DE102010030643A1

DE102010030643A1 - Method for manufacturing piezoelectric actuator for piezo injector of fuel injection system for self-ignition engine operated with diesel, involves arranging inner electrodes between contacts of tensile region

Info

Publication number: DE102010030643A1
Application number: DE102010030643A
Authority: DE
Inventors: Robert Koellein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2011-12-29

Abstract

The method involves arranging inner electrodes (3) between multilayer structures of piezoelectric layers (1). A mutual contact is provided between the inner electrodes through outer electrodes (2), where electric voltage is applied through the outer electrodes. A net or fabric-like layer is applied on a side surface of the outer electrodes. The inner electrodes are arranging between contacts of a tensile region of the outer electrodes, where a piezoelectric actuator is lengthened before and/or during contacting.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden, einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innenelektroden über Außenelektroden, über die eine elektrische Spannung, zuführbar ist, wobei die Außenelektroden netz- oder gewebeartig auf jeweils eine Seitenfläche aufgebracht sind und zumindest punktweise mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind und zwischen den Kontaktierungen ein dehnbarer Bereich der Außenelektroden liegt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung eines derartig hergestellten Piezoaktors.The invention relates to a method for producing a piezoelectric actuator, with a multi-layer structure of piezoelectric layers and interposed internal electrodes, a mutual lateral contacting of the internal electrodes via external electrodes, via which an electrical voltage, can be supplied, wherein the external electrodes net or fabric applied to each side surface are and at least pointwise contacted with the respective internal electrodes and between the contacts is a stretchable region of the external electrodes. Furthermore, the invention relates to a use of a piezoelectric actuator produced in this way.

Stand der TechnikState of the art

Derartige Herstellungsverfahren für Piezoaktoren und solcherart hergestellte Piezoaktoren sind allgemein bekannt. Ein Piezoaktor wandelt eine angelegte Spannung mittels des piezoelektrischen Effekts in eine Längenänderung bzw. eine mechanische Kraft um. Ein Piezoaktor kann beispielsweise in Kraftstoffeinspritzsystemen für Brennkraftmaschinen verwendet werden, wobei aber auch andere Einsatzmöglichkeiten gegeben sind. Die Herstellungskette zur Fertigung eines solchen Piezoaktors sieht vor, dass zunächst die einzelnen Piezolagen aus Folien mit den Innenelektroden bedruckt werden. Danach werden die Piezolagen gestapelt, die so entstandenen Blöcke in einzelne Stacks getrennt, die Stacks entbindert, gesintert und auf Maß geschliffen. Anschließend wird die Grundmetallisierung aufgebracht und eingebrannt. Schließlich wird der Stack heißpolarisiert. Daraufhin werden die netz- oder gewebeartigen Außenelektroden seitlich an die Stacks angebracht und mit den abwechselnd zu einer Seitenfläche ausgerichteten Innenelektroden durch beispielsweise Verlöten kontaktiert. Abschließend wird der Stack mit den angelöteten Außenelektroden mit einem Elektroisolierlack lackiert. Damit ist der Piezoaktor fertig und es kann eine elektrische Endprüfung erfolgen, nach deren Durchführung der so hergestellte Piezoaktor verbaut werden kann.Such manufacturing methods for piezo actuators and piezo actuators produced in this way are generally known. A piezoelectric actuator converts an applied voltage into a change in length or a mechanical force by means of the piezoelectric effect. A piezoelectric actuator can be used, for example, in fuel injection systems for internal combustion engines, but other uses are also possible. The production chain for the production of such a piezoelectric actuator provides that first the individual piezo layers are printed from films with the internal electrodes. The piezolayers are then stacked, the resulting blocks are separated into individual stacks, the stacks are debinded, sintered and ground to size. Subsequently, the base metallization is applied and baked. Finally, the stack is hot-polarized. Then, the mesh or fabric-like outer electrodes are attached laterally to the stacks and contacted with the alternately aligned to a side surface inner electrodes by, for example, soldering. Finally, the stack with the soldered outer electrodes is painted with an electrical insulating varnish. Thus, the piezoelectric actuator is ready and it can be done an electrical final test, after the implementation of the piezoelectric actuator thus produced can be installed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanische Spannung in den Außenelektroden beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Piezoaktors zu reduzieren.The invention has for its object to reduce the mechanical stress in the outer electrodes during normal operation of the piezoelectric actuator.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Piezoaktor vor und/oder während des Kontaktierens gelängt wird. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer herkömmlich kontaktierten Außenelektrode diese auf den Piezoaktor im remanent gedehnten, jedoch mechanisch entspannten Zustand aufgelötet wird. Jede Längenänderung des Piezoaktors führt fortan zu einer Längenänderung der Außenelektrode, im Umkehrschluss baut die Außenelektrode als mechanischer Widerstand eine Kraft auf, die der Dehnungsrichtung des Piezoaktors entgegengesetzt gerichtet ist. Wird nun die Außenelektrode im gelängten Zustand des Piezoaktors aufgebracht bzw. kontaktiert, werden die maximalen mechanischen Spannungen in den Außenelektroden deutlich reduziert. Gleichzeitig ist eine Hubsteigerung des Piezoaktors infolge der herabgesetzten Klemmung der kontaktierten Außenelektrode gegeben. Für die Längung des Piezoaktors wird wie für das Arbeitsvermögen der indirekte piezoelektrische Effekt ausgenutzt, denn bereits nach dem Prozessschritt des Heißpolarisierens führt das Anlegen einer elektrischen Spannung in Polarisationsrichtung an den Piezoaktor zu einer Längung desselben.This object is achieved in that the piezoelectric actuator is lengthened before and / or during contacting. This refinement is based on the finding that, in the case of a conventionally contacted external electrode, it is soldered onto the piezoelectric actuator in a remanently stretched but mechanically relaxed state. Each change in length of the piezoelectric actuator leads to a change in length of the outer electrode, conversely, the outer electrode builds up a force as a mechanical resistance, which is directed opposite to the expansion direction of the piezoelectric actuator. Now, if the outer electrode is applied or contacted in the extended state of the piezoelectric actuator, the maximum mechanical stresses in the outer electrodes are significantly reduced. At the same time an increase in the stroke of the piezoelectric actuator due to the reduced clamping of the contacted outer electrode is given. For the elongation of the piezoelectric actuator as well as for the working capacity of the indirect piezoelectric effect is exploited, because even after the process step of Heißpolarisierens the application of an electrical voltage in the polarization direction to the piezoelectric actuator leads to an elongation of the same.

In Weiterbildung der Erfindung wird der Piezoaktor durch Anlegen einer elektrischen Spannung um 20% bis 50% der maximalen Längenzunahme während des Kontaktierens der Außenelektroden gelängt. Durch diese Ausgestaltung können die maximalen mechanischen Spannungen in den Außenelektroden bis auf die Hälfte reduziert werden.In a further development of the invention, the piezoelectric actuator is elongated by applying an electrical voltage by 20% to 50% of the maximum increase in length during the contacting of the outer electrodes. With this configuration, the maximum mechanical stresses in the outer electrodes can be reduced to half.

Ein anderes Verfahren sieht vor, dass der Piezoaktor mittels einer vor dem Kontaktieren angelegten Spannung aufgeladen und um 20% bis 50% der maximalen Längenzunahme gelängt wird und während des Kontaktierens die Spannungsquelle deaktiviert wird. Dabei verbleibt die Ladung auf dem Piezoaktor und somit bleibt auch die Längung erhalten. Sind die Außenelektroden der Piezoaktoren im Werkstückträger voneinander isoliert, entladen sich die Piezoaktoren nur langsam über den hohen Isolationswiderstand. Die Längung bleibt im Ergebnis somit für den Prozess des Kontaktierens auch ohne dauerhaftes Anlegen des Spannungsfeldes erhalten.Another method provides that the piezoelectric actuator is charged by means of a voltage applied before contacting voltage and lengthened by 20% to 50% of the maximum increase in length and during the contacting the voltage source is deactivated. In this case, the charge remains on the piezoelectric actuator and thus the elongation is retained. If the outer electrodes of the piezoelectric actuators in the workpiece carrier are insulated from one another, the piezoactuators only slowly discharge via the high insulation resistance. The elongation is thus retained as a result for the process of contacting even without permanent application of the field of stress.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Piezoaktor für das Aufbringen eines Elektroisolierlacks gelängt. Durch diesen Verfahrensschritt wird auch die Grenzbelastung des Isolierlacks um bis zu 50% herabgesetzt. Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren die Qualität des Piezoaktors deutlich erhöht.In a further embodiment of the invention, the piezoelectric actuator is elongated for the application of an electrical insulating. Through this process step, the limit load of the insulating varnish is reduced by up to 50%. Overall, the quality of the piezoelectric actuator is significantly increased by the manufacturing method according to the invention.

Der so hergestellte Piezoaktor wird bevorzugt für einen Piezoinjektor eines Kraftstoffeinspritzsystems einer mit Dieselkraftstoff betriebenen selbstzündenden Brennkraftmaschine verwendet.The piezoelectric actuator produced in this way is preferably used for a piezo injector of a fuel injection system of a diesel-fueled self-igniting internal combustion engine.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the invention are described in the drawings, in which an illustrated in the figures embodiment of the invention is described in detail.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Es zeigen:Show it:

1 eine Seitenansicht eines Piezoaktors, bei dem eine Außenelektrode mit Längung des Piezoaktors kontaktiert wird, 1 a side view of a piezoelectric actuator, in which an outer electrode is contacted with elongation of the piezoelectric actuator,

2 eine Seitenansicht eines Piezoaktors, bei dem eine Außenelektrode ohne Längung des Piezoaktors kontaktiert wird, 2 a side view of a piezoelectric actuator, in which an outer electrode is contacted without elongation of the piezoelectric actuator,

3 einen Piezoaktor mit einer Maximaldehnung, bei dem eine Außenelektrode mit einer Längung des Piezoaktors kontaktiert wurde, und 3 a piezoelectric actuator with a maximum strain, in which an outer electrode has been contacted with an elongation of the piezoelectric actuator, and

4 eine Seitenansicht eines Piezoaktors mit Maximaldehnung, bei dem eine Außenelektrode ohne Längung des Piezoaktors kontaktiert wurde. 4 a side view of a piezoelectric actuator with maximum expansion, in which an outer electrode was contacted without elongation of the piezoelectric actuator.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Der in 1 dargestellte Piezoaktor, der beispielsweise bei Piezoinjektoren für Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen verwendet wird, weist eine Anzahl von Piezolagen 1 auf, wobei zwischen den Piezolagen 1 Innenelektroden 3 angeordnet sind, die beispielsweise auf die Folien während des Herstellens der Piezolagen aufgedruckt und eingebrannt worden sind. Um den Innenelektroden 3, die abwechselnd zu gegenüberliegenden Seitenflächen der Piezolagen 1 ausgerichtet sind, eine elektrische Spannung zuführen zu können, müssen diese mit Außenelektroden 2 kontaktiert werden. Die Außenelektroden sind netz- oder gewebeartig ausgebildet, um die bei einer Anlage einer elektrischen Spannung an die einzelnen Piezolagen des Piezoaktors hervorgerufene Längenänderung des Piezoaktors kompensieren zu können. Die Außenelektroden 2, von denen jeweils eine an den gegenüberliegenden Seitenflächen des Piezoaktors angebracht werden, weisen weiterhin nicht dargestellte Anschlussdrähte auf, die beispielsweise durch einen Piezoaktorfuß aus dem Piezoaktor herausgeführt sind.The in 1 shown piezoelectric actuator, which is used for example in piezo injectors for injection systems of internal combustion engines, has a number of piezo layers 1 on, being between the piezo layers 1 internal electrodes 3 are arranged, for example, have been printed and baked on the films during the manufacture of the piezoelectric layers. To the internal electrodes 3 , which alternately to opposite side surfaces of the piezo layers 1 are aligned to be able to supply an electrical voltage, they must with external electrodes 2 be contacted. The outer electrodes are formed net or fabric-like, in order to compensate for the caused in a system of an electrical voltage to the individual piezoelectric layers of the piezoelectric actuator length change of the piezoelectric actuator. The outer electrodes 2 , one of which is in each case attached to the opposite side surfaces of the piezoelectric actuator, further comprise connecting wires, not shown, which are led out of the piezoelectric actuator, for example by a piezoelectric actuator.

Im Vergleich zu der 2 ist erkennbar, dass der Piezoaktor gemäß 1 teilgelängt ist und auf diesen so gelängten Piezoaktor die Außenelektrode 2 aufgelegt und mit den Innenelektroden 3 der Piezolagen 1 verlötet wird. Die Außenelektrode 2 der 1 ist gleich lang wie die mit den Innenelektroden 3 der Piezolagen 1 der 2 verlötete Außenelektrode 2.Compared to the 2 can be seen that the piezoelectric actuator according to 1 teilgelängt is and on this so long piezoelectric actuator, the outer electrode 2 applied and with the internal electrodes 3 the piezo layers 1 is soldered. The outer electrode 2 of the 1 is the same length as the one with the inner electrodes 3 the piezo layers 1 of the 2 soldered outer electrode 2 ,

Die 3 und 4 zeigen den jeweils den 1 und 2 entsprechenden Piezoaktor in der maximal gelängten Position. Erkennbar ist, dass der Piezoaktor der 3, der dem Piezoaktor der 1 entspricht, bei gleicher Maximallängung eine deutlich weniger gelängte Außenelektrode 2 als der Piezoaktor der 4, der dem Piezoaktor der 2 entspricht, aufweist. Für einen nach dem Anlöten der Außenelektroden auf die Piezoaktoren aufgebrachten Elektroisolierlack gilt für die gleiche Aussage. Auch dieser wird deutlich weniger gelängt und ist daher weniger belastet.The 3 and 4 show each one the 1 and 2 corresponding piezoelectric actuator in the maximum elongated position. It can be seen that the piezo actuator of the 3 , the piezoelectric actuator of the 1 corresponds, with the same maximum elongation a much less elongated outer electrode 2 as the piezo actuator of the 4 , the piezoelectric actuator of the 2 corresponds, has. For an applied after soldering the outer electrodes on the piezo actuators Elektroisolierlack applies to the same statement. This too is significantly less elongated and therefore less burdened.

Claims

Method for producing a piezoelectric actuator, having a multilayer structure of piezoelectric layers ( 1 ) and interposed internal electrodes ( 3 ), a mutual contacting of the internal electrodes ( 3 ) via external electrodes ( 2 ), via which an electrical voltage can be supplied, wherein the outer electrodes ( 2 ) are applied to one side surface in a net or tissue-like manner and at least pointwise with the respective internal electrodes ( 3 ) are contacted and between the contacts an expandable area of the outer electrodes ( 2 ), characterized in that the piezoelectric actuator is elongated before and / or during contacting.

A method according to claim 1, characterized in that the piezoelectric actuator is elongated by applying an electrical voltage by 20% to 50% of the maximum increase in length during the contacting.

A method according to claim 1, characterized in that the piezoelectric actuator is charged by means of a pre-contact voltage applied and elongated by 20% to 50% and during the contacting voltage is removed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a Elektroisolierlack is applied to the elongated piezoelectric actuator.

Piezoelectric actuator for a fuel injector of an internal combustion engine, characterized in that it is produced by a method of claims 1 to 4.