DE102010030652A1

DE102010030652A1 - Robustheitssteigerung eines PZT-Aktors

Info

Publication number: DE102010030652A1
Application number: DE102010030652A
Authority: DE
Inventors: Peter Cromme; Daniel Hammer
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

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, aufweisend übereinander gestapelte aktive Piezoelemente 1, bestehend aus mit Innenelektroden eingefassten Piezokeramiken, und aufweisend an einem Kopf und einem Fuß des Piezoaktors verbaute passive Piezoelemente 2, bestehend aus uneingefassten Piezokeramiken. Erfindungsgemäß soll die Dauerhaltbarkeit und Robustheit eines solchen Piezoaktors gesteigert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen den aktiven Piezoelementen 1 und den passiven Piezoelementen 2 jeweils zumindest ein Piezoelement 3 mit einer diskontinuierlichen Materialeigenschaft und/oder Gefügeeigenschaft angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, aufweisend übereinander gestapelte aktive Piezoelemente, bestehend aus mit Innenelektroden eingefassten Piezokeramiken, und aufweisend an einem Kopf und einem Fuß des Piezoaktors verbaute passive Piezoelemente, bestehend aus uneingefassten Piezokeramiken.
Derartige Piezoaktoren sind allgemein bekannt und werden beispielsweise in Kraftstoffinjektoren für Common-Rail-Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen verbaut. Die aktiven Piezoelemente des Piezoaktors tragen unter Beaufschlagung durch ein elektrisches Feld zu einer Bauteildehnung bei. Die passiven Bereiche am Kopf und Fuß hingegen sind frei von einem elektrischen Feld und tragen zu keiner Dehnung bei. Die Übergänge vom aktiven zum passiven Bereich bilden eine potenzielle Schwachstelle solcher sogenannten Multilayer-Piezoaktoren, da hier große Gradienten des elektrischen Feldes und damit hohe Dehnungsgradienten vorhanden sind. Die daraus resultierenden mechanischen Spannungen können an den Übergängen vom aktiven zum passiven Fuß-/Kopf-Bereich zu einer Rissbildung in dem Piezoaktor führen. Dies kann sich bei einer Z-Struktur durch einen Riss in der Längsachse des Piezoaktors äußern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Piezoaktor bereitzustellen, der mit höherer Dauerhaltbarkeit und Robustheit gefertigt ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwischen den aktiven Piezoelementen und den passiven Piezoelementen jeweils zumindest ein Piezoelement mit einer diskontinuierlichen Materialeigenschaft und/oder Gefügeeigenschaft angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung wird der Ausschuss an Pizoaktoren mit dem Fehlerbild von Z-Struktur-Rissen an den Übergängen von den aktiven zu den passiven Piezokeramiken wirkungsvoll reduziert, da die Piezoelemente mit einer diskontinuierlichen Materialeigenschaft und/oder Gefügeeigenschaft einen Ausgleich zwischen den Piezoelementen mit und ohne Dehnung herstellen.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist das Piezoelement mit diskontinuierlicher Materialeigenschaft und/oder Gefügeeigenschaft eine hohe Porosität auf. Diese porösen Schichten reduzieren die Spannungen zwischen den aktiven Piezoelementen und den passiven Piezoelementen am Kopf und Fuß des Piezoaktors. Die aktiven Piezoelemente ziehen sich unter Feldeinfluss zusammen, eine porösere Schicht gibt dieser Bewegung im Gegensatz zu einem maximal dichten Gefüge, das durch die passiven Piezoelemente dargestellt ist, nach und steigert somit die Robustheit. Des weiteren wird so auch die Bildung einer Z-Struktur unterbunden und die Dauerhaltbarkeit gesteigert. Dargestellt werden kann ein Piezoelement mit hoher Porosität durch eine Grünfolie, die im Gegensatz zu einer Grünfolie, aus der ein aktives Piezoelement hergestellt ist, einen wesentlich höheren Binderanteil beinhaltet. Hieraus folgt im Rahmen der Prozessierung, dass diese Bereiche nach dem Entbindern und Sintern eine hohe Porosität aufweisen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der Figur dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Figur zeigt in einer einen Piezoaktor teilweise darstellenden schematischen Seitenansicht aktive Piezoelemente, die unter Einfügung von Piezoelementen mit diskontinuierlichen Materialeigenschaften mit einem passiven Piezoelement verbaut sind.
Ausführungsform der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Piezoaktor ist aus einer Vielzahl von aktiven Piezoelementen 1, die aus mit Innenelektroden eingefassten oder beschichteten Piezokeramiken bestehen, aufgebaut. Die Innenelktroden sind abwechselnd zu gegenüberliegenden Seitenwänden der Piezokeramiken ausgerichtet. Diese aktiven Piezoelemente 1 werden seitlich mit Außenelektroden versehen, die mit den Innenelektroden elektrisch verschaltet werden. Wird an die Außenelektroden eine elektrische Spannung angelegt, wird diese über die Innenelektroden in die aktiven Piezoelemente eingeleitet, die sich dadurch ausdehnen. Diese Ausdehnung wird zur Umsetzung gewünschter Effekte eingesetzt.
Die aktiven Piezoelemente 1 weisen einen (nicht dargestellten) Kopfteil und einen Fußteil auf, der aus einem passiven Piezoelement 2 besteht. Das passive Piezoelement 2 ist vorzugsweise identisch aufgebaut wie das aktive Piezoelement 1, weist aber keine Innenelektrode auf. Dadurch führt dieses Piezoelement 2 bei einer Spannungsanlegung keine Dehnung aus. Um die Spannungen zwischen den aktiven und passiven Piezoelementen 1, 2 zu reduzieren bzw. abzubauen, sind in dem Ausführungsbeispiel zwei Piezoelemente 3 mit jeweils diskontinuierlicher Materialeigenschaft und/oder Gefügeeigenschaft zwischengeschaltet. Diese Piezoelemente 3 weisen eine hohe Porosität auf und reduzieren somit die Spannungen zwischen den Piezoelementen 1 und 2. Anstelle der zwei Piezoelemente 3 mit diskontinuierlichen Materialeigenschaften und/oder Gefügeeigenschaften können auch ein, drei oder mehr solcher Piezoelemente 3 verbaut werden.

Claims

Piezoaktor, aufweisend übereinander gestapelte aktive Piezoelemente (1), bestehend aus mit Innenelektroden eingefassten Piezokeramiken, und aufweisend an einem Kopf und Fuß des Piezoaktors verbaute passive Piezoelemente (2), bestehend aus uneingefassten Piezokeramiken, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den aktiven Piezoelementen und den passiven Piezoelementen jeweils zumindest ein Piezoelement (3) mit einer diskontinuierlichen Materialeigenschaft und/oder Gefügeeigenschaft angeordnet ist.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (3) mit diskontinuierlicher Materialeigenschaft und/oder Gefügeeigenschaft eine hohe Porosität aufweist.