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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauelement, insbesondere einen Piezoaktor, und ein Brennstoffeinspritzventil mit einem Piezoaktor. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Brennstoffeinspritzventile von Brennstoffeinspritzanlagen für Brennkraftmaschinen.
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Aus der
DE 103 27 902 A1 ist ein piezokeramischer Vielschichtaktor bekannt. Hierbei wird besonders die Außenelektrode des piezokeramischen Vielschichtaktors betrachtet. Hierbei ist es bekannt, dass bei den Außenelektroden an piezokeramischen Vielschichtaktoren während des Betriebs starke Zugspannungen auf den Isolierbereich unter einer Grundmetallisierung wirken. Bekannt ist auch, dass der Anschluss einer leitenden Verbindung an die Außenelektrode, über welche die elektrische Spannung zugeführt wird, zu Problemen führt.
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Die aus der
DE 103 27 902 A1 bekannte Ausgestaltung der Außenelektrode des piezokeramischen Vielschichtaktors hat den Nachteil, dass diese aufwändig ist und somit mit hohen Herstellungskosten verbunden ist. Speziell soll der leitende Werkstoff der Schicht, die auf den Aktorwerkstoff gelötet ist, einen dem keramischen Werkstoff des Aktors angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Diese Materialeinschränkung steigert die Materialkosten jedoch weiter.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße piezoelektrische Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 haben den Vorteil, dass die Herstellbarkeit und die Funktionsfähigkeit verbessert sind. Speziell kann bei geringen Herstellungskosten eine zuverlässige Betriebsweise über die Lebensdauer erzielt werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen piezoelektrischen Bauelements und des im Anspruch 10 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Das piezoelektrische Bauelement kann als Wandler ausgestaltet sein, der eine angelegte Spannung über den piezoelektrischen Effekt in eine Längenänderung beziehungsweise eine mechanische Kraft umwandelt. Eine bevorzugte Anwendung dieses Wandlers betrifft einen Piezoaktor für Brennstoffeinspritzsysteme für Kraftfahrzeuganwendungen. Das piezoelektrische Bauelement kann allerdings auch als Wandler dienen, der zur Energieumwandlung einer elektrischen Energie in mechanische Energie oder umgekehrt von mechanischer Energie in elektrische Energie dient. Die piezoaktiven Schichten des Aktorkörpers können aus einem piezokeramischen Material, insbesondere einer PZT-Keramik, ausgestaltet sein. Hierbei sind zwischen den piezoaktiven Schichten die Elektrodenschichten angeordnet, die vorzugsweise abwechselnd mit Kontaktierungen elektrisch verbunden sind. Hierdurch kann der gesamte Aktorkörper aus einer Stapelung von dünnen Einheiten bestehen, um einen großen Gesamthub bei niedriger angelegter Spannung zu ermöglichen. Die Elektrodenschichten werden hierbei alternierend zu Grundmetallisierungen des Aktors herausgeführt, so dass im Betrieb jeweils jede zweite Elektrodenschicht auf der gleichen Spannung liegt. Die Grundmetallisierung dient hierbei als gemeinsame leitende Verbindung der zusammen geschalteten Elektrodenschichten.
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In vorteilhafter Weise ist die Grundmetallisierung als Grundmetallisierungsschicht ausgestaltet, in die die Faserelemente eingebettet sind. Während des Betriebs des piezoelektrischen Bauelements treten insbesondere quer zur Längsrichtung Dehnungsrisse auf. Solche Dehnungsrisse können die Grundmetallisierung fragmentieren. Je nach Ausdehnung der Risse kann dies die elektrische Verbindung der zusammen geschalteten Elektrodenschichten beeinträchtigen. Über die in der Grundmetallisierung enthaltenen Faserelemente wird jedoch die elektrische Verbindung der Elektrodenschichten auch beim Auftreten solcher Querrisse dauerhaft sichergestellt. Somit werden trotz der über die Lebensdauer auftretenden Querrisse zuverlässige Kontaktierungen der Elektrodenschichten gewährleistet.
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Vorteilhaft ist es, dass eine Vielzahl von Faserelementen in der Grundmetallisierung vorgesehen ist, die zumindest näherungsweise homogen in der Grundmetallisierung verteilt sind. Hierdurch kann an jedem beliebigen Riss eine ausreichende Menge der Fasern eine Überbrückung des Risses gewährleisten. Die Menge der Faserelemente pro Volumen beziehungsweise Flächeneinheit der Grundmetallisierung ist so gewählt, dass die summierte Querschnittsfläche aller einen möglichen Riss überbrückenden Faserelemente den Strom im Betrieb ohne Beschädigung leiten kann. Ferner ist es vorteilhaft, dass eine Länge der Faserelemente zumindest doppelt so lang vorgegeben ist wie eine typische Breite von in der Grundmetallisierung auftretender Dehnungsrisse. Speziell können die Fasern mindestens doppelt so lang sein wie die Dehnungsrisse in der Grundmetallisierung maximal breit auftreten. Hierdurch wird zum einen eine zuverlässige Überbrückung der Dehnungsrisse und zum anderen eine ausreichende elektrische Kontaktfläche zwischen den einzelnen Faserelementen und dem Material der Grundmetallisierung erreicht.
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Vorteilhaft ist es auch, dass zumindest ein Teil der Faserelemente als in Bezug auf die Grundmetallisierung relativ elastische Faserelemente ausgestaltet ist. Indem die Faserelemente elastischer als die Grundmetallisierung ausgestaltet sind, kann ein Draht-Zieh-Effekt erzielt werden, bei dem sich durch die elastische Dehnung eine Verringerung des Faserdurchmessers an der Stelle des Risses ergibt. Die Faserelemente können hierbei an ihren Enden fest mit der Grundmetallisierung verbunden sein.
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Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass zumindest ein Teil der Faserelemente als in Bezug auf die Grundmetallisierung relativ inelastische Faserelemente ausgestaltet ist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die relativ unelastischen Faserelemente locker in der Grundmetallisierung eingebettet sind. Jedoch können die Faserelement härter als das Material der Grundmetallisierung gewählt sein. Durch die lockere Einbettung kann eine flexiblere Lagerung der Enden der Faserelemente in der Grundmetallisierung erzielt werden. Hierbei kann beim Auftreten eines Risses eine relative Verschiebung der Enden der Faserelemente, die den Riss überbrücken, bezüglich der Grundmetallisierung auftreten. In vorteilhafter Weise umfasst die Außenkontaktierung eine elektrische Leitung, wobei die Außenkontaktierung direkt mit der Grundmetallisierung elektrisch verbunden ist. Speziell kann dadurch ein zweilagiges, elastisches Drahtgeflecht aus mehrfach beschichtetem Material oder dergleichen, das als elektrisches Bindeglied zwischen der Grundmetallisierung und der Außenkontaktierung dient, eingespart werden. Solch ein Drahtgeflecht, das eine durchgehende, elektrisch leitende Verbindung zwischen allen zusammen geschalteten Elektrodenschichten sicherstellen soll, ist nicht erforderlich, da über die Faserelemente eine zuverlässige elektrische Verbindung der anfänglich über die Grundmetallisierung zusammen geschalteten Elektrodenschichten auch beim Auftreten von Rissen in der Grundmetallisierung gewährleistet bleibt. Da das Drahtgeflecht ein kostenintensives Bauteil darstellt, werden neben dem reduzierten Montageaufwand auch die Materialkosten reduziert.
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Vorteilhaft ist es auch, dass eine weitere Grundmetallisierung zumindest teilweise auf eine Außenseite des Aktorkörpers aufgebracht ist, über die ein anderer Teil der Elektrodenschichten mit einer weiteren Außenkontaktierung direkt verbunden ist, und dass in der weiteren Grundmetallisierung elektrisch leitende Faserelemente vorgesehen sind. Hierdurch können die Elektrodenschichten des Aktorkörpers zuverlässig mit den Außenkontaktierungen verbunden werden.
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Somit ergibt sich auch der Vorteil, dass für die Grundmetallisierung nicht notwendigerweise ein Metall benötigt wird, das den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Material der piezoaktiven Schichten. Somit lassen sich die Materialkosten reduzieren. Ferner kann ein Formen in eine siebähnliche Struktur oder dergleichen einspart werden. Ferner erleichtert sich die Anbindung an die Grundmetallisierung, da eine aufwändige, mehrkomponentige Beschichtung eines Drahtgeflechts oder dergleichen zum Erzielen einer gut lötbaren Anbindung nicht erforderlich ist. Ferner kann auch der Lötvorgang, bei dem ein Drahtgeflecht auf den Aktorkörper aufgebracht wird, eingespart werden. Somit wird die Einsparung des Drahtgeflechts mit allen zugehörigen Material- und Prozesskosten ermöglicht. Hierbei wird durch die Grundmetallisierung mit den Faserelementen außerdem eine Sicherstellung der Funktion über die Lebensdauer des piezoelektrischen Bauelements erreicht.
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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 Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Bauelement in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine auszugsweise Darstellung des in 1 gezeigten piezoelektrischen Bauelements in einer schematischen Schnittdarstellung;
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3 den in 2 mit III bezeichneten Ausschnitt des piezoelektrischen Bauelements in einer schematischen Darstellung entsprechend einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung und
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4 den in 3 dargestellten Ausschnitt des piezoelektrischen Bauelements entsprechend einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen Bauelement 2 in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das piezoelektrische Bauelement 2 ist als Piezoaktor 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 ausgestaltet. Das Brennstoffeinspritzventil 1 dient hierbei insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen oder von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und das piezoelektrische Bauelement 2 der Erfindung eignen sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist einen Düsenkörper 3 auf, in dem eine Düsennadel 4 angeordnet ist. Der Piezoaktor 2 dient zum direkten oder indirekten Betätigen der Düsennadel 4, wie es durch den Doppelpfeil 5 veranschaulicht ist. An dem Düsenkörper 3 ist eine Ventilsitzfläche 6 ausgestaltet. Die Düsennadel 4 wirkt mit der Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammen. Durch Betätigen der Düsennadel 4 mittels des Piezoaktors 2 kann der zwischen der Düsennadel 4 und der Ventilsitzfläche 6 gebildete Dichtsitz geöffnet werden, so dass Brennstoff aus einem Brennstoffraum 7 im Inneren des Düsenkörpers 3 über eine oder mehrere Düsenbohrungen 8 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine oder dergleichen eingespritzt wird.
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Der Piezoaktor 2 weist einen Aktorkörper 10 mit einer Vielzahl von keramischen Schichten 11 und einer Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 11 angeordneten Elektrodenschichten 12, 13 auf. Zur Vereinfachung der Darstellung sind hierbei nur die keramische Schicht 11 und die Elektrodenschichten 12, 13 gekennzeichnet. Die keramische Schicht 11 dient als piezoaktive Schicht 11 und ist beispielsweise aus einer PZT-Keramik gebildet.
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Der Aktorkörper 10 weist Außenseiten 14, 15 auf, die voneinander abgewandt sind. Die Außenseite 14 ist hierbei teilweise mit einer Grundmetallisierung 16 beschichtet. Ferner ist die Außenseite 15 mit einer weiteren Grundmetallisierung 17 beschichtet. Die Grundmetallisierungen 16, 17 sind als Grundmetallisierungsschichten 16, 17 ausgestaltet. Außerdem sind Außenkontaktierungen 18, 19 vorgesehen, über die eine Verbindung des Piezoaktors 2 mit einem Steuergerät oder dergleichen möglich ist. Die elektrischen Außenkontaktierungen 18, 19 sind direkt mit den Grundmetallisierungen 16, 17 verbunden, beispielsweise durch Löten.
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Ein Teil der Elektrodenschichten, der die Elektrodenschicht 12 umfasst, ist über den Querschnitt des Aktorkörpers 10 bis an die Außenseite 14 geführt, aber von der Außenseite 15 beabstandet. Entsprechend ist ein anderer Teil der Elektrodenschichten, der die Elektrodenschicht 13 umfasst, bis an die Außenseite 15 geführt, aber von der Außenseite 14 beabstandet. Hierdurch ergeben sich innerhalb des Aktorkörpers 10 Isolationszonen 20, 21. Die Isolationszonen 20, 21 stellen passive Bereiche des Aktorkörpers 10 dar, die eine wechselweise elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten 12, 13 mit den Grundmetallisierungen 16, 17 ermöglichen, in denen aber die keramischen Schichten durch die im Betrieb angelegte elektrische Spannung nicht gelängt werden. In den Isolationszonen 20, 21 reicht das elektrische Feld nämlich nicht bis zum Aktorrand, da dieses nur zwischen den wechselweise geladenen Elektrodenschichten 12, 13 entsteht. Deshalb findet auf Grund der unterschiedlichen Längung und der dadurch entstehenden mechanischen Spannungen eine Rissbildung in den Isolationszonen 20, 21 statt. Diese Rissbildung in den Isolationszonen 20, 21 beziehungsweise passiven Bereichen 20, 21 wirkt sich in Rissen in den Grundmetallisierungen 16, 17 aus.
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2 zeigt den in 1 dargestellten Piezoaktor 2 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung. Auf der Außenseite 14 ist die Grundmetallisierung 16 vorgesehen, die einen Teil der Elektrodenschichten, der die Elektrodenschicht 12 umfasst, miteinander elektrisch verbindet. Im Betrieb treten in der Grundmetallisierung 16 beispielsweise Risse an den Stellen 25, 26, 27, 28, 29 auf. Diese Risse 25 bis 29 sind insbesondere als Querrisse ausgestaltet. Wenn einzelne Risse 25 bis 29 entsprechend groß ausgedehnt sind, dann kann eine zuverlässige elektrische Verbindung der Elektrodenschichten über die Grundmetallisierung 16 allein nicht mehr gewährleistet werden. In die Grundmetallisierung 16 sind eine Vielzahl von Faserelementen 30, 31 eingebracht. Zur Vereinfachung der Darstellung sind hierbei nur die Faserelemente 30, 31 gekennzeichnet. Somit werden alle Risse 25 bis 29 an den Stellen 25 bis 29 durch Faserelemente 30, 31 überbrückt. Die Anzahl der Faserelemente 30, 31 in der Grundmetallisierung 16 ist hierbei so gewählt, dass der erforderliche Stromfluss ohne Beschädigung, insbesondere ohne Überhitzung, der einzelnen Faserelemente 30, 31 gewährleistet ist. Hierbei sind die Faserelemente 30, 31 möglichst homogen über die Grundmetallisierung 16 verteilt. Den Faserelementen 30, 31 entsprechende Faserelemente sind auch in der Grundmetallisierung 17 vorgesehen. Hierdurch wird auch beim Auftreten von Rissen in der Grundmetallisierung 17 eine Überbrückung dieser Risse gewährleistet.
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3 zeigt den in 2 mit III bezeichneten Ausschnitt des piezoelektrischen Bauelements 2 in einer vereinfachten, schematischen Darstellung. Hierbei ist der Riss 28 in der Grundmetallisierung 16 dargestellt. Ferner ist ein Faserelement 30 schematisch dargestellt, das den aufgetretenen Riss 28 überbrückt. Eine Länge 32 des Faserelements 30 ist hierbei so vorgegeben, dass eine Rissbreite 33, insbesondere eine maximal zu erwartende Rissbreite 33, zuverlässig überbrückt werden kann. Hierfür ist die Länge 32 insbesondere zumindest zweimal so groß gewählt wie die zu erwartende maximale Rissbreite 33. Das zweifache der Rissbreite 33 kann hierbei auch als Untergrenze für die Länge 32 der einzelnen Faserelemente 30 dienen.
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In diesem Ausführungsbeispiel weist das Faserelement 30 Enden 35, 36 und einen mittleren Teil 37 auf. Ferner ist das Faserelement 30 in Bezug auf die Grundmetallisierung relativ elastisch ausgestaltet. Das Faserelement 30 ist anfänglich zumindest näherungsweise zylinderförmig ausgestaltet. Beim Auftreten des Risses 28 verjüngt sich der mittlere Teil 37 des Faserelements 30. Somit kann unter Spannung eine Längung des Faserelements 30 erfolgen. Hierdurch kann sich innerhalb gewisser Grenzen die Länge 32 des Faserelements 30 ändern. Die Enden 35, 36 des Faserelements 30 sind hierbei vorzugsweise fest in der Grundmetallisierung 16 angeordnet.
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4 zeigt den in 3 dargestellten Ausschnitt des Piezoaktors 2 entsprechend einer weiteren möglichen Ausgestaltung. Bei dieser Ausgestaltung ist das Faserelement 30 in Bezug auf die Grundmetallisierung 16 relativ inelastisch ausgestaltet. Dadurch behält das Faserelement 30 auch beim Aufreißen der Grundmetallisierung 16 seine zylindrische Form bei. Die Länge 32 des Faserelements 30 ist hierbei konstant. Hierbei sind die Enden 35, 36 des Faserelements 30 in der Grundmetallisierung 16 locker eingebettet. Hierdurch sitzt das Faserelement 30 locker in der Grundmetallisierung 16, so dass sich die Enden 35, 36 relativ zu dem Material der Grundmetallisierung 16 etwas verschieben können. Hierdurch wird der auftretende Riss 28 bei konstanter Länge 32 des Faserelements 30 überbrückt.
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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 10327902 A1 [0002, 0003]
