DE10025998A1

DE10025998A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE10025998A1
Application number: DE10025998A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Stoecklein; Bertram Sugg; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2001-12-06
Also published as: WO2001091198A1

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 Gesamteinbaulänge (L¶ges¶) 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 (L¶ges¶) des Piezoaktors (1; 6; 7) angepasst.

Description

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 soge nannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung er folgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebe reiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.

Da die erforderlichen elektrischen Feldstärken zur Betä tigung des Piezoaktors im Bereich von mehreren kV/mm lie gen 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 Außenelek troden vorhanden, über die die elektrische Spannung ange legt wird. Da diese Aktoren, wie erwähnt, für den Einsatz bei niederen Spannungen gedacht sind, wird die erforder liche elektrische Feldstärke durch einen kleinen Schicht abstand realisiert. Da ein bestimmter Hub mit einer ge wissen 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 Hub effektes 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 Düsen nadel regelt.

Beispielsweise ist aus der EP 0 844 678 A1 ein solcher Piezoaktor bekannt, bei dem zwei, an jeweils gegenüber liegenden Seiten des Piezoaktorblocks angebrachte, Au ßenelektroden unterschiedlicher Polarität vorhanden sind. Bei einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktie rung der Innenelektroden mit den seitlichen Außenelektro den erfolgt die jeweilige Kontaktierung in dem Bereich, in dem in der jeweils benachbarten Schicht keine Innene lektrode an die Außenseite herangeführt ist.

Bei der Herstellung dieser Piezoaktoren kann als Auswir kungen von unvermeidlichen Fertigungstoleranzen insbesondere eine Schwankung der Dicken der einzelnen Keramik schichten auftreten. Diese Schwankungen können auf unter schiedliche Ursachen beruhen, wie z. B. eine von Charge zu Charge schwankende Grünfoliendicke, ein unterschiedliches Laminierverhalten beim Stapeln der Lagen oder ein unter schiedliches 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 ange ordneten Innenelektroden aufgebaut und mit einer von Schicht zu Schicht wechselnden Kontaktierung der Innene lektroden, zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, versehen. Es ist weiterhin mindestens ein inak tiver Bereich, z. B. ein Fuß- und/oder Kopfteil, an einem Ende des aktiven Bereichs im Bereich der Gesamteinbaulän ge im Lagenaufbau des Piezoaktors vorhanden.

In vorteilhafter Weise weist der erfindungsgemäße Piezo aktor im aktiven Bereich eine vorgegebene Anzahl von Pie zolagen auf und die Länge des mindestens einen inaktiven Bereichs ist auf einfache Weise an die erforderliche Ge samteinbaulänge des Piezoaktors angepasst. Vorzugsweise sind an beiden Enden des Lagen- oder Schichtaufbaus inak tive, 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 piezoelektrisch aktiven Schichten beim Laminieren vorhanden ist. Eine für die jeweilige Einbausituation fest defi nierte Gesamtlänge des Piezoaktors wird über eine Reduk tion 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 Kapazi tät. Unter der, im hier angewendeten Betriebsbereich der elektrischen Feldstärke, gültigen Annahme, dass die Mate rialparameter wie die Dielektrizitätskonstante ε₃₃ und der piezoelektrische Koeffizient d₃₃ unabhängig von der elek trischen Feldstärke sind, gelten für den Hub h und die elektrische Kapazität C die Beziehungen:

h = nd₃₃U (1)

C = nε₃₃ε₀A/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 Piezoak tor mit einer bestimmten effektiven Länge L_eff = nd = const. realisiert, so leiten sich aus den Gleichungen (1) und (2) folgende Beziehungen für eine Schwankung des Hubs und der Kapazität bei Schichtdickenschwankungen ab:

|Δh/h| = |Δd/d| (3)

|ΔC/C| = 2|Δd/d| (4).

Mit einer erfindungsgemäßen Kontrolle der Schichtanzahl auf eine vorgegebene Anzahl n reduzieren sich die Schwankungen nach folgender Beziehung:

|Δh/h| = 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 Ka pazität C nur linear mit der Schichtdicke der Piezolagen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die in aktiven Bereiche des Piezoaktors aus Schichten des glei chen 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 Innene lektroden 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 Kera mik diffundieren und damit das Sinterverhalten beeinflus sen. Somit wird die Rissgefahr in den Übergangsbereichen zwischen dem aktiven und den inaktiven Bereichen deutlich reduziert.

Nach einer anderen Ausführungsform ist der jeweilige in aktive Bereich ein Metall- oder Keramikblock, der bei spielsweise auf den piezoelektrisch aktiven Bereich ein fach aufgeklebt werden kann. Den inaktiven Kopf- und Fuß bereichen 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 Zuleitun gen.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen 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 mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und ak tiven und inaktiven Bereichen, die jeweils Innenelek trodenmetallschichten aufweisen;

Fig. 2 eine Ansicht eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und in aktiven Bereiche als Metall- oder Keramikblöcke und

Fig. 3 zwei Ansichten eines Piezoaktors mit einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und ei nem inaktiven Fußbereich, der die mechanische, ther mische und elektrische Anbindung an ein weiteres Bau teil unterstützt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 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 In nenelektroden 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 Be reich A mit der Länge L_eff und zwei am Kopf- und am Fußen de angebrachte inaktive Bereiche B und C aufgeteilt, wo bei hier auch in den inaktiven Bereichen B und C Innene lektrodenmetallschichten 5 angebracht sind, die aller dings elektrisch nicht kontaktiert sind. Im rechten Teil der Fig. 1 ist mit Längenpfeilen gezeigt, dass die Ge samtlänge L_ges aller Bereiche A, B und C durch die redu zierbaren inaktiven Bereiche B und C mit Beträgen L_red an die jeweiligen Einbaumaße angepasst werden kann.

Aus Fig. 2 ist eine Ansicht eines Piezoaktors 6 zu ent nehmen, bei dem die inaktiven Bereiche in Abwandlung zum Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1, aus Metall- oder Keramikblöcken bestehen, die keine Innenmetallschichten tragen.

Nach Fig. 3 ist wiederum in Abwandlung des Ausführungs beispiels nach der Fig. 2 der Fußbereich C eines Piezo aktors 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 Fig. 3 ist eine Ansicht X des Fußbereichs C darge stellt.

Claims

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 Ge samteinbaulänge (L_ges) im Lagenaufbau des Piezoak tors (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 (L_ges) des Piezoak tors (1; 6; 7) angepasst ist.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden des Lagenaufbaus inaktive, in der Län ge reduzierbare Bereiche (B, C) angeordnet sind.

3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die inaktiven Bereiche (B, C) aus Schichten des glei chen 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 kontak tiert 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 mechani sche und/oder thermische Anbindung an eine weiteres Bauteil und/oder eine elektrische Isolation durchführ bar ist.