WO2005053046A1 - Piezoaktor - Google Patents

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piezo
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Bertram Sugg
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
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    • 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, according to the generic features of the main claim.
  • a piezo element for controlling the needle stroke of a valve or the like can be constructed from a material with a suitable crystal structure.
  • 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.
  • 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 control te deflection of the piezo actuator is used to position a control valve, which in turn controls the stroke of a nozzle needle.
  • this piezo actuator is constructed here in several layers from stacked metallized piezo ceramics to a so-called multilayer Actuator.
  • there are internal electrodes between the layers which e.g. applied with a printing process, and there are external electrodes through which the electrical voltage is applied.
  • a typical method for producing such layers is in the film casting technique. The individual layers are metallized and stacked one above the other to produce the inner electrodes, the piezo effect then acting between two layers with inner electrodes of different polarity.
  • the inner electrodes are usually missing at the head and foot area, because on the one hand a certain insulation distance to the end faces is necessary to avoid short circuits to the outside and on the other hand passive zones are used for the electrical connection of the outer electrodes. Passive areas can also be present in the middle of the piezo actuator. However, there is the problem here that these passive layers, as cover packs, represent parasitic or interference capacities with respect to the electrical ground, which can lead to electromagnetic radiation in motor vehicles or other applications.
  • the passive layers consist of the same ceramic material as the active area, but with outer electrodes that are not electrically contacted on one side or not at all, so that the inactive areas are also interspersed with the inner electrode metal layers.
  • the respective inactive area can also be a complete, electrically insulated metal or ceramic block, which, for example, can simply be glued onto the piezoelectrically active area.
  • the piezo actuator described at the outset is constructed with a multilayer structure of piezo layers and in a piezoelectrically active region with internal electrodes arranged 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 dielectric constant of at least the head or foot part as inactive areas is lower than the dielectric constant of the active area.
  • the inactive regions and the active region are preferably produced from the same basic ceramic substance, additional dopants in the inactive regions are inserted in such a way that there is a minimum dielectric constant.
  • the basic substance is, for example, lead zirconate titanate (PZT) and the dopant is silver.
  • the layer thicknesses of the inactive areas on the head and / or foot part are the same.
  • the inactive regions are formed from an electrically polarized ceramic with an electrical field applied in such a way that there is a minimal dielectric constant.
  • the advantage of the invention is in particular that initially the active area of the piezo actuator remains untouched with a predetermined piezoceramic, that is to say that parameters such as idle stroke, blocking force etc. of the active actuating element remain unchanged.
  • the parasitic capacitance C para on the head and / or foot part can then be minimized by the choice of material according to the invention, the geometry or the polarity of the cover packs on the head and / or foot part.
  • FIG. 1 shows a section through a piezo actuator with a multilayer structure of layers made of piezoceramic and active and inactive areas
  • FIG. 2 shows an electrical equivalent circuit diagram of the capacities occurring at the piezo actuator when a connection formation of the inactive areas on inner electrodes of the active area with the same polarity
  • FIG. 2 shows an electrical equivalent circuit diagram of the capacitances occurring at the piezo actuator when the inactive regions are connected to the internal electrodes of the active region with an unequal polarity
  • FIG. 3 shows a course of the parasitic capacitances at certain ratios of the layer thicknesses of the inactive areas.
  • a piezo actuator 1 is shown, which is made in a manner known per se from piezo layers 2 of a ceramic material, e.g. So-called green foils, is constructed with a suitable crystal structure, so that a mechanical reaction of the piezo actuator 1 takes place using the so-called piezo effect when an external electrical direct voltage is applied to internal electrodes 3 and 4 via externally contacted electrodes 5 and 6.
  • a ceramic material e.g. So-called green foils
  • the piezo actuator 1 is divided into a piezoelectrically active area A and two inactive or passive areas B and C attached to the head and foot ends as cover packs.
  • an area is actively referred to, which is penetrated by the internal electrodes 3 and 4 of alternating polarity and thus ultimately contributes to the overall longitudinal expansion of the piezo actuator 1 that is desired for operation.
  • the multilayer piezo actuator 1 is constructed in such a way that the Material compositions of the ceramic layers in the active area A and in the passive areas B and C differ.
  • two types of ceramics are necessary for green film production. These can be, for example, differently prepared types of ceramic, for example based on lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • These or other ceramics on a jointly based base substance can be changed and adapted accordingly by adding suitable dopants, for example silver.
  • the ceramic in the active area A has a dielectric constant of 8 33 .
  • the dielectric constant ⁇ '33 of the region B or C is chosen such that the relationship ⁇ ' 33 « ⁇ 33 applies.
  • the ceramic of the areas B and C according to FIG. 1 is then selected or modified in such a way that the dielectric constant ⁇ '33 is minimized in any case.
  • the parasitic capacitances C B and C c of the areas B or C are accordingly determined as a function of the layer thicknesses d B and d c
  • A represents the active area
  • the exemplary embodiment according to the invention includes the possibilities that the last connected inner electrode layer 3 or 4 can be selected with the same or different polarity towards the head part B and towards the foot part C at the foot side.
  • the invention presented here thus explicitly includes a piezo actuator 1 with symmetrical cover packs B and C on the head and foot part.
  • the minimization due to this geometric effect also works in particular when the cover packs B and C are made of the same ceramic material as the active area A.
  • a further, not shown in the figures aspect relates to the adjustment of the parasitic capacitance C para by an at least partially polarity of the covering assemblies B and C. If one wants to for a particular electrical vote a certain capacitance value C para to the deck packages B and C set, so this can be done by adjusting the
  • Dielectric constant ⁇ '33 and in particular take place via the polarity of the cover packs B and C. Since unpolarized ceramic has a dielectric constant that is only half as large as that of a polarized ceramic, the parasitic capacitance C para quasi can be tuned by installing a suitable electric field.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

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 Dielelektrizitätskonstante (ɛ'33) geringer ist als die Dielelektrizitätskonstante (ɛ33) des aktiven Bereichs (A).

Description

Piezoaktor
Stand der Technik
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 AI 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 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. 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 Stöxkapazitäten 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 AI bekannt, dass an beiden Enden des Lagen- oder Schichtaufbaus pas- sive, 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 e- lektrisch 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 Cpara am Kopf- und/oder Fußteil minimieren.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoaktors wird anhand der Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und aktiven und inaktiven Bereichen,
Figur 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild der am Piezoaktor auftretenden Kapazitäten bei einer Anbin- dung der inaktiven Bereiche an Innelektroden des aktiven Bereichs mit gleicher Polarität,
Figur 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
Figur 3 einen Verlauf der parasitären Kapazitäten bei bestimmten Verhältnissen der Schichtdicken der inaktiven Bereiche.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 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 833. 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 Figur 1 wird dann derart ausgewählt oder modifiziert, dass auf jeden Fall die Dielektrizitätskonstante ε'33 minimiert ist.
Die parasitären Kapazitäten CB und Cc der Bereiche B oder C bestimmen sich demnach in Abhängigkeit von den Schichtdicken dB und dc 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 Innen- elektrodenschicht 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 Figur 2, im zweiten Fall ergibt sich das Ersatzschaltbild nach Figur 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 Figur 2 gibt es noch eine weitere Optimierungsmöglichkeit um die parasitäre Kapazitäten CB und Cc 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 dB + dc = dges zur Verfügung. Es ergibt sich somit der in Figur 4 dargestellte Verlauf 10 der parasitären Kapazitäten CB und Cc als Cpara- Wählt man insbesondere dB = dc = dges /2 erhält man für Cpara = CB + Cc 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 Cpa- ra durch ein zumindest teilweise Polung der Deckpakete B und C. Will man für eine besondere elektrische Abstimmung einen gewissen Kapazitätswert Cpara 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 unpo- larisierte Keramik eine etwa nur halb so große Dielektrizitätskonstante besitzt wie eine gepolte Keramik, kann durch eine Anlage eines passenden elektrische Feldes die parasitäre Kapazität Cpara quasi getunt werden.

Claims

Patentansprüche
1) 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 (833) des aktiven Bereichs (A) .
2) 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 .
3) Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Grundsubstanz Bleizirkonattitanat (PZT) und der Dotierstoff Silber ist.
4) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Schichtdicken (dB,dc) der inaktiven Bereichen (B,C) gleich sind.
5) 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.
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