WO2006133992A1 - Piezoaktor - Google Patents

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WO2006133992A1
WO2006133992A1 PCT/EP2006/061811 EP2006061811W WO2006133992A1 WO 2006133992 A1 WO2006133992 A1 WO 2006133992A1 EP 2006061811 W EP2006061811 W EP 2006061811W WO 2006133992 A1 WO2006133992 A1 WO 2006133992A1
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actuator
piezoelectric actuator
metal
end region
ceramic
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PCT/EP2006/061811
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English (en)
French (fr)
Inventor
Friederike Lindner
Friedrich Boecking
Original Assignee
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 piezoelectric actuator, in particular a piezoelectric actuator, which can be used as an actuating element in fuel injection devices for internal combustion engines.
  • a piezoelectric actuator from which the present invention proceeds, is known for example from DE 198 56 201 Al and comprises an actuator body, which consists of a plurality of
  • Actuator layers is constructed.
  • the actuator layers each consist of a piezoactive ceramic with a layer thickness of about 0.1 mm. Between two Aktor füren in each case a metallic layer electrode is present, the layer thickness is significantly lower than that of Aktor füren. In this case, the layer electrodes are alternately guided to the surface of the actuator body and connected there to an outer electrode.
  • the mutual contacting results in an electric field between the respectively adjacent layer electrodes, so that the thickness of the actuator layers changes depending on the applied voltage and thus also the total height of the actuator body.
  • a piezoelectrically inactive region is formed at least at one end.
  • this inactive To realize end region in that it also has alternately Aktor Anlagenen and layer electrodes, however, the layer electrodes are not connected to the outer electrode. Due to the consistently same structure of the actuator body is ensured that the sintering process no internal stresses that could lead to failure under appropriate mechanical load. However, as a
  • Layer electrode often a metal layer is used, which contains precious metals such as silver, platinum or palladium, the inactive end of the expensive piezoelectric actuator.
  • the erfmdungssiee piezoelectric actuator with the features of claim 1 has the advantage over that this is cheaper to produce than the previously used piezoelectric actuators.
  • the inactive end region is made of a ceramic which is mixed with metal or a metal salt, so that the inactive end region behaves during sintering as well as the remaining actuator body interspersed with layer electrodes. In this case, however, less metal is needed than with fully formed layer electrodes in this area.
  • the inactive end region is mixed with a metal which is also part of the layer electrodes.
  • a metal which is also part of the layer electrodes.
  • an identical behavior in particular a similar shrinkage behavior, can be set relatively easily in the sintering process of the ceramic.
  • the ceramic forming the end region can be mixed with a metal salt, it also being advantageous here if the metal forming the metal salt is also a constituent of the layer electrodes.
  • the inactive end region is made of casting slurry, which is mixed with the metal or the metal salt.
  • Casting slip can be easily brought into any shape and is significantly less expensive than the ceramic films from which the Aktor füren are formed. After sintering of the ceramic, the casting slurry combines with the adjoining actuator layer, so that a coherent
  • FIG. 1 shows a piezoelectric actuator according to the invention in a perspective view
  • Figure 2 shows a longitudinal section through the piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator comprises an actuator body 1, which has two end faces 2, 2 'and a multiplicity of actuator layers 3.
  • the actuator layers 3 consist of a piezoactive material, which is generally a piezoactiv ves ceramic material. Between the individual actuator layers 3, a respective layer electrode 5, 5 'is arranged, which consists of a thin metal layer, wherein the
  • an outer electrode 6, 6 ' is applied on two opposite side surfaces, each of which is connected to one half of the layer electrodes 5, 5'.
  • the outer electrodes 6, 6 ' are each connected to an electrical connection 12, 13, so that via the outer electrodes 6, 6', an electrical voltage between each adjacent layer electrodes 5, 5 'can be applied.
  • an end region 10, 10 ' is formed in each case, which is piezoelectrically inactive, since the layer electrodes 5, 5' are missing in this region, but otherwise consist of the same ceramic as the actuator layers 3.
  • the reason for this is that the piezoelectric actuator is operated under a relatively high compressive stress which is applied to the end faces. Since a change in length of the actuator body 1 occurs when the voltage is applied, a corresponding transverse contraction also occurs. If the piezoactive layers directly up to the end face 2, 2 'of the
  • the actuator body 1 is produced by stacking layers of a slurry film with printed-on layer electrodes 5, 5 'one above the other until the desired contact surface is reached. number of actuator layers 3 is reached. Subsequently, the resulting layered body is cut so that as a rule a plurality of actuator body 1 arise in the desired dimensions, wherein the actuator body 1 in the unsintered state is also called green body. Subsequently, a sintering process takes place by heating, in which the green body shrinks and the slip passes into ceramic, wherein the actuator layers 3 are firmly connected to one another and thus form the actuator body 1.
  • the end regions 10, 10 ' are here preferably not constructed of slurry film in layers, but can be made of cast slip, which is considerably less expensive than a layer structure.
  • the casting slip is added metal or a metal salt, preferably a metal or its metal salt, which also contain the layer electrodes 5, 5 '.
  • the goal is that the casting slip and thus the end region 10, 10 'in the sintering process shrinks to the same extent as the remaining green body, so that build up no mechanical residual stress in the actuator body 1 between the Aktor füren 3 and the inactive end regions 10, 10', which could lead to premature failure.
  • the layer electrodes 5, 5 ' may consist of different materials, for example silver (Ag) or an alloy of silver and palladium (Pd). Also copper (Cu) or a copper alloy is suitable in principle, as well as an alloy of silver and platinum (Pt).
  • a metal salt can also be added. Possible examples are silver salts, such as silver acetate (Ag (AC)), silver hydroxide (Ag (OH)) or silver carbonate (Ag2CC> 3). The same compounds can also be formed with copper and add to the slip, z. B. copper carbonate (Cu-CO 3 ).
  • the layer thickness of the actuator layers 3 is typically 50-150 microns, preferably about 100 microns, wherein the total length of the actuator body 1 is in the range of 30-50 mm. So there are usually several hundred Aktor füren 3 available.
  • the layer electrodes 5 on the other hand have a significantly smaller thickness, which is in the range of a few microns, preferably 1-2 microns.
  • the erfmdungssiee piezoelectric actuator can be used as an actuator in various devices.
  • One possible application is injection valves for diesel engines, where the piezo actuators open and close, for example, a control valve, or as an actuator in a high-pressure fuel pump or other component.

Abstract

Piezoaktor, insbesondere als Betätigungselement in einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen, mit einem Aktorkörper (1) mit zwei Stirnseiten (2; T), der eine Vielzahl von Aktorschichten (3) aufweist. Zwischen den Aktorschichten (3) sind Schicht- elektroden (5) angeordnet sind, die wechselseitig an die Oberflache des Aktors (1) herausgeführt sind und dort in elektrischem Kontakt mit jeweils einer Außenelektrode (6; 7) stehen. An wenigstens einer Stirnseite (2; T) ist ein piezoelektrisch inaktiver Endbereich (10; 10') ausgebildet, der aus einer mit einem Metall oder einem Metallsalz versetzten Keramik gefertigt ist.

Description

Piezoaktor
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, insbesondere einen Piezoaktor, der als Betätigungselement in Kraftstoffeinspritzeinrichtungen für Brennkraftmaschinen verwendbar ist.
Stand der Technik
Ein Piezoaktor, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, ist beispielsweise aus der DE 198 56 201 Al bekannt und umfasst einen Aktorkörper, der aus einer Vielzahl von
Aktorschichten aufgebaut ist. Die Aktorschichten bestehen jeweils aus einer piezoaktiven Keramik mit einer Schichtdicke von etwa 0,1 mm. Zwischen zwei Aktorschichten ist jeweils eine metallische Schichtelektrode vorhanden, deren Schichtdicke deutlich geringer als die der Aktorschichten ist. Die Schichtelektroden sind dabei wechselseitig an die O- berfläche des Aktorkörpers geführt und dort mit jeweils einer Außenelektrode verbunden.
Wird an die Außenelektroden eine elektrische Spannung angelegt, so ergibt sich durch die wechselseitige Kontaktierung ein elektrisches Feld zwischen den jeweils benachbarten Schichtelektroden, so dass sich je nach angelegter Spannung die Dicke der Aktorschichten ändert und damit auch die Gesamthöhe des Aktorkörpers.
An den Stirnseiten des Aktorkörpers ist zumindest an einem Ende ein piezoelektrisch inaktiver Bereich ausgebildet. Dies führt dazu, dass es an der Stirnseite des Aktorkörpers, die auf dem zu bewegenden Bauteil aufliegt, keine Querkontraktion auftritt, was die mechanische Belastung in diesem Bereich verringert und damit die Lebensdauer des Piezo- aktors verlängert. Es ist hierbei aus der DE 198 56 201 Al bekannt, diesen inaktiven Endbereich dadurch zu realisieren, dass er ebenfalls abwechselnd Aktorschichten und Schichtelektroden aufweist, jedoch werden die Schichtelektroden nicht mit der Außenelektrode verbunden. Durch den durchgängig gleichen Aufbau des Aktorkörpers ist sichergestellt, dass beim Sinterprozess keine inneren Spannungen entstehen, die zu einem Versagen bei entsprechender mechanischer Belastung fuhren könnten. Da jedoch als
Schichtelektrode häufig eine Metallschicht verwendet wird, die Edelmetalle wie Silber, Platin oder Palladium enthält, verteuert der inaktive Endbereich den Piezoaktor.
Vorteile der Erfindung
Der erfmdungsgemäße Piezoaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass dieser kostengünstiger herstellbar ist als die bisher gebräuchlichen Piezoaktoren. Hierzu ist der inaktive Endbereich aus einer Keramik hergestellt, die mit Metall oder einem Metallsalz versetzt ist, so dass sich der inaktive Endbe- reich beim Sintern ebenso verhält wie der mit Schichtelektroden durchsetzte restliche Aktorkörper. Hierbei wird jedoch weniger Metall gebraucht als bei vollständig ausgebildeten Schichtelektroden auch in diesem Bereich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der inaktive Endbereich mit einem Metall versetzt ist, das auch Bestandteil der Schichtelektroden ist. Hierdurch kann ein identisches Verhalten, insbesondere ein gleiches Schrumpfverhalten, beim Sinterprozess der Keramik relativ leicht eingestellt werden. Ebenso kann die den Endbereich bildende Keramik mit einem Metallsalz versetzt sein, wobei auch hier vorteilhaft ist, wenn das das Metallsalz bildende Metall auch Bestandteil der Schichtelektroden ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der inaktive Endbereich aus Gießschlicker herstellt, der mit dem Metall oder dem Metallsalz versetzt ist. Gießschlicker lässt sich leicht in jede Form bringen und ist hierbei deutlich kostengünstiger als die Keramik-Folien, aus denen die Aktorschichten gebildet werden. Nach dem Sintern der Keramik verbindet sich der Gießschlicker mit der angrenzenden Aktorschicht, so dass ein zusammenhängender
Keramikblock entsteht. Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfmdungsgemäßen Piezoaktors dargestellt. Es zeigt Figur 1 einen erfindungsgemäßen Piezoaktor in perspektivischer Ansicht und
Figur 2 einen Längsschnitt durch den Piezoaktor.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein erfmdungsgemäßer Piezoaktor in perspektivischer Ansicht und in Figur
2 nochmals im Längsschnitt dargestellt. Der Piezoaktor umfasst einen Aktorkörper 1, der zwei Stirnflächen 2, 2' und eine Vielzahl von Aktorschichten 3 aufweist. Die Aktorschichten 3 bestehen aus einem piezoaktiven Material, das im allgemeinen ein piezoakti- ves Keramikmaterial ist. Zwischen den einzelnen Aktorschichten 3 ist jeweils eine Schichtelektrode 5, 5' angeordnet, die aus einer dünnen Metallschicht besteht, wobei die
Schichtelektroden 5, 5' wechselseitig nach außen an die Oberfläche des Aktorkörpers 1 geführt sind. An der Oberfläche des Aktorkörpers 1 ist auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils eine Außenelektrode 6, 6' aufgebracht, wobei jede mit einer Hälfte der Schichtelektroden 5, 5' verbunden ist. Die Außenelektroden 6, 6' sind jeweils mit einem elektrischen Anschluss 12, 13 verbunden, so dass über die Außenelektroden 6, 6' eine e- lektrische Spannung zwischen jeweils benachbarte Schichtelektroden 5, 5' angelegt werden kann.
Zu den Stirnflächen 2 des Aktorkörpers 1 hin ist jeweils ein Endbereich 10, 10' ausgebil- det, der piezoelektrisch inaktiv ist, da in diesem Bereich die Schichtelektroden 5, 5' fehlen, die ansonsten jedoch aus derselben Keramik wie die Aktorschichten 3 bestehen. Der Grund hierfür ist, dass der Piezoaktor unter eine relativ hohen Druckspannung betrieben wird, die auf die Stirnflächen aufgebracht wird. Da beim Anlegen der Spannung eine Längenänderung des Aktorkörpers 1 auftritt, kommt es auch zu einer entsprechenden Querkontraktion. Wenn die piezoaktiven Schichten direkt bis zur Stirnfläche 2, 2' des
Aktorkörpers 1 reichen, würde dies dort zu erheblichen mechanischen Spannungen fuhren, die zumindest langfristig zum Versagen des Aktorkörpers 1 führen.
Der Aktorkörper 1 wird dadurch gefertigt, dass Schichten einer Schlickerfolie mit aufge- druckten Schichtelektroden 5, 5' übereinander gestapelt werden, bis die gewünschte An- zahl an Aktorschichten 3 erreicht ist. Anschließend wird der so entstandene Schichtkörper geschnitten, so dass in der Regel mehrere Aktorkörper 1 in den gewünschten Abmessungen entstehen, wobei der Aktorkörper 1 im ungesinterten Zustand auch Grünkörper genannt wird. Anschließend erfolgt durch Erhitzen ein Sinterprozess, bei dem der Grünkör- per schrumpft und der Schlicker in Keramik übergeht, wobei die Aktorschichten 3 fest miteinander verbunden werden und so den Aktorkörper 1 bilden. Die Endbereiche 10, 10' sind hier vorzugsweise nicht aus Schlickerfolie schichtweise aufgebaut, sondern können aus Gießschlicker gefertigt werden, was erheblich kostengünstiger ist als ein Schichtaufbau. Dem Gießschlicker wird Metall oder ein Metallsalz zugegeben, vorzugsweise ein Metall oder dessen Metallsalz, das auch die Schichtelektroden 5, 5' enthalten. Ziel ist es, dass der Gießschlicker und damit den Endbereich 10, 10' beim Sinterprozess im gleichen Maße schrumpft wie der restliche Grünkörper, so dass sich zwischen den Aktorschichten 3 und den inaktiven Endbereichen 10, 10' keine mechanische Eigenspannung im Aktorkörper 1 aufbauen, welche zu einem vorzeitigen Versagen führen könnten.
Die Schichtelektroden 5, 5' können aus verschiedenen Materialien bestehen, beispielsweise aus Silber (Ag) oder einer Legierung aus Silber und Palladium (Pd). Auch Kupfer (Cu) oder eine Kupferlegierung ist prinzipiell geeignet, ebenso eine Legierung aus Silber und Platin (Pt). Um die Metallbeimengungen in den Gießschlicker leichten handhaben zu können, kann statt oder zusätzlich zu einem Metall auch ein Metallsalz beigemengt werden. Möglich sind hierbei beispielsweise Silbersalze, wie Silberacetat (Ag(AC)), Silberhydroxid (Ag(OH)) oder Silbercarbonat (Ag2CC>3). Die gleichen Verbindungen lassen sich auch mit Kupfer bilden und dem Schlicker beimengen, z. B. Kupfercarbonat (Cu- CO3).
Es ist auch möglich, die Endbereiche ebenso schichtweise aufzubauen wie die sonstigen Aktorschichten, jedoch müsste hier eine andere Folie verwendet werden, die keine aufgedruckten Elektroden, sondern mit Metall oder Metallsalz versetzte Keramik-Grünfolie.
Es kann vorgesehen sein, den inaktiven Endbereich an beiden Stirnseiten des Piezoaktors auszubilden, wie in Figur 1 dargestellt, oder nur an einer Stirnseite. Dies hängt von der Art der Verwendung ab und welche Spannkräfte auf den Piezoaktor wirken. Die Schichtdicke der Aktorschichten 3 beträgt typischerweise 50-150 μm, vorzugsweise etwa 100 μm, wobei die Gesamtlänge des Aktorkörpers 1 im Bereich von 30-50 mm liegt. Es sind in der Regel also mehrere hundert Aktorschichten 3 vorhanden. Die Schichtelektroden 5 weisen hingegen eine deutlich geringere Dicke auf, die im Bereich von einigen μm, vorzugsweise 1-2 μm liegt.
Der erfmdungsgemäße Piezoaktor lässt sich als Betätigungselement in verschiedenen Vorrichtungen verwenden. Eine mögliche Anwendung sind Einspritzventile für Dieselmotoren, wo die Piezoaktoren beispielsweise ein Steuerventil öffnen und schließen, oder als Betätigungselement in einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe oder einer sonstigen Komponente.

Claims

Ansprüche
1. Piezoaktor, insbesondere als Betätigungselement in einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen, mit einem Aktorkörper (1), der zwei Stirnseiten (2; T) und eine Vielzahl von Aktorschichten (3) aufweist, wobei zwischen zwei Aktorschichten (3) jeweils eine Schichtelektrode (5; 5') angeordnet ist, welche wechselseitig an die Oberfläche des Aktors (1) herausgeführt sind und dort in elektrischem Kontakt mit jeweils einer Außenelektrode (6; 6') stehen, welche an der Oberfläche des Aktorkörpers (1) angeordnet sind, und mit einem piezoelektrisch inaktiven keramischen Endbereich (10; 10') an einer Stirnseite (2; T) oder an beiden Stirnseiten (2; T) des Aktorkörpers (1), dadurch gekennzeichnet, dass der inaktive Endbereich (10; 10') aus einer mit einem Metall oder einem Metallsalz versetzten Keramik ge- fertigt ist.
2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der inaktive Endbereich (10; 10') aus derselben Keramik hergestellt ist wie die Aktorschichten (3).
3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der inaktive Endbereich (10; 10') beim Sintern des Aktorkörpers (1) ebenso verhält wie der von Schichtelektroden (5; 5') durchsetzte restliche Aktorkörper (1).
4. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik des inaktiven Endbereichs (10; 10') mit einem Metall versetzt ist, welches auch Bestandteil der Schichtelektroden (5; 5') ist.
5. Piezoaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Silber (Ag) oder Kupfer (Cu) ist.
6. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik des inaktiven Endbereichs (10; 10') mit einem Metallsalz versetzt ist, dessen Metallbestandteil auch Bestandteil der Schichtelektroden (5; 5') ist.
7. Piezoaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsatz Silberace- tat (Ag(Ac)), Silberhydroxid (Ag(OH)), Silbercarbonat (Ag2CO3) oder Kupfercar- bonat (G1CO3) ist.
8. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtelektroden (5; 5') aus Silber (Ag), Kupfer (Cu) oder Platin (Pt) gefertigt ist oder aus einer wenigstens eines dieser Metalle enthaltenden Legierung.
9. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der inaktive Endbereich
(10; 10') aus mit dem Metall oder dem Metallsalz versetzten Gießschlicker hergestellt ist.
10. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Stirnseiten des Aktorkörpers (1) parallel zu den Schichtelektroden (5; 5') aus- gerichtet sind.
PCT/EP2006/061811 2005-06-14 2006-04-25 Piezoaktor WO2006133992A1 (de)

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