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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor nach den gattungsgemäßen
Merkmalen des Anspruchs 1 und nachdem Verfahrensanspruch 2.
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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.
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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.
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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 im
und einer Ag-Pd-Innenelektrodendicke von 2–3 im.
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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.
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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.
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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.
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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 Dehnungen 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.
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Es
ist hierbei üblich, dass während der Herstellung
der Piezoaktoren die Domänen des Materials der Piezolagen
durch sogenanntes Heißpolen ausgerichtet bzw. vorausgerichtet
werden. Hierbei wird der Piezoaktor oberhalb der Curie-Temperatur einem
elektrischen Feld ausgesetzt und unter Einwirkung des Feldes auf
Temperaturen kleiner als die Curie-Temperatur gekühlt.
Häufig findet dabei die Endausrichtung der Domänen
erst kurz vor oder bei der elektrischen Endprüfung statt.
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Bei
einem Einsatz von Piezoaktoren unter hohem Druck, beispielsweise
bei den zuvor beschriebenen direktgesteuerten Piezoinjektoren bei
der Dieseleinspritzung in Kraftfahrzeugen, kann es im Betrieb jedoch
durch den anliegenden Druck zu dauerhaften Domänenverschiebungen
bzw. Domänen-Klappprozessen kommen, wodurch der Piezoaktor
oder das Piezoaktormodul in seiner Wirkungsfähigkeit reduziert
wird und eventuell ungenügende Einspritzmengen dem Verbrennungsmotor
zur Verfügung gestellt wird und daraus ein Leistungsverlust des
Verbrennungsmotors folgt.
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Im
Betrieb des Piezoaktors können äußere Einflüsse,
beispielsweise hoher Umgebungsdruck, eine Veränderung des
Domänen Zustandes bewirken. Insbesondere können
die sogenannten 90°-Domänen, die einen großen
Beitrag zum Hub leisten, durch den entlang der Piezoaktorachse anliegenden Hochdruck
ausweichen und sich in sogenannte 180°-Domänen
wandeln. Diese haben kaum noch einen Beitrag zum Hub, in Folge sinkt
bei gleicher anliegender Spannung der Hub. Bei Piezoaktoren mit radialer
Krafteinwirkung während des Injektorbetriebes kann dieser
Hubverlust bis zu 20% oder mehr betragen.
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Offenbarung der Erfindung
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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,
als auch von einem Piezoaktor aus, der aus mindestens einer Piezolage
gebildet ist, die aus einer Massivkeramik hergestellt ist.
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Erfindungsgemäß weist
der Piezoaktor in vorteilhafter Weise Piezolagen mit durch äußeren Druck
während einer Polarisierung vorausgerichteten Domänen
auf. Die Polari sierung wird dabei während eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens durch Beaufschlagung der Piezolagen mit einem elektrischen
Feld von zum Beispiel 300 V/mm bei hohen Temperaturen oberhalb der
Curie-Temperatur durchgeführt und durch Abkühlen
unter weiterer Beaufschlagung durch das elektrische Feld wird die Ausrichtung
der Domänen eingefroren.
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Kern
der Erfindung ist somit ein entsprechendes Herstellungsverfahren,
dass die Durchführung der Polungsprozesse, d. h. aller
Prozesse, die zu einer Domänenausrichtunq führen,
unter mechanischem Druck bewirkt. Während des sogenannten Heißpolens
eines Piezoaktors richten sich die Domänen in an sich bekannter
Weise oberhalb der Curie-Temperatur im elektrischen Feld aus. Durch
das Abkühlen unter Einfluss des elektrischen Feldes wird dann
diese Ausrichtung eingefroren. Da, wie eingangs beschrieben, im
Betrieb des Piezoaktors äußere Einflüsse,
beispielsweise hoher Umgebungsdruck, eine Veränderung des
Domänen Zustandes bewirken können, sieht die Erfindung
vor, den Einfluss des Druckes vorwegzunehmen und das Polen unter
Druckeinfluss durchzuführen. Dadurch wird ein Zustand eingefroren,
der das Ausweichen der Domänen durch Druck bereits vorwegnimmt.
Wird nun im Betrieb wieder ein Druck von außen angelegt,
finden keine nennenswerten Veränderungen der Domänengrundkonfiguration
mehr statt und der Hub bleibt weitestgehend stabil.
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Ein
solcher der Piezoaktor kann, wie eingangs beschrieben, Bestandteil
eines Piezoinjektors zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei
einem Verbrennungsmotor sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Piezoaktors zur Verwendung in einem
Piezoinjektor in einem Längsschnitt,
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2 eine
schematische Darstellung der Ausrichtung der Domänen der
Piezolagen vor einer Polarisierung und
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3 eine
schematische Darstellungen der Ausrichtung der Domänen
der Piezolagen nach einer Polarisierung.
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Ausführungsform der
Erfindung
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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.
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In 2 ist
gezeigt, wie eine statistische Domänenausrichtung 10 der
Piezolagen 3 nach dem Sinterprozess bei der Herstellung
des Piezoaktors 1 vor einer Polarisierung aussehen könnte.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem
der Einfluss eines Druckes vorweggenommen wird und das Polarisieren
mit einem elektrischen Feld unter Druckeinfluss durchgeführt
wird, wird ein Zustand 11 gemäß 3 nach
dem Polarisieren eingefroren, der das Ausweichen der Domänen
durch Druck bereits vorwegnimmt.
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Die
Polarisierung wird dabei, wie zuvor erwähnt, während
des entsprechenden Herstellungsverfahrens durch Beaufschlagung der
Piezolagen 3 mit einem elektrischen Feld von beispielsweise
300 V/mm in Richtung des Pfeiles 12 bei hohen Temperaturen
oberhalb der Curie-Temperatur durchgeführt und durch Abkühlen
unter weiterer Beaufschlagung durch das elektrische Feld wird die
Ausrichtung der Domänen eingefroren.
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Die
Durchführung der Polungsprozesse, d. h. aller Prozesse,
die zu einer Domänenausrichtunq führen, erfolgt
somit unter mechanischem Druck und während des sogenannten
Heißpolens des Piezoaktors 1 richten sich die
Domänen in an sich bekannter Weise oberhalb der Curie-Temperatur
im elektrischen Feld aus. Durch das Abkühlen unter Einfluss des
elektrischen Feldes wird dann diese Ausrichtung eingefroren. Da,
wie eingangs beschrieben, im Betrieb des Piezoaktors äußere
Einflüsse, beispielsweise hoher Umgebungsdruck, eine Veränderung
des Domänenzustandes bewirken können, wird somit
der Einfluss des Druckes vorweggenommen und das Polen wird unter
Druckeinfluss durchgeführt. Dadurch wird ein Zustand eingefroren,
der das Ausweichen der Domänen durch Druck bereits vorwegnimmt. Wird
nun im Betrieb wieder ein Druck von außen angelegt, finden
keine nennenswerten Veränderungen der Domänengrundkonfiguration
mehr statt und der Hub bleibt weitestgehend stabil.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1174615
A2 [0006]
- - WO 01/48834 A2 [0007]
- - DE 19928179 A1 [0008]