DE10225704A1

DE10225704A1 - Piezoelektrischer Aktuator und Verfahren zu dessen Antrieb

Info

Publication number: DE10225704A1
Application number: DE10225704A
Authority: DE
Inventors: Takashi Yamamoto; Youta Iwamoto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2003-01-23
Also published as: US6664715B2; US20020185935A1

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem piezoelektrischen Aktuator, der selbst dann, wenn der Bereich der Einsatzbedingungen wie Temperatur, elektrisches Feld und Druckspannung weit ist, eine geringe Änderung der Auslenkung zeigt, und mit einem Antriebsverfahren für den piezoelektrischen Aktuator. Der piezoelektrische Aktuator (1) verwendet einen piezoelektrischen Körper (11), der beim Anlegen einer Spannung einer Auslenkung unterliegt und dessen Kristallstruktur unter den Bedingungen der im Einsatz geringsten Temperatur, des geringsten elektrisches Felds und der maximalen Druckspannung außerhalb einer morphotropen Phasengrenze (MPB) zwischen einem tetragonalen System und einem rhomboedrischen System im Wesentlichen auf der Seite des tetragonalen Systems liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktuator, der in einem starken elektrischen Feld, bei einer hohen Druckspannung und in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar ist, sowie ein Verfahren zu dessen Antrieb.

Ein piezoelektrischer Aktuator, der als Antriebsquelle einen piezoelektrischen Körper verwendet, zeigt einen korrekten Entfaltungsbetrag. Es wurde daher untersucht, ob sich piezoelektrische Aktuatoren als Antriebsquelle zum Antrieb eines Ventilkörpers einer Flüssigkeitseinspritzvorrichtung wie einer Einspritzdüse einsetzen lassen.

Wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 9-55549 beschrieben ist, sind als piezoelektrische Körper beispielsweise PZT-Oxide (PZT: Bleizirkonat- Titanat) mit einer Perovskitstruktur des ABO₃-Typs bekannt.

Solche piezoelektrische Körper enthalten abhängig von ihrer Zusammensetzung ein tetragonales System und ein rhomboedrisches System. Es wurde festgestellt, dass zwischen diesen Kristallphasen eine morphotrope Phasengrenze (engl. Abk. MPB) liegt. Außerdem wurde festgestellt, dass die piezoelektrischen Eigenschaften, etwa die Dielektrizitätskonstante, die piezoelektrische Ladungskonstante usw., an der MPB maximal sind.

Die oben angesprochene japanische Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 9-55549 offenbart, dass sich die Temperaturabhängigkeit der Auslenkung und der Dielektrizitätskonstante verringern lässt, wenn ein Material gewählt wird, das in der Nähe der MPB zwischen der tetragonalen und rhomboedrischen Phase bei einer höheren Temperatur tetragonal und bei einer niedrigeren Temperatur rhomboedrisch ist. Wenn ein solches Material gewählt wird, lassen sich die Temperatureigenschaften in einem schwachen elektrischen Feld und bei geringer Druckspannung verbessern.

In den letzten Jahren wurden jedoch Aktuatoren benötigt, die bei einem hohen elektrischen Feld und einer hohen Druckspannung und in einem weiten Temperaturbereich eine geringe Auslenkung bzw. eine geringe Änderung der Auslenkung zeigen, wobei diesem Bedarf nicht allein durch die oben beschriebenen herkömmlichen Technologien nachgekommen werden kann.

Angesichts dessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Aktuator, der in einem weiten Bereich von Einsatzbedingungen an Temperaturen, elektrischen Feldern und Druckspannungen eine geringe Auslenkung bzw. eine geringe Änderung der Auslenkung zeigt, und ein Antriebsverfahren für diesen zur Verfügung zu stellen.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist ein piezoelektrischer Aktuator vorgesehen, der als Antriebsquelle einen piezoelektrischen Körper verwendet, der beim Anlegen einer Spannung einer Auslenkung unterliegt und der sich dadurch auszeichnet, dass seine Kristallstruktur unter der Bedingung der im Einsatz geringsten Temperatur, des kleinsten elektrischen Felds und der maximalen Druckspannung außerhalb einer morphotropen Phasengrenze (MPB) zwischen einem tetragonalen System und einem rhomboedrischen System im Wesentlichen auf der Seite des tetragonalen Systems liegt.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktuator verwendet also einen piezoelektrischen Körper, der unter bestimmten Bedingungen einen bestimmten Kristallaufbau aufweist. Mit anderen Worten schreibt die Erfindung die Kristallstruktur des piezoelektrischen Körpers unter den drei Bedingungen der geringsten Temperatur in dem Temperaturbereich, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, dem geringsten elektrischen Feld in dem Bereich, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, und der maximalen Druckspannung im Einsatzbereich vor.

Der vorgeschriebene Kristallaufbau des piezoelektrischen Körpers liegt also außerhalb der morphotropen Phasengrenze (MPB) zwischen dem tetragonalen System und dem rhomboedrischen System im Wesentlichen auf der Seite des tetragonalen Systems. Wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, wechselt der Kristallaufbau des piezoelektrischen Körpers auch dann nicht zum rhomboedrischen System, wenn sich während des Einsatzes die Temperatur, das elektrische Feld und die Druckspannung ändern, sondern behält der Kristallaufbau stets das tetragonale System bei. Bei dem beschriebenen piezoelektrischen Körper ist das tetragonale System dem rhomboedrischen System im Hinblick auf die Zuverlässigkeit überlegen.

Auch wenn sich die Einsatzbedingungen des piezoelektrischen Aktuators wie die Temperatur, das elektrische Feld und die Druckspannung ändern, ändert sich also die Kristallstruktur des piezoelektrischen Körpers nicht, sondern behält das tetragonale System bei, und lassen sich seine Eigenschaften relativ stabil aufrecht erhalten.

Die Kristallstruktur des piezoelektrischen Körpers wird bei der Erfindung so eingestellt, dass sie, während die drei angesprochenen bestimmten Bedingungen erfüllt sind, in der Nähe der morphotropen Phasengrenze (MPB) zwischen dem tetragonalen System und dem rhomboedrischen System liegt, und zwar insbesondere im Wesentlichen auf der Seite des tetragonalen Systems. Auf diese Weise kann der piezoelektrische Körper das tetragonale System auch bei sich ändernden Einsatzbedingungen verhältnismäßig nahe an der MPB halten, sodass seine Eigenschaften in einem hervorragenden Zustand bleiben.

Die Erfindung erlaubt es daher, einen piezoelektrischen Aktuator zur Verfügung zu stellen, der auch dann eine geringe Änderung der Auslenkung zeigt, wenn der Bereich der Einsatzbedingungen von Temperatur, elektrischem Feld und Druckspannung weit ist.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zum Antrieb eines piezoelektrischen Aktuators vorgesehen, der als Antriebsquelle einen piezoelektrischen Körper verwendet, der beim Anlegen einer Spannung einer Auslenkung unterliegt, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass sich der piezoelektrische Körper so aufbaut, dass seine Kristallstruktur unter der Bedingung der im Einsatz geringsten Temperatur, des geringsten elektrischen Felds und der maximalen Druckspannung außerhalb einer morphotropen Phasengrenze (MPB) zwischen einem tetragonalen System und einem rhomboedrischen System im Wesentlichen auf der Seite des tetragonalen Systems liegt, und dass der piezoelektrische Körper unter der Bedingung von mindestens der geringsten Temperatur, mindestens des geringsten elektrischen Felds und nicht mehr als der maximalen Druckspannung angetrieben wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Antreiben des piezoelektrischen Aktuators verwendet also einen piezoelektrischen Körper, der im Einsatz unter den drei bestimmten Bedingungen eine bestimmte Kristallstruktur aufweist. Wenn der piezoelektrische Körper unter den Bedingungen von mindestens der geringsten Temperatur, mindestens dem geringsten elektrischen Feld und nicht mehr als der maximalen Druckspannung angetrieben wird, kann der piezoelektrische Körper daher stets die Kristallstruktur des tetragonalen Systems halten.

Das tetragonale System kann auch bei Änderung der Einsatzbedingungen verhältnismäßig nahe an der MPB gehalten werden, sodass die Eigenschaften des piezoelektrischen Körpers in einem hervorragenden Zustand bleiben. Dieses Antriebsverfahren minimiert daher die Änderung der Auslenkung des anzutreibenden piezoelektrischen Körpers auch dann, wenn der Bereich der Einsatzbedingungen von Temperatur, elektrischem Feld und Druckspannung weit ist.

Anhand der beigefügten Zeichnungen folgt nun eine genauere Beschreibung der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 grafisch dargestellt die Zr-Menge in der MPB, wenn bei Ausführungsbeispiel 1 Temperatur und Vorspannung geändert werden;

Fig. 2 grafisch dargestellt die Zr-Menge in der MPB, wenn bei Ausführungsbeispiel 1 Temperatur und Druckspannung geändert werden;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines piezoelektrischen Aktuators bei Ausführungsbeispiel 2;

Fig. 4 grafisch dargestellt eine Änderung der Auslenkung mit der Temperatur;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Einspritzdüse bei Ausführungsbeispiel 3; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Beispiels für einen piezoelektrischen Aktuator mit einer gegenüber den Ausführungsbeispielen 2 und 3 abgewandelten Form.

Bei der oben beschriebenen ersten Ausgestaltung der Erfindung besteht das piezoelektrische Element vorzugsweise aus einem PZT-Oxid mit einer Perovskitstruktur des ABO₃-Typs.

Es ist bekannt, dass die Eigenschaften von PZT- Materialien (PZT: PbZr_xTi_yO₃, x + y = 1, x > 0, y > 0) wie die Dielektrizitätskonstante ihren Maximalwert an der MPB zeigen. Das PZT-Material hat als Kristallstruktur eine Perovskitstruktur des ABO₃-Typs, wobei die Materialien bzw. Zusammensetzungen nahe der MPB abhängig von der Art der Elementbestandteile an den Stellen A und B, ihrer Menge und ihrem Anteil ausgebildet werden können. Allerdings ist es am gebräuchlichsten, das Molverhältnis (Zr/Ti) von Zr und Ti einzustellen, die die Stelle B bilden.

Der Begriff "Zusammensetzung nahe der MPB" steht für eine Zusammensetzung, bei der das tetragonale und rhomboedrische System in Abwesenheit von Spannung bei Zimmertemperatur und einem geringen elektrischen Feld nebeneinander vorkommen. Wenn die Abhängigkeit der Auslenkung usw. von dem Zr/Ti-Verhältnis grafisch dargestellt wird, steht dieser Begriff für einen Bereich von ±10% des Zr/Ti-Verhältnisses, das den Maximalwert ergibt.

Der Begriff "im Wesentlichen auf der Seite des tetragonalen Systems" steht für eine Zusammensetzung, bei der das Zr/Ti-Verhältnis kleiner als das Zr/Ti-Verhältnis ist, das für den Maximalwert der Auslenkung sorgt.

Durch Versuche wurde geklärt, dass sich das Zr/Ti-Verhältnis, das die Zusammensetzung nahe der MPB ergibt, auch dann, wenn die Materialzusammensetzung so festgelegt ist, das sie in Abwesenheit der Spannung bei Zimmertemperatur und einem geringen elektrischen Feld die Zusammensetzung nahe der MPB erreicht, in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld und der Druckspannung ändert.

Die Erfindung setzt daher unter Berücksichtigung sämtlicher Einsatzfaktoren wie Temperatur, elektrisches Feld und Druckspannung die Zusammensetzung des PZT- Materials fest, sodass innerhalb der beim Einsatz herrschenden Umgebungsbedingungen ein piezoelektrischer Körper mit einer äußerst geringen Änderung der Auslenkung bzw. ein den piezoelektrischen Körper verwendender piezoelektrischer Aktuator erzielt werden kann.

Der Temperaturbereich, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, liegt vorzugsweise zwischen -40 und 200°C. Diese Temperaturbedingung deckt den Einsatzbereich des piezoelektrischen Aktuators fast vollständig ab. Eine Temperatur von mehr als -40°C entspricht der üblichen Einsatztemperatur des piezoelektrischen Aktuators. Wenn allerdings die Temperatur 200°C überschreitet, nähert sich die Temperatur dem Curie-Punkt des PZT-Oxids und nimmt die Auslenkung unerwünscht ab.

Der Druckspannungsbereich, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, beträgt vorzugsweise mehr als 0 und nicht mehr als 40 MPa. Ein Maximalwert von 40 MPa reicht für den Druckspannungsbereich aus, wenn der piezoelektrische Aktuator im üblichen Rahmen eingesetzt wird.

Der Bereich des elektrischen Felds, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, liegt bei der eingesetzten Temperatur vorzugsweise zwischen dem negativen elektrischen Koerzitivfeld und 4 kV/mm.

Es soll zunächst kurz das elektrische Koerzitivfeld erläutert werden. Wenn an ein polarisiertes piezoelektrisches Material ein elektrisches Feld E angelegt wird, das entgegengesetzt zu der Feldrichtung zum Zeitpunkt der Polarisation verläuft, kommt es zu einer Depolarisation. Das negative elektrische Feld E bei einer Depolarisation von Null (0) wird als "negative elektrische Koerzitivkraft Ec" bezeichnet.

Das auf diese Weise definierte negative elektrische Feld wird dazu verwendet, den Bereich des elektrischen Felds darzustellen, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird. Wie oben angegeben ist, liegt der Bereich des elektrischen Felds bei der Einsatztemperatur vorzugsweise zwischen dem negativen elektrischen Koerzitivfeld und 4 kV/mm. Wenn das elektrische Feld bei der Einsatztemperatur geringer als die negative elektrische Koerzitivkraft ist, tritt insofern ein Problem auf, als die Auslenkung des piezoelektrischen Aktuators aufgrund von Depolarisation abnimmt. Wenn das elektrische Feld dagegen größer als 4 kV/mm ist, wird die durch Materialverzug bedingte Spannung groß und kann es zum Beispiel manchmal bei einem zu einer Einheit gesinterten piezoelektrischen Aktuator zu einem Versagen kommen.

Der Temperaturbereich für den Einsatz des piezoelektrischen Aktuators liegt vorzugsweise zwischen -40°C und dem Curie-Punkt des PZT-Oxids. Die Untergrenze der eingesetzten Temperatur liegt wie oben angegeben im Allgemeinen bei -40°C. Wenn die Temperatur allerdings höher als der Curie-Punkt ist, wird die Kristallstruktur kubisch und nimmt die Auslenkung drastisch ab.

Der Bereich des elektrischen Felds, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, kann auch zwischen 0 und 4 kV/mm liegen. Wenn der piezoelektrische Aktuator innerhalb eines Bereichs von 0 kV/mm oder mehr verwendet wird, tritt keine Depolarisation auf. Da es während der Antriebs ständig zu einer Polarisation kommt, kann der piezoelektrische Aktuator bis zu einer Temperatur nahe dem Curie-Punkt des PZT-Oxids eingesetzt werden. Wenn das elektrische Felds allerdings 4 kV/mm überschreitet, ist die durch Materialverzug entstehende Spannung so groß, dass es manchmal wie oben angesprochen im Fall eines zu einer Einheit gesinterten piezoelektrischen Aktuators zu einem Versagen kommt.

Auch bei der zweiten Ausgestaltung der Erfindung besteht der piezoelektrische Körper vorzugsweise aus dem PZT-Oxid mit der Perovskitstruktur des ABO₃-Typs.

Der Temperaturbereich für den Einsatz des piezoelektrischen Aktuators liegt aus den gleichen Gründen wie oben zwischen -40 und 200°C.

Der Druckspannungsbereich, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, beträgt aus den gleichen Gründen wie oben vorzugsweise mehr als 0 und nicht mehr als 40 MPa.

Der Bereich des elektrischen Felds, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, liegt bei der Einsatztemperatur aus den gleichen Gründen wie oben vorzugsweise zwischen dem negativen elektrischen Koerzitivfeld und 4 kV/mm.

Der Temperaturbereich für den Einsatz des piezoelektrischen Aktuators liegt vorzugsweise zwischen -40°C und dem Curie-Punkt des PZT-Oxids. Wie oben beschrieben ist, liegt die Untergrenze der Einsatztemperatur im Allgemeinen bei -40°C. Wenn die Temperatur allerdings höher als der Curie-Punkt ist, wird die Kristallstruktur kubisch und nimmt die Auslenkung drastisch ab.

Der Druckspannungsbereich, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, beträgt vorzugsweise mehr als 0 und nicht mehr als 40 MPa. Ein Maximalwert von 40 MPa ist für den Druckspannungsbereich ausreichend, wenn der piezoelektrische Aktuator im üblichen Rahmen verwendet wird.

Der Bereich des elektrischen Felds, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, kann auch zwischen 0 und 4 kV/mm liegen. Wenn der piezoelektrische Aktuator in einem Bereich von 0 kV/mm oder mehr verwendet wird, tritt keine Depolarisation auf. Da es während der Antriebs ständig zu einer Polarisation kommt, kann der piezoelektrische Aktuator bis zu einer Temperatur nahe dem Curie-Punkt des PZT-Oxids eingesetzt werden. Wenn das elektrische Feld allerdings 4 kV/mm überschreitet, ist die durch den Materialverzug entstehende Spannung so groß, dass es manchmal wie oben beschrieben im Fall eines zu einer Einheit gesinterten piezoelektrischen Aktuators zu einem Versagen kommt.

Ausführungsbeispiel 1

Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde als piezoelektrischer Körper eine PZT-Perovskitverbindung des ABO₃-Typs verwendet und die Zusammensetzung bestimmt, deren Kristallstruktur beim Einsatz des piezoelektrischen Körpers unter den Bedingungen der geringsten Temperatur, des geringsten elektrischen Felds und der maximalen Druckspannung außerhalb der morphotropen Phasengrenze (MPB) zwischen dem tetragonalen System und dem rhomboedrischen System im Wesentlichen auf der Seite des tetragonalen Systems liegt.

In dem PZT-Kristall mit der Perovskitstruktur des ABO₃- Typs wurde zunächst die Pb-Position an der Stelle A durch 9 Mol-% Sr und die (Zr,Ti)-Position an der Stelle B durch 1 Mol-% (Y: 1/2, Nb: 1/2) ersetzt. Dabei wurden PZT-Materialien mit zehn unterschiedlichen Zr/Ti- Verhältnissen (Molverhältnissen) von 48/52, 49/51, 50/50, 51/49, 52/48, 53/47, 54/46, 55/45, 56/44 und 57/43 angesetzt.

Als nächstes wurden als Ausgangspulver PbO, SrCO₃, ZrO₂, TiO₂, Y₂O₃, Nb₂O₅ und Mn₂O₃ abgewogen, so dass in jeder dieser Perovskitzusammensetzungen bezogen auf Mn₂O₃ 0,2 Gew.-% Mn enthalten war. Diese Ausgangsmaterialien wurden in einer Nasskugelmühle gemischt, und das sich ergebende Gemisch wurde bei 700 bis 900°C ein bis fünf Stunden lang kalziniert. Der sich ergebende kalzinierte Körper wurde in einer Kugelmühle pulverisiert, und dann wurde ein Bindemittel wie Wasser, Polyvinylalkohol oder dergleichen hinzugegeben und weiter gemischt. Das Gemisch wurde dann mittels eines Sprühtrockners granuliert. Das sich ergebende granulierte Pulver wurde unter einem Druck von 300 bis 1000 kgf/cm² druckgeformt und bei 1000 bis 1200°C 0,5 bis 4 Stunden lang gesintert, so dass sich als piezoelektrischer Körper ein Sinterkörper ergab.

Jeder der auf diese Weise erhaltenen Sinterkörper wurde zu einer Scheibe mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 0,2 mm verarbeitet, wobei auf beiden Endflächen durch ein bekanntes Verfahren Elektroden aus einem elektrisch leitenden Material wie Silber aufgebracht wurden.

Zur Polarisationsbehandlung wurde bei 20 bis 150°C an jede Scheibe 10 bis 60 Minuten lang eine Spannung von 2 bis 4 kV/mm angelegt.

Nachdem die Scheibe 24 Stunden ruhen gelassen worden war, wurde bei einer Druckspannung von 0 bis 40 MPa, einer Vorspannung von 0 bis 200 V (1 kV/mm) und einer Temperatur von 0 bis 200°C die elektrostatische Kapazität gemessen. Dabei wurde ein Impedanzmessgerät verwendet, um die elektrostatische Kapazität bei einer Frequenz von 1 kHz (Sinuswelle) und einer Amplitude von ±1 V zu messen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Messergebnisse.

In Fig. 1 entspricht die Abszisse der Temperatur (°C) und die Ordinate Zr (Mol-%). Während die Druckspannung konstant bei 0 MPa gehalten wurde, wurden drei Vorspannungen angelegt, um Mol-% Zr aufzutragen, bei dem die elektrostatische Kapazität einen Maximalwert erreichte.

In Fig. 2 entspricht die Abszisse der Temperatur (°C) und die Ordinate Zr (Mol-%). Während die Spannung konstant bei 0 V gehalten wurde, wurden drei Druckspannungen aufgebracht, um Mol-% Zr aufzutragen, bei dem die elektrostatische Kapazität einen Maximalwert erreichte.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, verschiebt sich die Zr-Menge, mit der die MPB erreicht wird, zu einem größeren Wert, wenn das elektrische Vorspannungsfeld zunimmt.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, verschiebt sich die Zr-Menge, mit der die MPB erreicht wird, zu einem kleineren Wert, wenn die Druckspannung zunimmt.

In den Fig. 1 und 2 ist ebenfalls zu erkennen, dass sich die Zr-Menge, mit der die morphotrope Phasengrenze (MPB) zwischen dem tetragonalen System und dem rhomboedrischen System erreicht wird, zu einem größeren Wert verschiebt, wenn die Temperatur zunimmt, und zwar ungeachtet der Werte für die Druckspannung und das elektrische Vorspannungsfeld.

Aus den obigen Beobachtungen ergibt sich, dass der piezoelektrische Körper unter der Einsatzbedingung der geringsten Temperatur, der geringsten Spannung und der höchsten Druckspannung durchaus eine Zusammensetzung nahe der MPB haben kann, um unter dieser Einsatzbedingung stets die Kristallstruktur auf der Seite des tetragonalen Systems außerhalb der MPB (in einem Bereich, in dem die Zr-Molmenge kleiner als die MPB ist) zu erreichen.

Im Folgenden wird kurz der Grund erläutert, warum die tetragonale Seite außerhalb der MPB besser ist.

Wenn der aus dem PZT-Oxid bestehende piezoelektrische Aktuator (im Folgenden ab und zu auch "PZT-Aktuator" genannt) angetrieben wird, kommt es zum Problem der Eigenerwärmung. Der piezoelektrische Umkehreffekt und der Domänenumklappeffekt führen zu einer Auslenkung des PZT- Aktuators, wobei dies wiederum Anlass zu einer Eigenerwärmung gibt. Das elektrische Feld, bei dem dieser Domänenumklappeffekt aufzutreten beginnt, liegt nahe dem oben beschriebenen elektrischen Koerzitivfeld. Um die Eigenerwärmung zu unterdrücken, liegt das elektrische Koerzitivfeld vorzugsweise weit von Null entfernt. Das PZT-Material zeigt nämlich dann den piezoelektrischen Effekt, wenn die Kristallstruktur entweder tetragonal oder rhomboedrisch ist. Ec ist beim tetragonalen Kristall im Allgemeinen etwa zweimal so groß wie beim rhomboedrischen Kristall. Die PZT-Kristallstruktur ist daher vorzugsweise stets tetragonal denn rhomboedrisch.

Ausführungsbeispiel 2

Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde unter der Voraussetzung, dass der Bereich der Einsatztemperatur zwischen -40 und 200°C, der Bereich der Druckspannung zwischen 0 und 40 MPa und der Bereich des elektrischen Felds bei der geringsten Einsatztemperatur zwischen 0 bis 4 kV/mm liegt, ein optimaler piezoelektrischer Aktuator hergestellt.

Und zwar entsprach der piezoelektrische Aktuator bei diesem Ausführungsbeispiel dem in Fig. 3 gezeigten piezoelektrischen Aktuator 1, der einen piezoelektrischen Körper 11 verwendet, der beim Anlegen einer Spannung einer Auslenkung unterliegt.

Die Kristallstruktur dieses piezoelektrischen Körpers 11 lag unter den Bedingungen der im Einsatz geringsten Temperatur, des geringsten elektrischen Felds und der maximalen Druckspannung außerhalb der morphotropen Phasengrenze (MPB) zwischen dem tetragonalen System und dem rhomboedrischen System auf der tetragonalen Seite.

Als piezoelektrischer Körper 11 wurde ein PZT-Körper verwendet, dessen Zusammensetzung unter der Bedingung, dass bei der geringsten Gebrauchstemperatur von -40°C und der maximalen Druckspannung von 40 MPa als geringstes Feld ein elektrisches Vorspannungsfeld von 0 kV/mm angelegt wurde, nahe der MPB lag.

Bei diesem PZT-Material wurde die Pb-Position an der Stelle A durch 9 Mol-% Sr und die (Zr,Ti)-Position an der Stelle B durch 1 Mol-% (Y: 1/2, Nb: 1/2 ersetzt, um ein Zr/Ti-Molverhältnis von 53/47 zu erreichen. Darüber hinaus enthielt die Perovskitzusammensetzung bezogen auf Mn₂O₃ 0,2 Gew.-% Mn.

Das PZT-Material mit dieser Zusammensetzung wurde auf die gleiche Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 zu einer Scheibe mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 0,2 mm verarbeitet.

Der piezoelektrische Körper 11 wurde auf folgende Weise aus diesem PZT-Material hergestellt. Und zwar wurden abwechselnd Innenelektrodenschichten 21 und 22 aufeinander geschichtet, um eine Keramikaufschichtung 10 auszubilden. An den Seitenflächen der Keramikaufschichtung 10 wurden dann eine Seitenelektrode 3 und eine externe Elektrode 4 angebracht, um den in Fig. 3 gezeigten piezoelektrischen Aktuator 1 auszubilden. Bei der Herstellung des piezoelektrischen Aktuators 1 lassen sich zwar verschiedene Verfahren einsetzen, doch kam bei diesem Beispiel ein Aufbau zum Einsatz, bei dem die Form des piezoelektrischen Körpers 11 tonnenförmig war. Dieser wurde als "Probekörper E2" bezeichnet.

Zum Vergleich mit diesem Ausführungsbeispiel wurde ein piezoelektrischer Aktuator ("Probekörper C1") angefertigt, der ein PZT-Material mit einer Zusammensetzung verwendete, die bei 20°C und einem geringen elektrischen Feld in Abwesenheit der Spannung nahe der MPB lag, und wurde diese auf die gleiche Weise wie oben beschrieben zu einem Schichtaufbau aufeinander geschichtet. Dabei wurde in der PZT-Zusammensetzung des Probekörpers C1 die Pb-Position an der Stelle A durch 9 Mol-% Sr und die (Zr,Ti)-Position an der Stelle B durch 1 Mol-% (Y: 1/2, Nb: 1/2) ersetzt, sodass sich ein Zr/Ti- Molverhältnis von 51,5/48,5 ergab. Darüber hinaus wurde zu dieser Perovskitzusammensetzung bezogen auf Mn₂O₃ 0,2 Gew.-% Mn hinzugegeben.

Als nächstes wurde unter der Bedingung eines Temperaturbereichs von -40 bis 165°C, einer Druckspannung von 40 MPA, eines elektrischen Felds von 0 bis 2 kV/mm und einer Frequenz von 0,1 Hz die Auslenkung der Probekörper E2 und C1 gemessen.

Fig. 4 zeigt das Ergebnis. In der grafischen Darstellung entspricht die Abszisse der Temperatur (°C) und die Ordinate der Auslenkung (µm).

Wie sich aus der graphischen Darstellung ergibt, zeigt der Probekörper E2 als Ausführungsbeispiel der Erfindung auch bei sich ändernder Temperatur eine geringere Änderung der Auslenkung als das Vergleichsbeispiel des Probekörpers C1 und hat eine flache und dadurch bessere Temperaturkennlinie.

Ausführungsbeispiel 3

Dieses Ausführungsbeispiel befasst sich mit einer Einspritzdüse, bei dem der piezoelektrische Aktuator 1 gemäß Ausführungsbeispiel 2 Anwendung finden kann.

Die in Fig. 5 gezeigte Einspritzdüse wird bei einem Commonrail-Einspritzsystem eines Dieselmotors eingesetzt.

Wie in der Zeichnung gezeigt ist, hat die Einspritzdüse 5 ein oberes Gehäuse 52 zur Aufnahme des oben beschriebenen und als Antriebsabschnitt dienenden piezoelektrischen Aktuators 1 und ein an dem unteren Endabschnitt des oberen Gehäuses 52 befestigtes unteres Gehäuse 53, das in sich einen Einspritzdüsenabschnitt 54 aufweist.

Das obere Gehäuse 52 ist wie gezeigt im Wesentlichen zylinderförmig, wobei der piezoelektrische Aktuator 1 in ein Längsloch 521 eingepasst ist, das bezüglich der Mittelachse exzentrisch ist.

An der Seite des Längsloches 521 ist parallel dazu eine Hochdruckkraftstoffleitung 522 definiert. Der obere Endabschnitt dieser Leitung 522 verläuft durch ein Kraftstoffeinlassrohr 523, das von dem oberen Abschnitt des oberen Gehäuses 52 vorragt, und steht mit einem externen (nicht in der Zeichnung gezeigten) Commonrail in Verbindung.

Oberhalb des oberen Gehäuses 52 ragt ein mit einer Ablaufleitung 524 in Verbindung stehendes Kraftstoffauslassrohr 525 vor. Der aus dem Kraftstoffauslassrohr 525 strömende Kraftstoff wird zu einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank zurückgeführt.

Die Ablaufleitung 524 steht über eine nicht gezeigte Leitung, die durch einen Zwischenraum zwischen dem Längsloch 521 und dem piezoelektrischen Aktuator 1 und von dort aus innerhalb des oberen und unteren Gehäuses 52 und 53 nach unten verläuft, mit einem später beschriebenen Dreiwegeventil 551 in Verbindung.

Der Einspritzdüsenabschnitt 54 weist eine innerhalb eines Kolbenkörpers 531 nach oben und unten gleitende Düsennadel 541 und ein Einspritzloch 543 auf, das durch die Düsennadel 541 geöffnet und geschlossen wird, um in jeden Zylinder des Motors den von einem Kraftstoffspeicher 542 zugeführten Hochdruckkraftstoff einzusprühen. Der Kraftstoffspeicher 542 umgibt den Mittelteil der Düsennadel 541, wobei sich ein unterer Endabschnitt der Hochdruckkraftstoffleitung 522 in diesen Kraftstoffspeicher 542 öffnet. Die Düsennadel 541 nimmt in Ventilöffnungsrichtung den Kraftstoffdruck von dem Kraftstoffspeicher 542 und in Ventilschließrichtung den Kraftstoffdruck von einer ihrer oberen Endfläche zugewandten Gegendruckkammer 544 auf. Wenn der Druck der Gegendruckkammer 544 fällt, steigt die Düsennadel, so dass das Einspritzloch 543 geöffnet und der Kraftstoff eingespritzt wird.

Das Dreiwegeventil 551 erhöht oder senkt den Druck der Gegendruckkammer 544. Das Dreiwegeventil 551 verbindet die Gegendruckkammer 544 selektiv mit der Hochdruckleitung 522 oder der Ablaufleitung 524. Das Dreiwegeventil 551 weist einen kugelförmigen Ventilkörper auf, um eine mit der Hochdruckkraftstoffleitung 522 oder der Ablaufleitung 524 in Verbindung stehende Öffnung zu öffnen und zu schließen. Der oben beschriebene Antriebsabschnitt 1 betätigt diesen Ventilkörper über einen Kolben großen Durchmessers 552, eine Öldruckkammer 553und einen Kolben geringen Durchmessers 544, die unterhalb des Antriebsabschnitts 1 angeordnet sind.

Die Einspritzdüse 5 mit diesem Aufbau wird in ein mit einem Dieselmotor ausgestattetes Kraftfahrzeug eingebaut und in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt. Die Auslenkungsgenauigkeit des piezoelektrischen Aktuators 1 in dieser Einspritzdüse 5 hat einen großen Einfluss auf das Leistungsvermögen des Dieselmotors. Die Auslenkung ist daher vorzugsweise über den gesamten Temperaturbereich präzise.

Der piezoelektrische Aktuator 1 gemäß Ausführungsbeispiel 2 ist für solche Einspritzdüsen bestens geeignet, hat ein hervorragendes Leistungsvermögen und trägt in einem großen Umfang dazu bei, das Leistungsvermögen der Einspritzdüse 5 zu verbessern.

Der piezoelektrische Aktuator hat in den Ausführungsbeispielen 2 und 3 einen tonnenförmigen Querschnitt. Aber natürlich kann er auch einen wie in Fig. 6 gezeigten achteckigen Querschnitt haben.

Claims

1. Piezoelektrischer Aktuator (1), der als Antriebsquelle einen piezoelektrischen Körper (11) verwendet, der beim Anlegen einer Spannung einer Auslenkung unterliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallstruktur des piezoelektrischen Körpers (11) unter den Bedingungen der im Einsatz geringsten Temperatur, des geringsten elektrischen Felds und der maximalen Druckspannung außerhalb einer morphotropen Phasengrenze (MPB) zwischen einem tetragonalen System und einem rhomboedrischen System im Wesentlichen auf der Seite des tetragonalen Systems liegt.

2. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1, bei dem der piezoelektrische Körper (11) ein PZT-Oxid mit einer Perovskitstruktur des ABO₃-Typs ist.

3. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 2, bei dem der Bereich der Temperatur, in dem der piezoelektrische Körper eingesetzt wird, zwischen -40 und 200°C liegt.

4. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 2, bei dem der Bereich der Druckspannung, in dem der piezoelektrische Körper eingesetzt wird, mehr als 0 und nicht mehr als 40 MPa beträgt.

5. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 2, bei dem der Bereich des elektrischen Felds, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, bei der eingesetzten Temperatur zwischen dem negativen Koerzitivfeld und 4 kV/mm liegt.

6. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 2, bei dem der Bereich des elektrischen Felds, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, zwischen -40°C und dem Curie-Punkt des PZT-Oxids liegt.

7. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 6, bei dem der Bereich der Druckspannung, in dem der piezoelektrische Körper eingesetzt wird, mehr als 0 und nicht mehr als 40 MPa beträgt.

8. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 2, bei dem das Bereich des elektrischen Felds, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, zwischen 0 und 4 kV/mm liegt.

9. Verfahren zum Antrieb eines piezoelektrischen Aktuators (1), der als Antriebsquelle einen piezoelektrischen Körper (11) verwendet, der beim Anlegen einer Spannung einer Auslenkung unterliegt, dadurch gekennzeichnet, dass
der piezoelektrische Körper (1) so aufgebaut ist,
dass seine Kristallstruktur unter den Bedingungen der im Einsatz geringsten Temperatur, des geringsten elektrischen Felds und der maximalen Druckspannung außerhalb einer morphotropen Phasengrenze (MPB) zwischen einem tetragonalen System und einem rhomboedrischen System im Wesentlichen auf der Seite des tetragonalen Systems liegt; und
der piezoelektrische Körper unter den Bedingungen von mindestens der geringsten Temperatur, mindestens des geringsten elektrischen Felds und nicht mehr als der maximalen Druckspannung betrieben wird.

10. Verfahren zum Antrieb eines piezoelektrischen Aktuators nach Anspruch 9, bei dem der piezoelektrische Körper (11) ein PZT-Oxid mit einer Perovskitstruktur des ABO₃-Typs ist.

11. Verfahren zum Antrieb eines piezoelektrischen Aktuators nach Anspruch 9, bei dem der Bereich der Temperatur, in dem der piezoelektrische Körper eingesetzt wird, zwischen -40 und 200°C liegt.

12. Verfahren zum Antrieb eines piezoelektrischen Aktuators nach Anspruch 9, bei dem der Bereich der Druckspannung, in dem der piezoelektrische Körper eingesetzt wird, mehr als 0 und nicht mehr als 40 MPa beträgt.

13. Verfahren zum Antrieb eines piezoelektrischen Aktuators nach Anspruch 9, bei dem der Bereich des elektrischen Felds, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, bei der eingesetzten Temperatur zwischen dem negativen Koerzitivfeld und 4 kV/mm liegt.

14. Verfahren zum Antrieb eines piezoelektrischen Aktuators nach Anspruch 9, bei dem der Bereich des elektrischen Felds, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, zwischen -40°C und dem Curie-Punkt des PZT-Oxids liegt.

15. Verfahren zum Antrieb eines piezoelektrischen Aktuators nach Anspruch 10, bei dem der Bereich der Druckspannung, in dem der piezoelektrische Körper eingesetzt wird, mehr als 0 und nicht mehr als 40 MPa beträgt.

16. Verfahren zum Antrieb eines piezoelektrischen Aktuators nach Anspruch 9, bei dem der Bereich des elektrischen Felds, in dem der piezoelektrische Aktuator eingesetzt wird, zwischen 0 und 4 kV/mm liegt.