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Die
Erfindung betrifft eine piezoelektrische Stellgliedvorrichtung,
und zwar insbesondere, aber nicht ausschließlich eine piezoelektrische
Stellgliedvorrichtung, die sich für die Verwendung in Kraftstoffeinspritzventilen
von Verbrennungsmotoren eignen.
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Bekannte
piezoelektrische Einspritzventile verwenden typischerweise piezoelektrische
Stellglieder mit einem Stapel piezoelektrischer Elemente, die mechanisch
in Reihe angeordnet sind, um ein Einspritzventil zur Dosierung von
in den Motor einzuspritzendem Kraftstoff zu öffnen und zu schließen. Es ist
bekannt, das piezoelektrische Stellglied in einer Kammer anzuordnen,
die Kraftstoff mit Einspritzdrücken
enthält,
um die Bewegung einer Ventilnadel entweder durch mechanische oder
hydraulische Kopplung zu steuern. Ein Beispiel eines piezoelektrischen Kraftstoffeinspritzventils
ist in dem US-Patent Nr. 6520423 offenbart. Insbesondere für solche
Anwendungen besitzen bekannte piezoelektrische Stellgliedvorrichtungen
eine Reihe von Beschränkungen.
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Ein
typisches mehrschichtiges Stellglied oder ein solcher Stapel ist
in 1 gezeigt. Er umfasst im Allgemeinen einen rechteckigen
Stapelkörper 12 mit
einer ersten äußeren Oberfläche 14 und einer
zweiten solchen Oberfläche 16,
die einander gegenüber
liegen, sowie, damit verbunden, einen ersten und einen zweiten äußeren Leiter 18, 20.
Der Körper 12 umfasst
eine Mehrzahl von relativ dünnen piezoelektrischen
Elementen oder Schichten 22, deren jedes) von benachbarten
Elementen 22 durch eine Innenelektrode 24 beabstandet
bzw. getrennt ist. Jeweils jede zweite der Innenelektroden 24 ist elektrisch
mit dem ersten äußeren Leiter 18 beziehungsweise
dem zweiten äußeren Leiter 20 verbunden,
so dass zwei Gruppen von Elektroden vorhanden sind, wobei die Elektroden
der einen Gruppe kammartig in Eingriff mit den Elektroden der anderen Gruppe
liegen.
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Nun
sei auf 2 verwiesen. Eine Spannung wird
zwischen den beiden äußeren Leitern 18, 20 angelegt,
wodurch ein benachbartes Paar von Innenelektroden 24, die
ein piezoelektrisches Element 22 sandwichartig umgeben,
in Wechselwirkung miteinander stehende Leiter entgegengesetzter
Polarität
werden und ein elektrisches Feld auf das genannte Element 22 aufbringen.
Da jedes Element eine typische Dicke von rund 100 μm besitzt,
kann mit Hilfe einer angelegten Spannung von 200 V eine ausreichende
elektrische Feldstärke
von beispielsweise 2 kV/mm zwischen den Elektroden 24 erhalten werden. Auf
Grund der alternierenden Polarität
der zwischen den Innenelektroden 24 erzeugten elektrischen
Feldern alterniert auch die Polungsrichtung der Elemente 22 über die
Struktur des Stellglieds hinweg.
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Obwohl
es gelungen ist, bei existierenden mehrschichtigen piezoelektrischen
Stellgliedern die erforderlichen Arbeitsspannungen zu senken, besitzen
diese verschiedene damit verbundene Probleme, die nachstehend diskutiert
werden.
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Zwischen
einem äußeren Leiter
und einer Innenelektrode entgegengesetzter Polarität muss eine elektrische
Isolierung sichergestellt sein, um es zu ermöglichen, dass sich ein elektrisches
Feld in dem sandwichartig geschichteten Material ausbildet. Die Isolierung
der beiden Elektrodengruppen wird üblicherweise dadurch erreicht,
dass jede Elektrode einer entsprechenden Gruppe kurz vor dem Leiter
entgegengesetzter Polarität
endet. Wie man aus den 3, 4a und 4b ersehen
kann, ist jedes piezoelektrische Element 22 über mindestens
einen Teil seiner Oberfläche
mit einer Elektrode 24 bedeckt, wobei ein Rand 26 verbleibt,
an welchem das Element 22 unbedeckt bleibt. Beim Bilden
eines Stapels 12 sind die Ränder 26 benachbarter
Elemente 22 an gegenüberliegenden
Seiten des Stapels 12 angeordnet und erzeugen "inaktive Zonen" 28 in dem
mehrschichtigen Stapel 12, die während des Betriebs keinem elektrischen
Feld ausgesetzt werden. Es ist wünschenswert,
die Größe der inaktiven
Zonen 28 zu minimieren, weil die durch das elektrische
Feld jedem Element 22 zugeführte Energie teilweise durch
die inaktiven Zonen 28 vergeudet wird, und deshalb steigt der
maximale Hub (die maximale Längenänderung) des
Stapels 12 mit einem größeren aktiven
Bereich. Ein Rand 26 muss jedoch notwendigerweise zwischen
dem endständigen
Rand einer Innenelektrode 24 einer ersten Polarität und einer äußeren Elektrode 18, 20 entgegengesetzter
Polarität
beibehalten werden, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
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Da
darüber
hinaus nur das einem angelegten elektrischen Feld unterworfene Material
mit einer piezoelektrischen Dehnung reagiert, entsteht eine Dehnungs-Diskontinuität an der
Grenzfläche
zwischen den aktiven und inaktiven Bereichen, was zu Rissen führen kann,
die sich an den Enden der kammartig ineinander greifenden Elektroden 24 bilden und
sich weg von ihnen fortpflanzen. Die Risse können die strukturelle Integrität des Stellglieds
nachteilig beeinflussen und dessen Zuverlässigkeit und Betriebsdauer
mindern. Darüber
hinaus ist es notwendig, die Abmessungen der Ränder 26 während der Herstellung
zu kontrollieren, da ungleichmäßige Ränder 26 zu
einer Asymmetrie von inaktiven Zonen 28 auf einander gegenüber liegenden
Seiten des Stapels 12 führen
können,
was Biegemomente und dadurch eine weitere Spannung innerhalb des
Stapels 12 während
des Betriebs verursacht.
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Risse
können
sich auch ausgehend vom Punkt des Kontakts zwischen der Innenelektrode 24 und
den äußeren, Strom
leitenden Elementen 28, 20 nach innen fortpflanzen.
Dies tritt auf, wenn das Material durch Mikrorisse geschwächt ist,
die von den legierenden Effekten der Zusammensetzungen der Innenelektroden
und der äußeren leitenden
Elemente 18, 20 während der Herstellung verursacht
werden.
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Den
Stellgliedern der beschriebenen Art ist die Notwendigkeit gemeinsam,
die seitlich befestigten Leiter 18, 20 mit einer
Stromquelle zu verbinden. Es entstehen Schwierigkeiten beim Versuch,
eine angemessene elektrische Verbindung zu erreichen, während eine
ausreichende Isolierung des gesamten Stapels 12 erhalten
bleiben soll. Außerdem
muss ein elektrischer Verbinder in irgendeiner Gestalt in dem zusammengebauten
Einspritzventil untergebracht werden, was sowohl den für das Stellglied
selbst verfügbaren
Raum verringert als auch die Komplexität und damit die Kosten der
zusammengebauten Vorrichtungen im Ganzen vergrößert.
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Als
Hintergrund der vorliegenden Erfindung beschreibt
US 4,471,256 ein piezoelektrisches
Stellglied, das eine Lamination piezoelektrischer Platten aufweist,
an die während
des Betriebs eine Spannung angelegt wird. Das piezoelektrische Stellglied umfasst
zwei Öffnungen
in Längsrichtung,
durch welche sich ein entsprechender Elektrodenstab erstreckt. Die
Elektrodenstäbe
dienen dazu, die Ladung an die Elektrodenschichten innerhalb des
piezoelektrischen Stellglieds zu verteilen.
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JP 2192186 beschreibt ein
piezoelektrisches Stellglied, das laminierte piezoelektrische Elemente umfasst,
wobei jedes Element eine auf jede Seite des Elements aufgebrachte
leitfähige
Schicht aufweist. Zwei Längsbohrungen
erstrecken sich durch das Stellglied, wobei jede Bohrung einen leitenden
Stift aufnimmt. Die leitenden Stifte dienen dazu, Ladung an die
leitfähigen
Schichten zwischen jedem piezoelektrischen Element zu verteilen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Stellgliedvorrichtung
bereitzustellen, die einige der vorgenannten Nachteile vermeidet
oder zumindest abmildert und darüber
hinaus, die Komplexität
der Herstellung und damit die Kosten einer solchen Vorrichtung zu
verringern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine piezoelektrische Stellgliedvorrichtung mit einem
Stapel aus einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen, die
eine äußere Stapelgrenze
bilden, und einem Mittel zum Anlegen einer Spannung quer über das
eine oder die mehreren piezoelektrischen Elemente bereitgestellt,
worin das Mittel umfasst: ein Elektrodenpaar (Elektrode und Gegenelektrode),
einen ersten und einen zweiten Kanal, die innerhalb der äußeren Stapelgrenze
angeordnet sind, und ein positives und ein negatives Leiterelement,
die in dem ersten beziehungsweise in dem zweiten Kanal aufgenommen
sind. Die Leiterelemente umfassen ein Material oder bestehen aus
einem solchen Material, welches mindestens für eine Zeitdauer des Stellgliedbetriebs
das Verhalten einer Flüssigkeit
zeigt.
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Das
Material der Leiterelemente kann so gewählt sein, dass es bei der Betriebstemperatur
des Stellglieds (typischerweise zwischen 100°C und 150°C oder in dem Bereich um diese
Werte herum) flüssig
wird.
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Alternativ
kann das Material der Leiterelemente unter solchen ausgewählt werden,
die bei Raumtemperatur das Verhalten einer Flüssigkeit zeigen.
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Das
positive und das negative Leiterelement sind in dem ersten beziehungsweise
dem zweiten Kanal aufgenommen, so dass Kontakt mit dem Elektrodenpaar
aus Elektrode und Gegenelektrode hergestellt werden kann.
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Vorzugsweise
umfasst der Stapel eine Mehrzahl an piezoelektrischen Elementen,
wobei benachbarte Elemente eine gemeinsame Elektrode teilen und
der erste und der zweite Kanal durch Öffnungen in den piezoelektrischen
Elementen und den entsprechenden Elektroden gebildet werden.
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Die
piezoelektrische Stellgliedvorrichtung ist von besonderem Vorteil,
wenn sie in einem Kraftstoffeinspritzventil verwendet wird. Da die
Leiterelemente innerhalb des Stapels angeordnet sind, sind sie vor hohem
Druck und einer feuchtigkeitshaltigen Umgebung geschützt, was
Korrosion und eine sich nachteilig auswirkende Belastung der Leiterelemente
verhindert. Darüber
hinaus werden Probleme, die an der elektrischen und mechanischen
Grenzfläche
zwischen den Elektroden und Leiterelementen auf Grund von Metallermüdung auftreten,
vermieden, weil die Leiterelemente in der Lage sind, zumindest während einer
Zeitdauer des Stellgliedbetriebs das Verhalten einer Flüssigkeit zu
zeigen. Außerdem können die
Schwierigkeiten vermieden werden, die mit der Isolierung eines Stapels
mit äußeren Leitern verbunden
sind.
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Vorzugsweise
sind die Öffnungen
einer ersten Gruppe alternierender Elektroden so gestaltet, dass
sie sich in elektrischem Kontakt mit dem positiven Leiterelement
befinden, und die Öffnungen
einer zweiten Gruppe der restlichen alternierenden Elektroden sind
so gestaltet, dass sie sich in elektrischem Kontakt mit dem negativen
Leiterelement befinden. Deshalb wird ein elektrisches Feld in jedem
piezoelektrischen Element erzeugt, und dessen Polarität wechselt
zwischen aufeinander folgenden Elementen.
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Ebenfalls
bevorzugt sind die Elektroden eines jeden Paars eben und relativ
zueinander parallel, und die Leiterelemente schneiden die Elektroden
im Wesentlichen im rechten Winkel zu der Ebene der Elektroden.
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Das
Anordnen der Leiterelemente innerhalb der äußeren Stapelgrenze (oder mit
anderen Worten: innerhalb des Stapels) in dieser Weise verhindert, dass
sich inaktive Zonen an gegenüberliegenden
Außenflächen des
Stapels befinden, wie es beim Stand der Technik gewöhnlich der
Fall ist. Dies hat zur Folge, dass die Wirkungen der inaktiven Zonen,
die die aktiven Zonen "einklemmen", beispielsweise
das Ausbilden von Rissen in den Elementen und eine Verbiegung des
Stapels, großenteils
vermieden werden können.
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Während es
ins Auge gefasst ist, dass die Öffnungen
(d. h. die Kanäle)
im Wesentlichen kreisförmig
sein können,
können
sie alternativ polygonal (beispielsweise quadratisch oder rechteckig)
sein. In ähnlicher
Weise können
die Öffnungen,
auch wenn sie vorzugsweise auf einer Symmetrieachse einer Elektrode
angeordnet sind, versetzt zu dieser Achse angeordnet sein. Dies
ermöglicht
Gestaltungsfreiheit bei der Wahl der Form einer piezoelektrischen
Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Die
Erfindung wird nachstehend rein beispielhaft unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, worin:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer bekannten piezoelektrischen Stellgliedvorrichtung
ist;
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2 eine
schematische Seitenansicht der piezoelektrischen Stellgliedvorrichtung
der 1 ist;
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3 eine
Seitenansicht der piezoelektrischen Stellgliedvorrichtung gemäß 1 ist;
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die 4a und 4b Ansichten
der piezoelektrischen Stellgliedvorrichtung gemäß 3 im Schnitt
durch die Linien A-A und B-B sind, die zwei aufeinander folgende
Innenelektrodenschichten zeigen;
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5 eine
Ansicht einer anderen piezoelektrischen Stellgliedvorrichtung im
Schnitt ist;
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6 eine
vergrößerte Seitenansicht
der piezoelektrischen Stellgliedvorrichtung der 5 ist;
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die 7a und 7b Ansichten
der piezoelektrischen Stellgliedvorrichtung der 6 im Schnitt
durch die Linien A-A und B-B sind, die zwei aufeinander folgende
Innenelektrodenschichten zeigen;
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8 eine
vergrößerte Seitenansicht
einer piezoelektrischen Stellgliedvorrichtung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
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9 eine
vergrößerte Seitenansicht
einer piezoelektrischen Stellgliedvorrichtung einer weiteren alternativen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Zuerst
sei auf die 5 und 6 verwiesen.
Darin ist eine piezoelektrische Stellgliedvorrichtung 30 mit
einem Stapel 31 aus piezoelektrischen Elementen gezeigt,
die eine Stapelgrenze bilden und mit einem ersten und einem zweiten,
sich längs
erstreckenden Kanal oder Durchtritt 32, 34 versehen sind,
die sich innerhalb der Stapelgrenzen zur Aufnahme von Leiter-Mitteln
befinden. Die Mittel zum Leiten umfassen stabartige Leiterelemente 36a, 36b, die
sich jeweils durch einen entsprechenden Kanal 32, 34 erstrecken.
Der Stapel 31 umfasst ein erstes Endstück 38 und ein zweites
Endstück 40 und
eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen oder Schichten 42,
wobei benachbarte Elemente 42 durch Innenelektroden 44a, 44b voneinander
beabstandet sind, die so angeordnet sind, dass sie sich im Wesentlichen
parallel zu den dem ersten und dem zweiten Endstück 38, 40 der
Vorrichtung 30 erstrecken. Das erste Endstück 38 besitzt
die Gestalt einer Abdeckung, und das zweite Endstück 38 besitzt
die Gestalt einer Platte oder einer Fliese oder Kachel. Alternierende
Elektroden 44a, 44b bilden eine erste Gruppe von
Elektroden, und die verbleibenden alternierenden Elektroden bilden
eine zweite Gruppe von Elektroden, wodurch sich die Elektroden 44a der
ersten Gruppe in elektrischer Verbindung mit dem ersten Leiterelement 36a befinden
und die Elektroden 44b der zweiten Elektrodengruppe in
elektrischer Verbindung mit dem zweiten inneren Leiterelement 36b befinden.
Beide Endstücke 38, 40,
das erste und das zweite, sind an den Enden des Stapels 31 angeordnet
und umschließen
die Leiterelemente 36a, 36b innerhalb des Stapels 31,
und damit dichten sie den Stapel 31 gegen beispielsweise
unter hohem Druck stehenden Kraftstoff ab.
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Die
Leiterelemente 36a, 36b erstrecken sich entlang
der Länge
des Stapels 31 und ragen durch das erste Endstück 38 hindurch,
wobei die Enden der Leiter 36a, 36b zur Befestigung
an einem geeigneten elektrischen Verbinder (nicht gezeigt) vorgesehen sind.
In dieser Ausführungsform
sind das erste und das zweite Stück 38, 40 aus
demselben Material wie die piezoelektrischen Elemente 42 gebildet
und werden im Anschluss an die Herstellung ein integraler Bestandteil
des Stapels 31. Die Stücke 38, 40 geben dem
Stapel auf diese Art und Weise Halt, so dass der Stapel hohen Drücken widerstehen
kann. Es sollte jedoch klar sein, dass alternativ ein anderes keramisches
Material oder sogar jedes beliebige andere Material, das sich zur
Abdichtung des Stapels eignet, verwendet werden kann, beispielsweise
Aluminium.
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Bezugnehmend
auf die 7a und 7b erstrecken
sich die inneren Elektrodenschichten 44a, 44b bei
jedem piezoelektrischen Element bis zu den Kanten des Elements 42 und
sind mit einer ersten, allgemein kreisförmigen Öffnung 48 mit relativ
großem
Durchmesser und einer zweiten, allgemein kreisförmigen Öffnung 46 mit kleinerem
Durchmesser ausgestattet. Jedes piezoelektrische Element 42 ist
ebenfalls mit ersten und zweiten Öffnungen 33 versehen.
Das piezoelektrische Element 42 und seine ihm zugeordneten
Elektroden 44a, 44b sind so angeordnet, dass die
erste, größere Öffnung 48 in der
Elektrode 44a, 44b mit einer der Öffnungen 33 in dem
Element 42 fluchtet und die zweite, kleinere Öffnung 46 mit
der anderen Öffnung 33 in
dem Element 42 fluchtet, so dass dann, wenn diese in einen
Stapel 31 vom Element 42 überführt werden, die fluchtenden Öffnungen 33 und Öffnungen 46, 48 einen
ersten und einen zweiten Kanal 32 beziehungsweise 34 bilden,
die im Wesentlichen auf einer symmetrischen Achse der Elemente 42 angeordnet
sind. Die kleine Öffnung 46 besitzt
einen Durchmesser, der im Wesentlichen gleich der Öffnung 33 ist,
und auf diese Weise wird eine elektrische Verbindung zwischen der Elektrode 44a, 44b und
dem (nicht gezeigten) Leiter gebildet. Umgekehrt ist der zweite
Leiter (nicht gezeigt) gegenüber
der Elektrodenschicht 44a isoliert, da die Öffnung 48 einen
größeren Durchmesser
(und damit eine größere Querschnittsfläche) als
die Öffnung 33 besitzt.
Es sollte klar sein, dass aufeinander folgende Elektrodenschichten
in dem Stapel mit 180 Grad zueinander ausgerichtet sind (beispielsweise unter
Bezugnahme auf die 7a und 7b, die aufeinander
folgende Schichten zeigen). Während des
Betriebs wird eine Spannung an den Leitern 36a, 36b angelegt,
so dass diese eine positive beziehungsweise eine negative Polarität besitzen,
und deshalb umgibt eine inaktive Zone (auch in 6 gezeigt)
jeden inneren Leiter 36a, 36b. Im Gegensatz dazu
besitzen mehrschichtige Vorrichtungen des Standes der Technik, wie
sie in den 1 bis 3 beispielhaft
gezeigt sind, eine Elektrodenschicht 24, die über einen
Teil des benachbarten piezoelektrischen Elements 22 gedruckt
ist, während
eine inaktive Zone 26 an einem Rand des piezoelektrischen Elements 22 verbleibt.
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In
der oben beschriebenen Anordnung ist die Größe des inaktiven Bereichs im
Vergleich zu Vorrichtungen des bekannten Standes der Technik signifikant
verringert, während
der hauptsächliche
Vorteil niedriger angelegter Spannungen, der mit existierenden mehrschichtigen
Stapeln verbunden ist, aufrecht erhalten bleibt. Anstatt dass sich
eine inaktive Zone an gegenüberliegenden
Oberflächen
des Stapels 31 befindet und die aktive Zone einklemmt,
werden relativ kleine inaktive Zonen 50 im Inneren des
Stapels gebildet, die sich rund um jedes der beiden Leiterelemente 36a, 36b befinden.
Dies verringert die Wahrscheinlichkeit von Rissen zwischen den Abschlussenden
der inneren Elektroden.
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Die
piezoelektrische Vorrichtung 30 der vorliegenden Erfindung
verringert nicht nur die Größe der inaktiven
Bereiche, sondern vermeidet auch die Notwendigkeit, dass Bestandteile
wie Leiter an der äußeren Oberfläche des
Stapels 31 befestigt werden müssen. Deshalb fällt der
Herstellungsschritt weg, der benötigt
wird, um die Leiter zu befestigen.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Anordnung liegt darin, dass die
Gestalt der piezoelektrischen Vorrichtung nicht durch die Notwendigkeit
eingeschränkt
ist, äußere Leiter
an Oberflächen
der Vorrichtung anzubringen. Deshalb kann die Form der Vorrichtung
so gestaltet werden, dass sie für
eine spezifische Anwendung geeignet ist. Beispielsweise kann der
Stapel 31 im Querschnitt kreisförmig oder sogar polygonal sein,
um den Raum innerhalb einer Einspritzkammer eines Kraftstoffeinspritzventils
wirksam zu nutzen. Ein anderer Nachteil der Formen von existierenden
Kraftstoffeinspritzventilen liegt darin, dass die äußeren Leiter
(d. h. 18, 20 in 1) außerdem gegenüber einer
feuchtigkeitshaltigen Umgebung isoliert werden müssen, um einen chemischen Angriff
zu verhindern. In der Praxis kann das Ausbilden einer wirksamen
Isolierschicht über
dem Stapel und den daran angebrachten Komponenten schwierig zu erreichen
sein, und das Isolationsmaterial kann möglicherweise durch unter hohem
Druck stehenden Kraftstoff in Risse oder Vertiefungen auf der Oberfläche des
Stapels gedrückt
werden. Dies kann zu einem inneren Kurzschluss führen, weil sich die Risse quer
durch den aktiven Bereich fortsetzen.
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Nun
sei Bezug genommen auf die 7a und 7b.
Obwohl die Öffnungen
auf einer lateralen Achse des Elements 42 innerhalb des
Stapels 31 fluchtend angeordnet sind, können die Öffnungen auch versetzt zu der
Achse angeordnet werden, so dass sich weitere Gestaltungsfreiheit
für eine
spezifische Anwendung ergibt.
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Die
piezoelektrischen Elemente oder Schichten 42 in der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung können
mit Hilfe der so genannten "Grünfolien"-Methode ("green sheet" method) erzeugt
werden, wie aus Stand der Technik gut bekannt. Die Zusammensetzung
der Schichten kann die einer ferroelektrischen Keramik der Blei-Zirkonat-Titanat-Gruppe (PZT-Gruppe)
sein, obwohl klar sein sollte, dass piezoelektrische Keramiken anderer
Zusammensetzungen ebenfalls eingesetzt werden können. Eine keramische Folie
(Grünfolie)
wird erzeugt, die eine Mehrzahl von keramischen Schichten aufweist,
und innere Elektrodenschichten werden dann unter Verwendung einer
Druckmaske siebgedruckt, um die Öffnungen 46, 48 auf
seiner Oberfläche
auszubilden. Die Innenelektroden 44a, 44b sind
vorzugsweise eine Legierung aus Silber und Palladium, obwohl jedes
andere leitfähige
Material wie Kupfer oder Nickel oder eine beliebige Legierung hieraus
als Alternative verwendet werden kann. Es sollte klar sein, dass
die Positionierung der Druckmaske genau kontrolliert werden muss,
so dass die Öffnungen
in den Elektrodenschichten miteinander fluchten, wenn sie in einen Stapel überführt werden,
um einen Kurzschluss zwischen Elektroden und Leitern entgegengesetzter
Polarität
zu vermeiden. Aufeinander folgende piezoelektrische Schichten und
Elektrodenschichten werden in wechselnder Folge laminiert, bis die
erforderliche Stapeldicke erreicht ist. Das Laminat wird dann durch
Sintern in einen integralen, monolithischen Block überführt. Die
Innenkanäle 32, 34 des
Stapels 31 werden durch Kernbohren, durch Bohren mit Mikrolaser
VIA oder durch jede beliebige geeignete Methode ausgebildet, und
die Leiterelemente 36a, 36b werden dann in ihre entsprechenden
Kanäle
eingesetzt. Der Monolith wird dann in einzelne Stücke geschnitten
bzw. vereinzelt. Es sollte klar sein, dass, obwohl die Schritte
der Kanalbildung und des Einsetzens der Leiterelemente leichter
an einem monolithischen Block durchgeführt werden können, diese
alternativ an einzelnen Stücken
durchgeführt
werden könnten,
nachdem der Monolith geschnitten wurde. In einer weiteren Alternative
können
die Öffnungen 33 in
den piezoelektrischen Elementen 42 gebildet werden, bevor
oder nachdem die Elektroden siebgedruckt werden bzw. wurden.
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Eine
alternative gestapelte Stellglied-Anordnung ist in 8 gezeigt.
Diese ist derjenigen, die unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 beschrieben wurde, ähnlich, mit der Ausnahme, dass
die Leiter 36a, 36b aus einer Mehrzahl von Segmenten 54 gebildet
werden, die jeweils endseitig zueinander angeordnet werden (wobei
jedes Segment mit einem piezoelektrischen Element 42 verbunden
ist). Wenn die piezoelektrischen Elemente 42 aufeinander
gestapelt werden, um einen Stapel 31 zu bilden, erzeugen
die Leiterelemente 54 im Effekt ein einziges Leiterelement,
das denjenigen mit den Bezugsziffern 36a, 36b in
den 5 und 6 äquivalent ist. Ein Segment 54 kann
vor dem Zusammenbau des Stapels 31 durch eine Öffnung 33 in
dem piezoelektrischen Element 42 untergebracht werden,
was möglicherweise ein
bequemeres Mittel der Herstellung sein kann, im Vergleich oder im
Gegensatz zum Einsetzen eines Leiterelements in einen gebohrten
Kanal eines Stapels 31.
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Bei
dieser Anordnung ist es wichtig, dass die Ausdehnung und Zusammenziehung
eines jeden Elements 42 in Folge des angelegten elektrischen Feldes
keine relative Bewegung zwischen den Leitersegmenten 54 verursacht,
so dass der elektrische Kontakt zwischen den Segmenten unterbrochen
würde.
Die thermische Expansion der Segmente 54 bei Betriebstemperaturen
kann jedoch sicherstellen, dass der elektrische Kontakt zwischen
den Segmenten 54 zu jeder Zeit aufrechterhalten bleibt.
Eine elektrische Verbindungsunterbrechung der Segmente 54 kann
auch durch eine weitere Ausgestaltung, wie sie in 9 gezeigt
ist, verhindert werden, worin die Leitersegmente 56 gewölbte oder
konvexe Endflächen 58 umfassen,
die die relative Bewegung zwischen Segmenten 56 kompensieren
sollen und damit die elektrische Verbindung während der Ausdehnung und der
Zusammenziehung des Stapels aufrecht erhalten. Die Segmente 54, 56 in
den obigen Anordnungen können
beispielsweise aus Invar®, Platin oder Titan bestehen.
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In
existierenden Konfigurationen piezoelektrischer Stellgliedvorrichtungen
bedient man sich bevorzugt äußerer Elektroden
fester Gestalt, weil diese günstig
an einem Stapel aus piezoelektrischen Elementen angebracht werden
können.
Es konnte jedoch beobachtet werden, dass die Ausdehnung und Kontraktion
eines piezoelektrischen Stapels relativ zu den äußeren Elektroden durch Belastung
oder Spannung verursachte Brüche
und Risse darin bewirken kann. Dies hat zur Folge, dass die Zuverlässigkeit
des Stellglieds geringer ist (verringerte mittlere Zeit zwischen
einem Ausfall). Diesem spezifischen Problem ist eine weitere alternative
Stellgliedanordnung gewidmet, in welcher die Leiter 36a, 36b ein Material
aufweisen, das zumindest während
eines Teils des Stellgliedbetriebs im Wesentlichen nicht fest ist.
Für die
Zwecke dieser Beschreibung soll der Ausdruck "nicht fest" so verstanden werden, dass er ein Material
bedeutet, welches ein flüssiges
Verhalten zeigt, indem es beispielsweise keine feste Gestalt besitzt
und in der Lage ist, zu fließen
(d. h. Eigenschaften besitzt, die es fließfähig machen). Ein solches Material
kann eine elektrisch leitende Paste, ein solches Pulver oder eine
solche Flüssigkeit
aufweisen oder daraus bestehen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
(nicht gezeigt) weisen die Leiterelemente (36a, 36b)
eine schmelzbare Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt auf,
beispielsweise eine Legierung, die Cadmium, Gallium oder Wismut
enthält.
Ein solches Material kann sich für
wenigstens einen Zeitraum des Stellgliedbetriebs verflüssigen,
beispielsweise, wenn die piezoelektrische Stellgliedvorrichtung
ihre Betriebstemperatur (typischerweise 100°C bis 150°C) erreicht. Außerdem sollte
klar sein, dass anstelle eines leitenden Materials, das bei der
Betriebstemperatur flüssig
wird, in einer möglichen
Variante das leitfähige
Material bei Temperaturen außerhalb
der Betriebstemperatur oder bei Raumtemperatur flüssig ist,
wofür Quecksilber
ein Beispiel ist. In diesem Fall zeigt das Material das Verhalten
einer Flüssigkeit über den
gesamten Zeitraum des Stellgliedbetriebs hinweg.
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Es
sollte klar sein, dass Belastungen oder Spannungen an der elektrischen
Grenzfläche
zwischen den Leitern 36a, 36b und den Elektrodenschichten 44a, 44b während der
Ausdehnung und der Zusammenziehung des Stapels in dieser Anordnung
verringert sind, so dass eine Rissbildung nicht beginnen kann und
Risse ohne weiteres Zutun sich nicht durch die Leiterelemente fortsetzen
können.
In vergleichbarer Weise, wird für
den Fall, dass eine Rissbildung beginnen sollte, diese bzw. das
Ausmaß von
dieser unterbrochen, bevor der Stellgliedbetrieb beeinträchtigt werden
könnte,
wenn sich die Leiterelemente periodisch während eines Teils des Stellgliedbetriebs
verflüssigen
können.
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Im
Hinblick auf die Herstellung kann die Paste, das Pulver oder die
Flüssigkeit
direkt in die inneren Kanäle 32, 34 injiziert
werden, sobald diese, wie oben beschrieben, gebildet wurden. Eine
elektrische Verbindung von der Stromquelle (nicht gezeigt) zu dem
Leitermaterial wird mit Hilfe entsprechender Leiterstifte (nicht
gezeigt) erreicht, die in dem ersten Endstück 38 ausgebildet
sind und die sich in die Kanäle 32, 34 hinein
erstrecken.
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In
einer wiederum anderen Stellgliedanordnung können die Leiter 36a, 36b rohrförmig sein,
um sich noch leichter der thermischen Expansion und den Ungleichmäßigkeiten
der Kanäle 32, 34 anzupassen.
Darüber
hinaus können
das erste und das zweite Endstück 38, 40 alternativ
beispielsweise aus Aluminium gebildet sein, um dem Stapel zusätzliche Festigkeit
zu verleihen.