WO2001091198A1 - Piezoaktor - Google Patents

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WO2001091198A1
WO2001091198A1 PCT/DE2001/001325 DE0101325W WO0191198A1 WO 2001091198 A1 WO2001091198 A1 WO 2001091198A1 DE 0101325 W DE0101325 W DE 0101325W WO 0191198 A1 WO0191198 A1 WO 0191198A1
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piezo actuator
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inactive
piezo
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Wolfgang Stoecklein
Bertram Sugg
Friedrich Boecking
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.
  • a piezo element can be constructed from a material with a suitable crystal structure using the so-called piezo effect.
  • an external electrical voltage is applied, there is a mechanical reaction of the piezo element which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a push or pull in a predeterminable direction.
  • this piezo actuator is constructed here in several layers from stacked metallized piezoceramics to a so-called multilayer actuator.
  • these actuators are intended for use at low voltages, the required electric field strength is achieved by a small layer spacing. Since a certain stroke is to be achieved with a certain voltage, the actuators are generally manufactured with a certain piezoelectrically active length, which represents part of the total length of the actuator.
  • piezo actuators can be provided for the construction of actuators, for example for driving switching valves in fuel injection systems in motor vehicles.
  • the voltage or charge-controlled deflection of the piezo actuator is used to position a control valve, which in turn regulates the stroke of a nozzle needle.
  • Such a piezo actuator is known, for example, from EP 0 844 678 AI, in which two outer electrodes of different polarity are provided, which are attached to opposite sides of the piezo actuator block.
  • the respective contact takes place in the region in which no inner electrode is brought to the outside in the respectively adjacent layer.
  • the piezo actuator described at the outset is constructed with a multi-layer structure of piezo layers and internal electrodes arranged in a piezoelectrically active region between the layers, and is provided with contacting of the internal electrodes which changes from layer to layer and is subjected to an electrical voltage.
  • the piezo actuator according to the invention advantageously has a predetermined number of piezo layers in the active area and the length of the at least one inactive area is easily adapted to the required overall installation length of the piezo actuator.
  • Inactive, length-reducing regions are preferably arranged at both ends of the layer or layer structure.
  • the piezo actuator according to the invention is advantageous in that a controlled stacking of a defined number of layers n of pie- zoelectrically active layers when laminating is present.
  • a total length of the piezo actuator which is fixedly defined for the respective installation situation is realized by reducing the length of the piezoelectrically inactive head and / or foot piece, for example with hard machining by grinding or the like.
  • the advantage of the piezo actuator according to the invention is thus in particular a significant reduction in the influence of the layer thickness variation ⁇ d / d on the stroke and the capacitance.
  • the relationships apply to the stroke h and the electrical capacitance C:
  • U is the electrical voltage
  • ⁇ 0 is the electrical field constant
  • A is the piezoelectrically effective area of the piezo actuator.
  • the inactive areas of the piezo actuator can consist of layers of the same ceramic material as the active area. It is also advantageous here if, in the same way as in the active area, internal electrodes are arranged between the layers of the inactive area which are electrically contacted on one side or not at all with outer electrodes, so that the inactive areas are also interspersed with the inner electrode metal layers. These internal electrodes also have the advantage that when the entire piezo actuator is sintered, the shrinkage behavior is homogeneous over the entire length, since metal ions generally diffuse from the electrode layer into the ceramic during sintering and thus influence the sintering behavior. This significantly reduces the risk of cracks in the transition areas between the active and inactive areas.
  • the respective inactive area is a metal or ceramic block, which, for example, can simply be glued onto the piezoelectrically active area.
  • the inactive head and foot areas can have other meanings. So these areas serve after the Installation may also be for the application of force in the event of a necessary mechanical pretension, for thermal coupling and thus for heat dissipation and finally for the electrical insulation for the electrical supply lines.
  • FIG. 1 shows a view of a piezo actuator with a multilayer structure of layers made of piezoceramic and active and inactive areas, each of which has an inner electrode metal layer;
  • Figure 2 is a view of a piezo actuator with a multilayer structure of layers of piezoceramic and inactive areas as metal or ceramic blocks and
  • FIG. 3 shows two views of a piezo actuator with a multilayer structure of layers made of piezoceramic and an inactive foot region, which supports the mechanical, thermal and electrical connection to another component. Description of the embodiments
  • FIG. 1 shows a piezo actuator 1, which is constructed in a manner known per se from piezo layers 2 of a ceramic material with a suitable crystal structure, so that using the so-called piezo effect when an external electrical direct voltage is applied to internal electrodes 3 and 4 via not shown here A mechanical reaction of the piezo actuator 1 takes place on the externally contacted electrodes.
  • the piezo actuator is divided into a piezoelectrically active region A with the length L eff and two inactive regions B and C attached to the head and foot ends, inner electrode metal layers 5 also being applied here in the inactive regions B and C, although these are electrical are not contacted.
  • length arrows show that the total length L tot of all areas A, B and C can be adapted to the respective installation dimensions by the reducible inactive areas B and C with amounts _L re ⁇ .
  • FIG. 2 A view of a piezo actuator 6 can be seen in FIG. 2, in which the inactive regions, as a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 1, consist of metal or ceramic blocks which do not have any inner metal layers.
  • the foot region C of a piezo actuator 7 is designed as a fastening element in such a way that it is used for the introduction of force with a mechanical pretension, for thermal coupling and thus for heat dissipation and finally for electrical insulation for the electrical ones Lines 8 and 9 are used.
  • a view X of the foot area C is shown.

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 ist mindestens ein inaktiver Bereich (B, C) an einem Ende des aktiven Bereichs (A) im Bereich der Gesamteibaulänge (Lges) im Lagenaufbau des Piezoaktors (1; 6; 7) vorhanden, Im aktiven Bereich (A) ist eine vorgegebene Anzahl (n) von Piezolagen (2) angeordnet und die Länge des mindestens einen inaktiven Bereichs (B, C) wird an die erforderliche Gesamteinbaulänge (Lges) des Piezoaktors (1; 6; 7) angepasst.

Description

Piezoaktor
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs .
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement 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 .
Da die erforderlichen elektrischen Feldstärken zur Betätigung des Piezoaktors im Bereich von mehreren kV/ m liegen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, erfolgt der Aufbau dieses Piezoaktors hier in mehreren Schichten von übereinander- gestapelten 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. Da diese Aktoren, wie erwähnt, für den Einsatz bei niederen Spannungen gedacht sind, wird die erforderliche elektrische Feldstärke durch einen kleinen Schicht- abstand realisiert. Da ein bestimmter Hub mit einer gewissen Spannung erreicht werden soll, werden die Aktoren in der Regel mit einer bestimmten piezoelektrisch aktiven Länge hergestellt, welche einen Teil der Gesamtlänge des Aktors 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 Kraftf hrzeugen vorgesehen werden. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Steuerventils genutzt, das wiederum den Hub einer Düsennadel regelt.
Beispielsweise ist aus der EP 0 844 678 AI ein solcher Piezoaktor bekannt, bei dem zwei, an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Piezoaktorblocks angebrachte, Außenelektroden unterschiedlicher Polarität vorhanden sind. Bei einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktie- rung der Innenelektroden mit den seitlichen Außenelektroden erfolgt die jeweilige Kontaktierung in dem Bereich, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innenelektrode an die Außenseite herangeführt ist.
Bei der Herstellung dieser Piezoaktoren kann als Auswirkungen von unvermeidlichen Fertigungstoleranzen insbeson- dere eine Schwankung der Dicken der einzelnen Keramikschichten auftreten. Diese Schwankungen können auf unterschiedliche Ursachen beruhen, wie z.B. eine von Charge zu Charge schwankende Grünfoliendicke, ein unterschiedliches Laminierverhalten beim Stapeln der Lagen oder ein unterschiedliches Schwindungsverhalten beim Sintern des Piezo- aktorpakets. Diese unerwünschten Variationen haben einen Einfluss auf das sogenannte Großsignalverhalten uns somit letztendlich auf den Hub und die elektrische Kapazität des Piezoaktors.
Vorteile der Erfindung
Der eingangs beschriebene Piezoaktor ist, wie erwähnt, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen und in einem piezoelektrisch aktiven Bereich zwischen den Lagen angeordneten Innenelektroden aufgebaut und 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, an einem Ende des aktiven Bereichs im Bereich der Gesamteinbaulänge im Lagenaufbau des Piezoaktors vorhanden.
In vorteilhafter Weise weist der erfindungsgemäße Piezoaktor im aktiven Bereich eine vorgegebene Anzahl von Piezolagen auf und die Länge des mindestens einen inaktiven Bereichs ist auf einfache Weise an die erforderliche Gesamteinbaulänge des Piezoaktors angepasst. Vorzugsweise sind an beiden Enden des Lagen- oder Schichtaufbaus inaktive, in der Länge reduzierbare Bereiche angeordnet.
Insbesondere ist der erfindungsgemäße Piezoaktor dadurch vorteilhaft, dass bei der Herstellung eine kontrollierte Stapelung einer fest definierten Schichtanzahl n von pie- zoelektrisch aktiven Schichten beim Laminieren vorhanden ist. Eine für die jeweilige Einbausituation fest definierte Gesamtlänge des Piezoaktors wird über eine Reduktion der Länge des piezoelektrisch inaktiven Kopf- und/oder Fußstücks realisiert, beispielsweise mit einer Hartbearbeitung durch Schleifen oder ähnliches .
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Piezoaktors ist damit insbesondere eine deutliche Reduktion des Einflusses der Schichtdickenvariation Δd/d auf den Hub und die Kapazität. Unter der, im hier angewendeten Betriebsbereich der elektrischen Feldstärke, gültigen Annahme, dass die Materialparameter wie die Dielektrizitätskonstante ε33 und der piezoelektrische Koeffizient d33 unabhängig von der elektrischen Feldstärke sind, gelten für den Hub h und die elektrische Kapazität C die Beziehungen:
h = n d33 U (1)
C = n ε33 ε0 A/d (2) ,
wobei U die elektrische Spannung, ε0 die elektrische Feldkonstante und A die piezoelektrisch effektive Fläche des Piezoaktors darstellen.
Wird, wie nach dem Stand der Technik üblich, ein Piezoaktor mit einer bestimmten effektiven Länge Leff = n d = const. realisiert, so leiten sich aus den Gleichungen (1) und (2) folgende Beziehungen für eine Schwankung des Hubs und der Kapazität bei Schichtdickenschwankungen ab:
Figure imgf000006_0001
Mit einer erfindungsgemäßen Kontrolle der Schichtanzahl auf eine vorgegebene Anzahl n reduzieren sich die Schwankungen nach folgender Beziehung:
IΔ / l = 0 (5)
|Δc/c| = |Δd/d | (6) .
Somit variiert nach der Gleichung (5) der Hub h überhaupt nicht mehr und nach der Gleichung (6) ändert sich die Kapazität C nur linear mit der Schichtdicke der Piezolagen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die inaktiven Bereiche des Piezoaktors aus Schichten des gleichen Keramikmaterial bestehen wie der aktive Bereich. Vorteilhaft ist hier auch, wenn zwischen den Schichten des inaktiven Bereichs in gleicher Weise wie im aktiven Bereich Innenelektroden angeordnet sind, die elektrisch einseitig oder gar nicht mit Außenelektroden kontaktiert sind, so dass auch die inaktiven Bereiche mit den Innene- lektrodenmetallschichten durchsetzt sind. Diese Innenelektroden haben außerdem den Vorteil, dass beim Kosintern des gesamten Piezoaktors das Schwindungsverhalten über die gesamten Länge homogen ist, da beim Sintern in der Regel Metallionen aus der Elektrodenschicht in die Keramik diffundieren und damit das Sinterverhalten beeinflussen. Somit wird die Rissgefahr in den Übergangsbereichen zwischen dem aktiven und den inaktiven Bereichen deutlich reduziert .
Nach einer anderen Ausführungsform ist der jeweilige inaktive Bereich ein Metall- oder Keramikblock, der beispielsweise auf den piezoelektrisch aktiven Bereich einfach aufgeklebt werden kann. Den inaktiven Kopf- und Fußbereichen können neben der bereits beschriebenen Län- geneinstellmöglichkeit des gesamten Piezoaktors weitere Bedeutungen zukommen. So dienen diese Bereiche nach der Montage eventuell auch zur Krafteinleitung bei einer etwa notwendigen mechanischen Vorspannung, zur thermischen An- kopplung und damit der Wärmeableitung sowie schließlich der elektrischen Isolation für die elektrischen Zuleitungen.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs- form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Ansicht eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und aktiven und inaktiven Bereichen, die jeweils Innenelek- trodenmetallsσhichten aufweisen;
Figur 2 eine Ansicht eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und inaktiven Bereiche als Metall- oder Keramikblöcke und
Figur 3 zwei Ansichten eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und einem inaktiven Fußbereich, der die mechanische, thermische und elektrische Anbindung an ein weiteres Bauteil unterstützt. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezolagen 2 eines Keramikmaterials 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 hier nicht näher dargestellte außen kontaktierte Elektroden eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt.
Der Piezoaktor ist in einen piezoelektrisch aktiven Bereich A mit der Länge Leff und zwei am Kopf- und am Fußende angebrachte inaktive Bereiche B und C aufgeteilt, wobei hier auch in den inaktiven Bereichen B und C Innene- lektrodenmetallschichten 5 angebracht sind, die allerdings elektrisch nicht kontaktiert sind. Im rechten Teil der Figur 1 ist mit Längenpfeilen gezeigt, dass die Gesamtlänge Lges aller Bereiche A, B und C durch die reduzierbaren inaktiven Bereiche B und C mit Beträgen _Lreά an die jeweiligen Einbaumaße angepasst werden kann.
Aus Figur 2 ist eine Ansicht eines Piezoaktors 6 zu entnehmen, bei dem die inaktiven Bereiche in Abwandlung zum Ausführungsbeispiel nach der Figur 1, aus Metall- oder Keramikblöcken bestehen, die keine Innenmetallschichten tragen.
Nach Figur 3 ist wiederum in Abwandlung des Ausführungs- beispiels nach der Figur 2 der Fußbereich C eines Piezoaktors 7 als Befestigungselement so ausgeführt, dass er zur Krafteinleitung bei einer mechanischen Vorspannung, zur thermischen Ankopplung und damit der Wärmeableitung sowie schließlich der elektrischen Isolation für die elektrischen Zuleitungen 8 und 9 dient . Im rechten Teil der Figur 3 ist eine Ansicht X des Fußbereichs C dargestellt.

Claims

Patentansprüche
1) Piezoaktor, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und in einem piezoelektrisch aktiven Bereich (A) zwischen den Lagen angeordneten Innenelektroden (3,4), die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und mit
mindestens einem inaktiven Bereich (B,C) an einem Ende des aktiven Bereichs (A) im Bereich der Gesamteinbaulänge (Lges) im Lagenaufbau des Piezoaktors (1;6;7), dadurch gekennzeichnet, dass
im aktiven Bereich (A) eine vorgegebene Anzahl (n) von Piezolagen (2) angeordnet ist und die Länge des mindestens einen inaktiven Bereichs (B,C) an die erforderliche Gesamteinbaulänge (Lges) des Piezoaktors (1;6;7) angepasst ist. 2) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden des Lagenaufbaus inaktive, in der Länge reduzierbare Bereiche (B,C) angeordnet sind.
3) Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inaktiven Bereiche (B,C) aus Schichten des gleichen Keramikmaterial hergestellt sind wie der aktive Bereich (A) .
4) Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schichten des inaktiven Bereichs (B,C) in gleicher Weise wie im aktiven Bereich Innenelektroden- metallschichten (5) angeordnet sind, die elektrisch einseitig oder gar nicht mit Außenelektroden kontaktiert sind.
5) Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- der jeweilige inaktive Bereich (B,C) ein Metall- oder Keramikblock ist .
6) Piezoaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- über einen Metall- oder 'Keramikblock (C) eine mechanische und/oder thermische Anbindung an eine weiteres Bauteil und/oder eine elektrische Isolation durchführbar ist. 1/2
Figure imgf000012_0001
Fig.1
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000012_0003
Fig.2 2/2
Figure imgf000013_0001
9
Fig. 3
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