DE102011089773A1

DE102011089773A1 - Piezoelectric actuator for fuel injection valve for combustion engine, has actuator main portion which comprises primary electrode layer and secondary electrode layer that are arranged on opposite sides of ceramic layer

Info

Publication number: DE102011089773A1
Application number: DE102011089773A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Melcher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-27

Abstract

The piezoelectric actuator (1) has an actuator main portion (20) which comprises a ceramic layer (2), a primary electrode layer (8) and a secondary electrode layer (9). The ceramic layer is extended in a radial direction (15) relative to a longitudinal axis (10) of the actuator main portion and perpendicular to the radial direction helically around the longitudinal axis (16) of the actuator main portion. The primary electrode layer and the secondary electrode layer are arranged on the opposite sides (4,5) of the ceramic layer.

Description

Stand der Technik State of the art

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere einen Aktor für Brennstoffeinspritzventile für Brennkraftmaschinen, und ein Brennstoffeinspritzventil, insbesondere einen Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen für Brennkraftmaschinen. The invention relates to a piezoelectric actuator, in particular an actuator for fuel injection valves for internal combustion engines, and a fuel injection valve, in particular an injector for fuel injection systems for internal combustion engines.

Aus der DE 103 07 825 A1 ist ein elektrisches Vielschichtbauelement bekannt. Das elektrische Vielschichtbauelement weist eine Vielzahl von entlang einer Längsachse angeordneten, übereinander liegenden keramischen Schichten mit dazwischen liegenden Elektrodenschichten auf. An wenigstens einer Stelle der Längsachse ist zwischen zwei keramischen Schichten eine keramische Sollbruchschicht angeordnet, die gegenüber Zugspannungen in Längsrichtung eine geringere Stabilität aufweist als die keramischen Schichten. Durch die geringere Stabilität der Sollbruchschichten kann ein unkontrolliertes Vordringen von Rissen in das Bauelement verhindert werden. Hierbei ist bekannt, dass am Rand des Piezoaktors in einer sogenannten passiven Zone nur jeweils dem gleichen elektrischen Pol zugeordnete Innenelektroden übereinander liegen. Die dem anderen elektrischen Pol zugeordneten Innenelektroden verlaufen an dieser Stelle nicht ganz bis zum Rand des Aktors, sondern sind auf eine Fläche im Inneren des Aktors begrenzt. Im Gegensatz zur aktiven Zone, wo Elektrodenschichten unterschiedlicher Polarität einander gegenüberliegen, findet in der passiven Zone beim Anliegen einer elektrischen Spannung fast keine Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten statt, was im Randgebiet der passiven Zone zu einer Zugbelastung der passiven Zone, hervorgerufen durch die aktive Zone, führt. Je mehr piezoelektrische Schichten übereinander liegen und je größer die angelegte elektrische Spannung ist, umso größer sind auch die am Rand der passiven Zone auftretenden Zugspannungen. Diese Zugspannungen können im Randbereich der Piezoaktoren zu einer Rissbildung führen, entweder im Betrieb des Piezoaktors oder bereits beim Polen, das heißt bei dem ersten Verfahrensschritt zum Betrieb des Piezoaktors, bei dem eine elektrische Polarisierung in den piezoelektrischen Schichten erzeugt wird. Diese Risse können im Dauerbetrieb des Piezoaktors sich ins Innere des Aktors fortsetzen und dabei im aktiven Bereich eine oder mehrere Innenelektroden durchbrechen. In der Folge kommt es dann an diesen Bruchstellen zu einem dielektrischen Durchbruch und gegebenenfalls sogar zu einem inneren Kurzschluss. Durch die keramischen Sollbruchstellen wird die Gefahr der Rissbildung in den Innenelektroden vermindert. From the DE 103 07 825 A1 is known an electrical multilayer component. The electrical multilayer component has a multiplicity of ceramic layers arranged one above the other along a longitudinal axis and having interposed electrode layers. At at least one point of the longitudinal axis, a ceramic predetermined breaking layer is arranged between two ceramic layers, which has a lower stability compared to tensile stresses in the longitudinal direction than the ceramic layers. Due to the lower stability of the predetermined breaking layers, an uncontrolled penetration of cracks into the component can be prevented. It is known that at the edge of the piezoelectric actuator in a so-called passive zone only in each case the same electrical pole associated internal electrodes are superimposed. The internal electrodes assigned to the other electrical pole do not extend entirely to the edge of the actuator at this point, but are limited to a surface in the interior of the actuator. In contrast to the active zone, where electrode layers of different polarity face each other, almost no expansion of the piezoelectric layers takes place in the passive zone when an electrical voltage is applied, resulting in a tensile load of the passive zone, caused by the active zone, in the peripheral region of the passive zone. leads. The more piezoelectric layers lie one above another and the greater the applied electrical voltage, the greater the tensile stresses occurring at the edge of the passive zone. These tensile stresses can lead to cracking in the edge region of the piezoactuators, either during operation of the piezoactuator or already during poling, that is to say in the first method step for operating the piezoactuator, in which an electrical polarization is generated in the piezoelectric layers. These cracks can continue in the continuous operation of the piezoelectric actuator into the interior of the actuator and thereby break through one or more internal electrodes in the active region. As a result, it comes at these fractures to a dielectric breakthrough and possibly even to an internal short circuit. The ceramic break points reduce the risk of cracking in the internal electrodes.

Das aus der DE 103 07 825 A1 bekannte elektrische Vielschichtbauelement hat den Nachteil, dass die als Isolationszonen auf beiden Seiten dienenden passiven Zonen, welche einen Kurzschluss verhindern sollen, nicht zum Hub beitragen und sogar einen Hubverlust bewirken, da das diesbezügliche Materialvolumen mitgedehnt werden muss. Ein weiterer Hubverlust kommt durch die passiven Sollbruchschichten zustande, die in ausreichender Anzahl vorgesehen sein müssen, um einen wirksamen Schutz zu bilden. That from the DE 103 07 825 A1 known electrical multilayer component has the disadvantage that serving as isolation zones on both sides passive zones, which should prevent a short circuit, do not contribute to the stroke and even cause a loss of lift, since the relevant material volume must be mitgedehnt. Another loss of lift is due to the passive breakneck layers that must be provided in sufficient numbers to provide effective protection.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktors ermöglicht ist. Insbesondere kann in Bezug auf eine bestimmte Baulänge ein Dehnungsverhalten verbessert und ein größerer Hub beziehungsweise eine Reduzierung des Hubverlusts erzielt werden.The piezoelectric actuator according to the invention with the features of claim 1 and the fuel injection valve according to the invention with the features of claim 10 have the advantage that an improved embodiment of the piezoelectric actuator is made possible. In particular, with regard to a specific length, an expansion behavior can be improved and a greater lift or a reduction in the lift loss can be achieved.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen piezoelektrischen Aktors und des im Anspruch 10 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements of the specified in claim 1 piezoelectric actuator and the fuel injection valve specified in claim 10 are possible.

Bei der Ausgestaltung von Piezoaktoren zum Beispiel aus Bleizirkonat-Titanat-Keramiken ist eine Ausführung als Mehrschichtaktor üblich. Der Gesamthub des Aktors wird hierbei durch serielle Verschaltung einer gewissen Anzahl piezoelektrisch aktiver Schichten erzielt. Hieraus ergibt sich, dass sich der Gesamthub stets aus der Multiplikation des Hubs einer einzelnen Schicht mit dieser Anzahl an piezoelektrisch aktiven Schichten ergibt. Der Hub der einzelnen Schicht kann jedoch je nach Materialcharge deutlich schwanken, während die Anzahl der aktiven Schichten durch die Produktzeichnung festgelegt ist. Weist dann eine Materialcharge beispielsweise einen zu geringen Hub auf, dann kann zwar zum Beispiel durch Variation der Sinterparameter dem etwas entgegengesteuert werden. Hierdurch werden dann jedoch auch alle anderen elektromechanischen Eigenschaften beeinflusst. In the design of piezoelectric actuators, for example of lead zirconate titanate ceramics, an embodiment as a multilayer actuator is customary. The total stroke of the actuator is achieved here by serial connection of a certain number of piezoelectrically active layers. It follows that the total stroke always results from the multiplication of the stroke of a single layer with this number of piezoelectrically active layers. However, the stroke of the single layer can vary significantly depending on the material batch, while the number of active layers is determined by the product drawing. If, for example, a batch of material has too low a stroke, then something can be counteracted, for example, by varying the sintering parameters. However, all other electromechanical properties will be affected by this.

Ferner werden bei der interdigitalen Ausführung der Mehrschichtaktoren, bei der die Innenelektroden des Pluspols und des Minuspols zwischen den keramischen Schichten ineinander greifen und zu gegenüberliegenden Seiten des Aktors nach außen geführt werden, Isolationszonen auf beiden Seiten geschaffen, welche die Außenkontaktierung ermöglichen. Diese Isolationszonen tragen somit nicht zum Hub bei und bewirken sogar einen Hubverlust, da das Materialvolumen mitgedehnt werden muss. Further, in the interdigital embodiment of the multi-layer actuators, in which the inner electrodes of the positive pole and the negative pole engage with each other between the ceramic layers and are led out to opposite sides of the actuator, isolation zones are provided on both sides to enable the external bonding. These isolation zones thus do not contribute to the stroke and even cause a loss of lift, since the material volume must be mitgedehnen.

Durch die schraubenförmige Ausgestaltung der keramischen Schicht beziehungsweise der keramischen Schichten kann ein Aktordesign mit variablem Hub geschaffen werden, bei dem keine Isolationszone beziehungsweise passive Zone erforderlich ist. Hierdurch ergibt sich ein vergrößerter Hub und außerdem ein verbessertes Dehnungsverhalten. Ferner wird auch eine unerwünschte Rissbildung vermieden. Due to the helical configuration of the ceramic layer or the ceramic layers, an actuator design with a variable stroke can be created in which no isolation zone or passive zone is required. This results in an increased stroke and also an improved expansion behavior. Furthermore, an undesirable cracking is avoided.

Vorteilhaft ist es, dass zumindest eine zweite keramische Schicht vorgesehen ist, dass sich die zweite keramische Schicht in der radialen Richtung bezüglich der Längsachse des Aktorkörpers und senkrecht zu der radialen Richtung schraubenförmig um die Längsachse des Aktorkörpers erstreckt und dass die erste Elektrodenschicht, die erste keramische Schicht, die zweite Elektrodenschicht und die zweite keramische Schicht aufeinanderfolgend aufeinander geschichtet sind. Speziell können genau zwei keramische Schichten vorgesehen sein, so dass das keramische Material des Aktors aus nur einer aktiven Doppellage besteht. Isolationszonen entfallen hierbei. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, dass die erste keramische Schicht und die zweite keramische Schicht entlang der Längsachse betrachtet zumindest im Wesentlichen deckungsgleich ausgestaltet sind. Außerdem ist es vorteilhaft, dass sich die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht zumindest im Wesentlichen über die Seiten der ersten keramischen Schicht erstrecken. Die Elektrodenschichten sind dann zwischen den keramischen Schichten angeordnet, so dass passive Bereiche vermieden sind. Hierdurch ergibt sich eine optimale Ausnutzung des aktiven keramischen Materials.It is advantageous that at least one second ceramic layer is provided, that extends the second ceramic layer in the radial direction with respect to the longitudinal axis of the actuator body and perpendicular to the radial direction helically around the longitudinal axis of the actuator body and that the first electrode layer, the first ceramic Layer, the second electrode layer and the second ceramic layer are successively stacked on each other. Specifically, exactly two ceramic layers can be provided, so that the ceramic material of the actuator consists of only one active double layer. Isolation zones are omitted here. For this purpose, it is particularly advantageous that the first ceramic layer and the second ceramic layer are designed at least substantially congruent viewed along the longitudinal axis. Moreover, it is advantageous that the first electrode layer and the second electrode layer extend at least substantially over the sides of the first ceramic layer. The electrode layers are then arranged between the ceramic layers, so that passive regions are avoided. This results in optimal utilization of the active ceramic material.

Hierbei ist es auch vorteilhaft, dass eine Kapazität des Aktorkörpers und/oder ein Hub des Aktorkörpers entlang der Längsachse trimmbar ist. Beispielsweise kann der Aktorhub über die Aktorlänge stufenlos eingestellt werden. Hierdurch ist es auch möglich, dass produktionsbedingte Variationen ausgeglichen werden, ohne dass die Sinterparameter variiert werden. Hierdurch wird eine ungünstige Beeinflussung der elektromechanischen Eigenschaften vermieden. It is also advantageous that a capacity of the actuator body and / or a stroke of the actuator body along the longitudinal axis can be trimmed. For example, the Aktorhub can be adjusted continuously over the actuator length. This also makes it possible to compensate for production-related variations without varying the sintering parameters. As a result, an unfavorable influence on the electromechanical properties is avoided.

Außerdem ergeben sich aufgrund des schraubenförmigen Designs und der Tatsache, dass der Aktor aus nur einer aktiven Doppellage aufgebaut werden kann, Vorteile hinsichtlich mechanischer Spannungen während des Betriebs. Die Gefahr von Überschlägen an Fasen und Kanten des Aktors entfällt. Die keramische Schicht beziehungsweise die keramischen Schichten zum Aufbauen des schraubenförmigen Aktors können zweckmäßigerweise durch schraubenförmiges Aufschneiden eines zylindrischen Rohlings im ungesinterten Zustand, also im Grünzustand, durch ein doppelt ausgeführtes Messer erfolgen. Auch ein Extrusionsverfahren ist denkbar, bei dem die kontinuierliche Herstellung eines Aktorstranges möglich ist. Für diesen Aktorrohling wird vorzugsweise ein geeigneter Binder gewählt, der die erforderliche Zähigkeit bereitstellt, damit sich das entstehende schraubenförmige Band bei den nachfolgenden Prozessschritten nicht verformt oder beschädigt wird. Herstellungsbedingt wird vorzugsweise ein Loch in der Mittelachse des Aktors frei bleiben, so dass der Aktorkörper eine sich entlang der Längsachse erstreckende, zumindest näherungsweise zylindrische Aussparung aufweist. In addition, due to the helical design and the fact that the actuator can be constructed from only one active double layer, there are advantages in terms of mechanical stresses during operation. The risk of flashovers on chamfers and edges of the actuator is eliminated. The ceramic layer or the ceramic layers for constructing the helical actuator can advantageously be effected by helically cutting a cylindrical blank in the unsintered state, that is to say in the green state, by means of a knife made in duplicate. An extrusion process is conceivable in which the continuous production of a Aktorstranges is possible. For this actuator blank, a suitable binder is preferably selected, which provides the required toughness, so that the resulting helical band is not deformed or damaged in the subsequent process steps. Due to the manufacturing process, a hole in the center axis of the actuator will preferably remain free, so that the actuator body has an at least approximately cylindrical recess extending along the longitudinal axis.

In vorteilhafter Weise können die metallischen Elektrodenschichten (Innenelektroden) in Form von Pasten oder durch Bedampfen aufgetragen werden. Advantageously, the metallic electrode layers (internal electrodes) can be applied in the form of pastes or by vapor deposition.

Die Lamination des Aktors kann beispielsweise in einem zylindrischen Magazin erfolgen. Beim Entbindern und Sintern kann auf herkömmliche Verfahren zurückgegriffen werden. Die elektrische Kontaktierung kann in zweckmäßiger Weise an einem Ende des Aktors erfolgen. In vorteilhafter Weise kann der Aktor auf seiner gesamten Mantelfläche sowie im Inneren im Bereich der zylindrischen Aussparung lackiert und somit optimal isoliert werden.The lamination of the actuator can be done for example in a cylindrical magazine. During debindering and sintering, conventional methods can be used. The electrical contact can be carried out in an expedient manner at one end of the actuator. Advantageously, the actuator can be painted on its entire lateral surface and in the interior in the region of the cylindrical recess and thus optimally insulated.

Dann kann der Aktor gegebenenfalls getrimmt werden. Hierfür wird der Aktor vorzugsweise mit einer gewissen Überlänge hergestellt. Nach der Messung der Kapazität oder des Hubes kann der Aktor auf eine bestimmte Länge und somit auf die gewünschte Kapazität beziehungsweise den gewünschten Hub geschliffen werden. Then the actuator can be trimmed if necessary. For this purpose, the actuator is preferably made with a certain excess length. After measuring the capacitance or the stroke of the actuator can be ground to a certain length and thus to the desired capacity or the desired stroke.

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:Preferred embodiments of the invention are explained in more detail in the following description with reference to the accompanying drawings, in which corresponding elements are provided with corresponding reference numerals. It shows:

1 einen piezoelektrischen Aktor in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 a piezoelectric actuator in an excerpt, schematic representation according to a first embodiment of the invention;

2 den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des piezoelektrischen Aktors des ersten Ausführungsbeispiels und 2 the in 1 labeled II section of the piezoelectric actuator of the first embodiment and

3 einen piezoelektrischen Aktor in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 a piezoelectric actuator in a partial, schematic sectional view according to a second embodiment of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt einen piezoelektrischen Aktor 1 in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. Der piezoelektrische Aktor 1 eignet sich besonders für Brennstoffeinspritzventile für Brennkraftmaschinen. Der piezoelektrische Aktor 1 weist eine erste keramische Schicht 2 und eine zweite keramische Schicht 3 auf. Die erste keramische Schicht 2 und die zweite keramische Schicht 3 sind aus einem piezoelektrischen Material gebildet. Die erste keramische Schicht 2 weist voneinander abgewandte Seiten 4, 5 auf. Ferner weist die zweite keramische Schicht 3 voneinander abgewandte Seiten 6, 7 auf. 1 shows a piezoelectric actuator 1 in a partial, schematic representation corresponding to a first Embodiment. The piezoelectric actuator 1 is particularly suitable for fuel injection valves for internal combustion engines. The piezoelectric actuator 1 has a first ceramic layer 2 and a second ceramic layer 3 on. The first ceramic layer 2 and the second ceramic layer 3 are formed of a piezoelectric material. The first ceramic layer 2 has sides facing away from each other 4 . 5 on. Furthermore, the second ceramic layer 3 facing away from each other pages 6 . 7 on.

Der piezoelektrische Aktor 1 umfasst außerdem eine erste Elektrodenschicht 8 und eine zweite Elektrodenschicht 9. Die erste Elektrodenschicht 8 befindet sich zwischen der Seite 4 der ersten keramischen Schicht 2 und der Seite 7 der zweiten keramischen Schicht 3. Die zweite Elektrodenschicht 9 befindet sich zwischen der Seite 5 der ersten keramischen Schicht 2 und der Seite 6 der zweiten keramischen Schicht 3. An Enden 10, 11 des piezoelektrischen Aktors 1 können die keramischen Schichten 2, 3 und/oder die Elektrodenschichten 8, 9 auch teilweise freiliegen. The piezoelectric actuator 1 also includes a first electrode layer 8th and a second electrode layer 9 , The first electrode layer 8th is located between the page 4 the first ceramic layer 2 and the page 7 the second ceramic layer 3 , The second electrode layer 9 is located between the page 5 the first ceramic layer 2 and the page 6 the second ceramic layer 3 , At ends 10 . 11 of the piezoelectric actuator 1 can the ceramic layers 2 . 3 and / or the electrode layers 8th . 9 also partially exposed.

Somit sind die erste Elektrodenschicht 8 und die zweite Elektrodenschicht 9 an den voneinander abgewandten Seiten 4, 5 der ersten keramischen Schicht 2 angeordnet. Außerdem sind die erste Elektrodenschicht 8 und die zweite Elektrodenschicht 9 an den voneinander abgewandten Seiten 6, 7 der zweiten keramischen Schicht 3 angeordnet. Die erste keramische Schicht 2 erstreckt sich sowohl in einer radialen Richtung 15 bezüglich einer Längsachse 16 des piezoelektrischen Aktors 1 als auch senkrecht zu der radialen Richtung 15, das heißt in einer Umfangsrichtung 17, schraubenförmig um die Längsachse 16. Im zusammengesetzten Zustand bilden die keramischen Schichten 2, 3 und die Elektrodenschichten 8, 9 hierdurch einen Aktorkörper 20 aus. Die Längsachse 16 des piezoelektrischen Aktors 1 stimmt hierbei mit der Längsachse 16 des Aktorkörpers 20 überein. Der Aktorkörper 20 ist hierdurch gewissermaßen schraubenförmig aus der die Schichten 2, 3 umfassenden Doppelschicht sowie den Elektrodenschichten 8, 9 aufgebaut, wobei sich über die Anzahl der Windungen und die Dicke der Schichten 2, 3 eine Grundlänge 21 ergibt. Thus, the first electrode layer 8th and the second electrode layer 9 on the sides facing away from each other 4 . 5 the first ceramic layer 2 arranged. In addition, the first electrode layer 8th and the second electrode layer 9 on the sides facing away from each other 6 . 7 the second ceramic layer 3 arranged. The first ceramic layer 2 extends both in a radial direction 15 with respect to a longitudinal axis 16 of the piezoelectric actuator 1 as well as perpendicular to the radial direction 15 that is, in a circumferential direction 17 , helically around the longitudinal axis 16 , In the assembled state, the ceramic layers form 2 . 3 and the electrode layers 8th . 9 thereby an actuator body 20 out. The longitudinal axis 16 of the piezoelectric actuator 1 agrees with the longitudinal axis 16 of the actuator body 20 match. The actuator body 20 is thus in a sense helical from the layers 2 . 3 comprehensive bilayer and the electrode layers 8th . 9 built up, focusing on the number of turns and the thickness of the layers 2 . 3 a basic length 21 results.

Die Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktors 1 ist im Folgenden auch unter Bezugnahme auf die 2 weiter beschrieben. The embodiment of the piezoelectric actuator 1 is also referred to below with reference to the 2 further described.

2 zeigt den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des piezoelektrischen Aktors 1 des ersten Ausführungsbeispiels. Die erste Elektrodenschicht 8, die erste keramische Schicht 2, die zweite Elektrodenschicht 9 und die zweite keramische Schicht 3 des Aktorkörpers 20 sind aufeinanderfolgend aufeinander geschichtet. Hierdurch ergibt sich ein kompakter Verbund. Die erste Elektrodenschicht 8 erstreckt sich hierbei sowohl in der radialen Richtung 15 als auch in der Umfangsrichtung 17 im Wesentlichen über die gesamte Seite 4 der ersten keramischen Schicht 2. Entsprechend erstreckt sich auch die zweite Elektrodenschicht 9 im Wesentlichen über die gesamte Seite 5 der ersten keramischen Schicht 2. Entsprechend erstrecken sich die Elektrodenschichten 8, 9 auch jeweils über die gesamten Seiten 6, 7 der zweiten keramischen Schicht 3. Hierdurch steht das Material der keramischen Schichten 2, 3 vollständig oder zumindest weitgehend als aktives Material zur Verfügung, das zur Längendehnung des piezoelektrischen Aktors 1 beiträgt. 2 shows the in 1 labeled II section of the piezoelectric actuator 1 of the first embodiment. The first electrode layer 8th , the first ceramic layer 2 , the second electrode layer 9 and the second ceramic layer 3 of the actuator body 20 are successively stacked on each other. This results in a compact composite. The first electrode layer 8th extends here both in the radial direction 15 as well as in the circumferential direction 17 essentially over the entire page 4 the first ceramic layer 2 , Accordingly, the second electrode layer also extends 9 essentially over the entire page 5 the first ceramic layer 2 , Accordingly, the electrode layers extend 8th . 9 also over the entire pages 6 . 7 the second ceramic layer 3 , This is the material of the ceramic layers 2 . 3 completely or at least largely available as an active material, the elongation of the piezoelectric actuator 1 contributes.

Um den piezoelektrischen Aktor 1 zu laden und zu entladen, wird zwischen den Elektrodenschichten 8, 9 eine elektrische Spannung angelegt. To the piezoelectric actuator 1 to charge and discharge is between the electrode layers 8th . 9 an electrical voltage applied.

Vorzugsweise weist der Aktorkörper 20 eine sich entlang der Längsachse 16 erstreckende, zumindest näherungsweise zylindrische Aussparung 22 auf. Dies erleichtert zum einen die Herstellung des piezoelektrischen Aktors 1. Zum anderen werden mechanische Spannungen in den keramischen Schichten 2, 3 vermieden und es ergibt sich ein günstiges Dehnungsverhalten. Preferably, the actuator body 20 one along the longitudinal axis 16 extending, at least approximately cylindrical recess 22 on. This facilitates on the one hand the production of the piezoelectric actuator 1 , On the other hand, mechanical stresses in the ceramic layers 2 . 3 avoided and it results in a favorable expansion behavior.

Die Elektrodenschichten 8, 9 können beispielsweise durch Bedampfen der Seiten 4, 5 der ersten keramischen Schicht 2 ausgestaltet sein. Möglich ist auch eine Ausgestaltung durch Bedampfen der Seiten 6, 7 der zweiten keramischen Schicht 3. Ferner kann auch eine der Elektrodenschichten 8, 9 auf die entsprechende Seite 4, 5 der ersten keramischen Schicht 2 aufgedampft werden, während die andere der Elektrodenschichten 8, 9 auf eine der Seiten 6, 7 der zweiten keramischen Schicht 3 aufgedampft wird. The electrode layers 8th . 9 For example, by steaming the pages 4 . 5 the first ceramic layer 2 be designed. It is also possible to design by steaming the sides 6 . 7 the second ceramic layer 3 , Furthermore, one of the electrode layers can also be used 8th . 9 on the corresponding page 4 . 5 the first ceramic layer 2 be evaporated while the other of the electrode layers 8th . 9 on one of the pages 6 . 7 the second ceramic layer 3 is evaporated.

Alternativ kann zumindest eine der Elektrodenschichten 8, 9 auch durch eine metallische Paste ausgestaltet werden, die zusammen mit den keramischen Schichten 2, 3 gesintert wird. Alternatively, at least one of the electrode layers 8th . 9 also be configured by a metallic paste, which together with the ceramic layers 2 . 3 is sintered.

3 zeigt einen piezoelektrischen Aktor 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Da die keramischen Schichten 2, 3 sowie die Elektrodenschichten 8, 9 entlang der Längsachse 16 betrachtet zumindest im Wesentlichen deckungsgleich ausgestaltet sind, kann eine durchgehende Außenseite 25 des Aktorkörpers 20 geschaffen werden, die frei von Stufen ist. In diesem Ausführungsbeispiel weist der piezoelektrische Aktor 1 eine isolierende Beschichtung 26 auf, die auf die durchgehende Außenseite 25 des Aktorkörpers 20 aufgebracht ist. Die isolierende Beschichtung 26 kann beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Lack gebildet sein. Die isolierende Beschichtung 26 ist vorzugsweise auch im Inneren der Aussparung 22 auf den Aktor 1 aufgebracht. 3 shows a piezoelectric actuator 1 in a partial, schematic sectional view according to a second embodiment of the invention. Because the ceramic layers 2 . 3 as well as the electrode layers 8th . 9 along the longitudinal axis 16 Viewed at least substantially congruent, a continuous outside 25 of the actuator body 20 be created, which is free of steps. In this embodiment, the piezoelectric actuator 1 an insulating coating 26 on the outside 25 of the actuator body 20 is applied. The insulating coating 26 can be formed for example from an electrically insulating paint. The insulating coating 26 is preferably also inside the recess 22 on the actor 1 applied.

Bei der Herstellung des Aktorkörpers 20 kann die Grundlänge 21 aufgrund von Toleranzen variieren. Beispielsweise können die keramischen Schichten 2, 3 Schichtdicken aufweisen, die bei der Herstellung einer Vielzahl von Aktorkörpern 20 variieren. Ausgehend von der Grundlänge 21 kann der Aktorkörper 20 auf eine Länge 27 getrimmt werden. Speziell kann hierdurch eine Kapazität des Aktorkörpers 20 getrimmt werden. Ferner kann hierdurch auch ein Hub des Aktorkörpers 20 entlang der Längsachse 16 getrimmt werden. Die Grundlänge 21 des Aktorkörpers 20 ist hierbei vorzugsweise mit einer gewissen Überlänge vorgegeben, so dass nach der Messung der Kapazität beziehungsweise des Hubes die gewünschte Kapazität beziehungsweise der gewünschte Hub durch Trimmen der Länge eingestellt werden kann. Das Trimmen kann beispielsweise durch Schleifen erfolgen. In the manufacture of the actuator body 20 can the basic length 21 vary due to tolerances. For example, the ceramic layers 2 . 3 Have layer thicknesses, which in the production of a plurality of actuator bodies 20 vary. Starting from the basic length 21 can the actuator body 20 to a length 27 be trimmed. In particular, this allows a capacity of the actuator body 20 be trimmed. Furthermore, this can also be a stroke of the actuator body 20 along the longitudinal axis 16 be trimmed. The basic length 21 of the actuator body 20 In this case, it is preferably predetermined with a certain excess length, so that after the measurement of the capacity or of the stroke, the desired capacity or the desired stroke can be set by trimming the length. The trimming can be done for example by grinding.

Der Schleifprozess kann hierbei auch an beiden Enden 10, 11 durchgeführt werden. The grinding process can also be at both ends 10 . 11 be performed.

Zum Betrieb des piezoelektrischen Aktors 1 werden die Elektrodenschichten 8, 9 über elektrische Leitungen 28, 29 mit einem Steuergerät 30 verbunden. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass die Elektrodenschichten 8, 9 nur an einer Stelle kontaktiert werden müssen. Im Unterschied zu einem Vielschichtbauteil ist nämlich ein wechselweises Verbinden beziehungsweise Kontaktieren einer Vielzahl von Elektrodenschichten, wie es zum Beispiel in der DE 103 07 825 A1 beschrieben ist, nicht erforderlich.For operation of the piezoelectric actuator 1 become the electrode layers 8th . 9 via electrical lines 28 . 29 with a control unit 30 connected. This results in the advantage that the electrode layers 8th . 9 only need to be contacted in one place. In contrast to a multilayer component is namely an alternate connecting or contacting a plurality of electrode layers, as for example in the DE 103 07 825 A1 is not required.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.The invention is not limited to the described embodiments.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10307825 A1 [0002, 0003, 0031]

Claims

Piezoelectric actuator ( 1 ), in particular for fuel injection valves for internal combustion engines, with an actuator body ( 20 ) comprising at least a first ceramic layer ( 2 ), a first electrode layer ( 8th ) and a second electrode layer ( 9 ), characterized in that the first ceramic layer ( 2 ) in a radial direction ( 15 ) with respect to a longitudinal axis ( 16 ) of the actuator body ( 20 ) and perpendicular to the radial direction ( 15 ) helically about the longitudinal axis ( 16 ) of the actuator body ( 20 ) and that the first electrode layer ( 8th ) and the second electrode layer ( 9 ) on opposite sides ( 4 . 5 ) of the first ceramic layer ( 2 ) are arranged.

Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that at least one second ceramic layer ( 3 ) is provided that the second ceramic layer ( 3 ) in the radial direction ( 15 ) with respect to the longitudinal axis ( 16 ) of the actuator body ( 20 ) and perpendicular to the radial direction ( 15 ) helically about the longitudinal axis ( 16 ) of the actuator body ( 20 ) and that the first electrode layer ( 8th ), the first ceramic layer ( 2 ), the second electrode layer ( 9 ) and the second ceramic layer ( 3 ) are sequentially stacked on each other.

Piezoelectric actuator according to claim 2, characterized in that the first ceramic layer ( 2 ) and the second ceramic layer ( 3 ) along the longitudinal axis ( 16 ) considered at least substantially congruent.

Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first electrode layer ( 8th ) and the second electrode layer ( 9 ) at least substantially over the pages 4 . 5 the first ceramic layer ( 2 ).

Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the actuator body ( 20 ) one along the longitudinal axis ( 16 ) extending, at least approximately cylindrical recess ( 22 ) having.

Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the electrode layers ( 8th . 9 ) by steaming one of the sides 4 . 5 the first ceramic layer ( 2 ) is configured.

Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one of the electrode layers ( 8th . 9 ) is configured by sintering a metal-containing paste.

Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 7, characterized in that the actuator body ( 20 ) a continuous outside ( 25 ) and that the outside ( 25 ) and / or the inside of a cylindrical recess ( 22 ) of the actuator body ( 20 ) with an insulating coating ( 26 ) is coated.

Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 8, characterized in that a capacity of the actuator body ( 20 ) and / or a stroke of the actuator body ( 20 ) along the longitudinal axis ( 16 ) is trimmable.

Fuel injection valve, in particular injector for fuel injection systems for internal combustion engines, with a piezoelectric actuator ( 1 ) according to one of claims 1 to 9.