Stirnseite 7' des Grundkörpers 2' angefügt.
Außerdem ist die zweite Deckplatte 22 an die zweite
Stirnseite 8' des Grundkörpers 2' angefügt.
Beispielsweise durch gemeinsames Sintern ist eine feste Verbindung
zwischen dem Grundkörper 2' und den Deckplatten 21, 22 gegeben.
Die Deckplatten 21, 22 sind aus einem keramischen
Material gebildet, insbesondere aus dem Material, das auch für die
keramische Schicht 3 zum Einsatz kommt. In die erste Deckplatte 21 ist
eine erste Außenelektrode 23 integriert. Ferner
ist in die zweite Deckplatte 22 eine zweite Außenelektrode 24 integriert.
Die Außenelektroden 23, 24 können
auch aufgedruckt sein. Die Deckplatten 21, 22 weisen
einen größeren Durchmesser als der Grundkörper 2' auf, so
dass die Außenelektroden 23, 24 über
eine Außenkontur 25 des Grundkörpers 2',
das heißt des gewickelten Schichtsystems 2, überstehen.
Hierdurch ist eine einfache Kontaktierung der Außenelektroden 23, 24 möglich, beispielsweise
an über die Außenkontur 25 des Grundkörpers 2' überstehenden
und somit freiliegenden ringförmigen Teilflächen 26, 27.
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Die
erste Deckplatte 21 weist eine Dicke 28 auf, die
so groß vorgegeben ist, dass keine wesentliche parasitäre
Kapazität zu einem metallischen Anbauteil 29 des
Brennstoffeinspritzventils 20 ermöglicht ist.
Ferner ist eine Dicke 30 der Deckplatte 22 so groß vorgegeben,
dass keine wesentliche parasitäre Kapazität zu
einem weiteren metallischen Anbauteil 31 des Brennstoffeinspritzventils 20 ermöglicht
ist. Im montierten Zustand, in dem der piezoelektrische Aktor 1 zwischen
den Anbauteilen 29, 31 des Brennstoffeinspritzventils 20 angeordnet
ist, bestehen somit keine beziehungsweise nur eine geringe parasitäre Kapazitäten
in Bezug auf die Anbauteile 29, 31, wodurch eine
gute elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet
ist.
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Sind
die Anbauteile 29, 31 federnd gegen den Aktor 1 gedrückt,
dann ist ein stoffschlüssiger Verbund mit den Deckplatten 21, 22 nicht
erforderlich.
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Der
piezoelektrische Aktor 1 dient zum Betätigen einer
Düsennadel 35, die einen Ventilschließkörper 36 aufweist.
Die Düsennadel 35 ist in einem Düsenkörper 37 angeordnet,
an dem eine Ventilsitzfläche 38 ausgebildet ist.
Der Ventilschließkörper 36 wirkt mit
der Ventilsitzfläche 38 zu einem Dichtsitz zusammen.
Bei einer Betätigung der Düsennadel 35 mittels
des Aktors 1 hebt sich der Ventilschließkörper 36 von
der Ventilsitzfläche 38 ab, so dass Brennstoff aus
einem Brennstoffraum 39 über den geöffneten Dichtsitz
und ein Düsenloch 40 in dem Düsenkörper 37 abgespritzt
wird.
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3 zeigt
den in 2 mit III bezeichneten Ausschnitt eines
Brennstoffeinspritzventils 20 mit einem piezoelektrischen
Aktor 1 entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel
in einer axialen Schnittdarstellung. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das Schichtsystem 2 so zu dem Grundkörper 2' gewickelt,
dass eine zentrale Durchgangsöffnung 45 in Form
einer Durchgangsbohrung gebildet ist. Ferner weist die Deckplatte 21 eine
zentrische Erhebung 46 auf, die stiftförmig ausgestaltet
ist. Die zentrische Erhebung 46 kann auch bauchförmig
ausgestaltet sein. Die zentrische Erhebung 46 der Deckplatte 21 ist
an der ersten Stirnseite 7' des Grundkörpers 2' in
die Durchgangsöffnung 45 eingefügt. Somit
ragt die zentrische Erhebung 46 der Deckplatte 21 in
den Grundkörper 2' hinein. Dadurch kann eine verbesserte
Positionierung der Deckplatte 21 relativ zu dem Grundkörper 2' gewährleistet
werden. Außerdem kann eine hohe Festigkeit der Verbindung
zwischen der Deckplatte 21 und dem aus dem gewickelten
Schichtsystem 2 gebildeten Grundkörper 2' gewährleistet
werden. Dies ist auch bei einer Ausgestaltung von Vorteil, bei der
die Deckplatte 21 im gesinterten Zustand an den bereits
gesinterten Grundkörper 2' angefügt wird.
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4 zeigt
das in 1 dargestellte Schichtsystem zur Herstellung eines
piezoelektrischen Aktors entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel.
In diesem Ausführungsbeispiel sind im Bereich der Längsseiten 7, 8 Sammelelektroden 50, 51 vorgesehen.
Dabei sind die Elektrodenschichten 4B bis 4E mit
der Sammelelektrode 50 an der Längsseite 7 verbunden.
Die Elektrodenschichten 5A bis 5E sind mit der
Sammelelektrode 51 an der Längsseite 8 verbunden.
Im gewickelten Zustand wird die Sammelelektrode 51 mit
einem Minuspol eines Steuergeräts verbunden, während
die Sammelelektrode 50 mit einem Pluspol verbunden wird,
wie es in der 4 veranschaulicht ist. Dadurch
ist eine Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 1 möglich.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006017295
A1 [0002, 0003]