DE10353171A1

DE10353171A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE10353171A1
Application number: DE10353171A
Authority: DE
Inventors: Bertram Sugg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2005-06-16
Also published as: WO2005053046A1; JP2006527486A; US20070046148A1; US7402937B2; EP1687854A1; KR20060125750A; CN1879231A

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, bei dem der Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) versehen ist und in einem piezoelektrisch aktiven Bereich (A) über zwischen den Lagen angeordneten Innenelektroden (3, 4) mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist. Es sind inaktive Bereiche (B, C) im Lagenaufbau des Piezoaktors (1) vorhanden, wobei mindestens der Kopf- oder der Fußteil als inaktive Bereiche (B, C) ohne Innenelektroden aus einem Material gebildet ist, dessen Dielektrizitätskonstante (epsilon'¶33¶) geringer ist als die Dielektrizitätskonstante (epsilon¶33¶) des aktiven Bereichs (A).

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

Es ist beispielsweise aus der DE 199 28 189 A1 bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement zur Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.

Aufgrund des extrem schnellen und genau regelbaren Hubeffektes können solche Piezoaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuer te Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Steuerventils genutzt, das wiederum den Hub einer Düsennadel regelt.

Da die erforderlichen elektrischen Feldstärken zur Betätigung des Piezoaktors im Bereich von mehreren kV/mm liegen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, erfolgt der Aufbau dieses Piezoaktors hier in mehreren Schichten von übereinandergestapelten metallisierten Piezokeramiken zu einem sog. Multilayer-Aktor. Hierzu sind jeweils zwischen den Schichten Innenelektroden vorhanden, die z.B. mit einem Druckverfahren aufgebracht werden, und es sind Außenelektroden vorhanden, über die die elektrische Spannung angelegt wird. Ein typisches Verfahren zum Herstellen solcher Schichten besteht in der Foliengießtechnik. Die einzelnen Schichten werden dabei zur Herstellung der Innenelektroden metallisiert und übereinandergestapelt, wobei dann zwischen zwei Schichten mit Innenelektroden unterschiedlicher Polarität sich der Piezoeffekt auswirkt.

Am Kopf- und Fußbereich fehlen jedoch in der Regel die Innenelektroden, da zum einen zu den Stirnflächen hin eine gewisse Isolationstrecke nötig ist um Kurzschlüsse nach außen hin zu vermeiden und zum anderen werden passive Zonen zum elektrischen Anschluss der Außenelektroden genutzt. Auch können passive Bereich inmitten des Piezoaktors vorhanden sein. Es besteht hier jedoch das Problem, dass diese passive Schichten als Deckpakete parasitäre oder Störkapazitäten gegenüber der elektrischen Masse darstellen, die im Kraftfahrzeug oder sonstigen Anwendungen zu elektromagnetischer Abstrahlung führen können.

Für sich gesehen ist aus der DE 100 25 998 A1 bekannt, dass an beiden Enden des Lagen- oder Schichtaufbaus passive, in der Länge veränderbare passive Bereiche angeordnet sind. Bei diesem bekannten Piezoaktor bestehen zum einen die passiven Schichten aus dem gleichen Keramikmaterial wie der aktive Bereich, allerdings mit elektrisch einseitig oder gar nicht kontaktierten Außenelektroden, so dass auch die inaktiven Bereiche mit den Innenelektroden-Metallschichten durchsetzt sind. Andererseits kann der jeweilige inaktive Bereich auch ein vollständiger elektrisch isolierter Metall- oder Keramikblock sein, der beispielsweise auf den piezoelektrisch aktiven Bereich einfach aufgeklebt werden kann.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor ist, wie erwähnt, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und in einem piezoelektrisch aktiven Bereich mit zwischen den Lagen angeordneten Innenelektroden aufgebaut und ist mit einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innenelektroden, zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, versehen. Es ist weiterhin mindestens ein inaktiver Bereich, z.B. ein Fuß- und/oder Kopfteil als Deckpakete, an einem Ende oder auch innerhalb des aktiven Bereichs im Bereich der Gesamteinbaulänge im Lagenaufbau des Piezoaktors vorhanden.

In vorteilhafter Weise ist beim erfindungsgemäßen Piezoaktor die Dielelektrizitätskonstante mindestens des Kopf- oder des Fußteils als inaktive Bereiche geringer als die Dielelektrizitätskonstante des aktiven Bereichs. Vorzugsweise sind die inaktiven Bereiche und der aktive Bereich aus einer gleichen keramischen Grundsubstanz hergestellt, wobei in den inaktiven Bereichen zusätzliche Dotierstoffe derart eingefügt sind, dass sich hier eine minimale Dielelektrizitätskonstante ergibt. Die Grundsubstanz ist beispielsweise Bleizirkonattitanat (PZT) und der Dotierstoff ist Silber.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Schichtdicken der inaktiven Bereiche am Kopf- und/oder Fußteil gleich. Nach einer anderen Ausführungsform werden die inaktiven Bereiche aus einer elektrisch gepolten Keramik mit einem derart angelegten elektrischen Feld gebildet, dass sich eine minimale Dielelektrizitätskonstante ergibt.

Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass zunächst der aktive Bereich des Piezoaktors mit einer vorgegebenen Piezokeramik unangetastet bleibt, das heißt, dass Kenngrößen wie Leerlaufhub, Blockierkraft etc. des aktiven Stellelements unverändert bleiben. Durch die erfindungsgemäße Materialauswahl, die Geometrie oder den Polungszustand der Deckpakete am Kopf- und/oder Fußteil lässt sich dann die parasitäre Kapazität C_para am Kopf- und/oder Fußteil minimieren.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoaktors wird anhand der Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und aktiven und inaktiven Bereichen,
2 ein elektrisches Ersatzschaltbild der am Piezoaktor auftretenden Kapazitäten bei einer Anbindung der inaktiven Bereiche an Innelektroden des aktiven Bereichs mit gleicher Polarität,
2 ein elektrisches Ersatzschaltbild der am Piezoaktor auftretenden Kapazitäten bei einer Anbin dung der inaktiven Bereiche an Innelektroden des aktiven Bereichs mit ungleicher Polarität und
3 einen Verlauf der parasitären Kapazitäten bei bestimmten Verhältnissen der Schichtdicken der inaktiven Bereiche.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezolagen 2 eines Keramikmaterials, z.B. sogenannte Grünfolien, mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Gleichspannung an Innenelektroden 3 und 4 über außen kontaktierte Elektroden 5 und 6 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt.
Der Piezoaktor 1 ist in einen piezoelektrisch aktiven Bereich A und zwei am Kopf- und am Fußende angebrachte inaktive bzw. passive Bereiche B und C als Deckpakete aufgeteilt. Aktiv wird in diesem Zusammenhang ein Bereich bezeichnet, der von den Innelektroden 3 und 4 wechselnder Polarität durchsetzt ist und letztendlich also zu der für den Betrieb gewollten Längsgesamtdehnung des Piezoaktors 1 beiträgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird der Multilayer-Piezoaktor 1 in der Art aufgebaut, dass die Materialzusammensetzungen der Keramikschichten im aktiven Bereich A und in den passiven Bereichen B und C sich unterscheiden. Es sind somit an sich für die Grünfolienherstellungen zwei Keramiksorten notwendig. Dies können zum Beispiel verschieden aufbereitete Keramiksorten sein, z.B. auf einer Basis von Bleizirkonattitanat (PZT). Diese oder andere Keramiken auf einer gemeinsam basierenden Grundsubstanz können durch Hinzufügen geeigneter Dotierstoffe, z.B. Silber, entsprechend verändert und angepasst werden.
Die Keramik im aktiven Bereich A besitzt eine Dielektrizitätskonstante von ε₃₃. Die Dielektrizitätskonstante ε'₃₃ des Bereichs B oder C ist dabei so gewählt, dass die Beziehung ε'₃₃ « ε₃₃ gilt. Die Keramik der Bereiche B und C nach der 1 wird dann derart ausgewählt oder modifiziert, dass auf jeden Fall die Dielektrizitätskonstante ε'₃₃ minimiert ist.
Die parasitären Kapazitäten C_B und C_C der Bereiche B oder C bestimmen sich demnach in Abhängigkeit von den Schichtdicken d_B und d_C zu CB,C = ε0·ε'33·A/dB,C mit ε0 = 8,85·10–12·AS/Vm (1),wobei A dabei die aktive Fläche darstellt.
Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel schließt dabei die Möglichkeiten ein, dass die letzte angebundene Innenelektrodenschicht 3 oder 4 zum Kopfteil B und zum Fußteil C Fußseite hin in gleicher oder unterschiedlicher Polarität gewählt werden kann.
Im ersten Fall ergibt sich das Ersatzschaltbild nach 2, im zweiten Fall ergibt sich das Ersatzschaltbild nach 3, wobei je nach elektrischer Abstimmung des Aufbaus des Piezoaktors 1 eine der beiden Varianten vorteilhafter sein kann.
Im Falle der Anbindung der Innenelektroden 3 oder 4 nach der 2 gibt es noch eine weitere Optimierungsmöglichkeit um die parasitäre Kapazitäten C_B und C_C zu minimieren. Da in der Regel die Piezoaktoren 1 eine festgelegte Gesamtlänge aufweisen, steht für den jeweiligen passiven Bereich B oder C eine gewisse Länge d_B + d_C = d_ges zur Verfügung. Es ergibt sich somit der in 4 dargestellte Verlauf 10 der parasitären Kapazitäten C_B und C_C als C_para. Wählt man insbesondere d_B = d_C = d_ges/2 erhält man für C_para = C_B + C_C ein Minimum.
Die hier vorgestellte Erfindung schleißt somit ausdrücklich einen Piezoaktor 1 mit symmetrischen Deckpaketen B und C am Kopf- und Fußteil mit ein. Die Minimierung durch diesen geometrischen Effekt funktioniert insbesondere auch dann, wenn die Deckpakete B und C aus dem gleichem Keramikmaterial sind, wie der aktive Bereich A.
Eine weiterer hier nicht in den Figuren dargestellter Aspekt betrifft die Anpassung der parasitären Kapazität C_para durch ein zumindest teilweise Polung der Deckpakete B und C. Will man für eine besondere elektrische Abstimmung einen gewissen Kapazitätswert C_para an den Deckpaketen B und C einstellen, so kann dies über eine Anpassung der Dielektrizitätskonstante ε'₃₃ und insbesondere über den Polungszustand der Deckpakete B und C erfolgen. Da unpolarisierte Keramik eine etwa nur halb so große Dielektrizitätskonstante besitzt wie eine gepolte Keramik, kann durch eine Anlage eines passenden elektrische Feldes die parasitäre Kapazität C_para quasi getunt werden.

Claims

Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und einem piezoelektrisch aktiven Bereich (A) zwischen den Lagen angeordneten Innenelektroden (3, 4), die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und mit – inaktiven Bereichen (B, C) ohne Innenelektroden am Kopf- und Fußteil des Piezoaktors (1), dadurch gekennzeichnet, dass – die Dielelektrizitätskonstante (ε'₃₃) mindestens des Kopf- oder des Fußteils als inaktive Bereiche (B, C) geringer ist als die Dielelektrizitätskonstante (ε₃₃) des aktiven Bereichs (A).
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die inaktiven (B, C) Bereiche und der aktive Bereich (A) aus einer gleichen keramischen Grundsubstanz her gestellt sind, wobei in den inaktiven Bereichen (B, C) zusätzliche Dotierstoffe derart eingefügt sind, dass sich eine minimale Dielelektrizitätskonstante (ε'₃₃) ergibt.
Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Grundsubstanz Bleizirkonattitanat (PZT) und der Dotierstoff Silber ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schichtdicken (d_B, d_C) der inaktiven Bereichen (B, C) gleich sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die inaktiven Bereichen (B, C) aus einer elektrisch gepolten Keramik mit einem derart angelegten elektrischen Feld gebildet sind, dass sich eine minimale Dielelektrizitätskonstante (ε'₃₃) ergibt.