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DE102008000537A1 - Piezoaktor - Google Patents

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DE102008000537A1
DE102008000537A1 DE102008000537A DE102008000537A DE102008000537A1 DE 102008000537 A1 DE102008000537 A1 DE 102008000537A1 DE 102008000537 A DE102008000537 A DE 102008000537A DE 102008000537 A DE102008000537 A DE 102008000537A DE 102008000537 A1 DE102008000537 A1 DE 102008000537A1
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DE
Germany
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piezoelectric actuator
ceramic material
doping
dopant
actuator according
Prior art date
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Withdrawn
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DE102008000537A
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English (en)
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Steffen Polster
Stefan Henneck
Benjamin Hagemann
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Es wird ein Piezoaktor (16) beschrieben, umfassend mindestens ein Piezoelement (6) aus einem Keramikmaterial mit darin eingebrachten, mittels Außenelektroden (10, 11) elektrisch kontaktierten Innenelektroden (7, 8), bei dem das Keramikmaterial ein durch Dotierung (22, 24) mit mindestens einem Dotierstoff hergestelltes gradiertes Keramikmaterial mit bereichsweise unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften ist, welche fließend ineinander übergehen.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Piezoaktoren werden beispielsweise in Piezoinjektoren eingesetzt, welche zur zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in periodisch arbeitenden Verbrennungsmotoren verwendet werden.
  • Ein Piezoinjektor besteht im Wesentlichen aus einem Haltekörper und einem in dem Haltekörper angeordneten Piezoaktormodul, bestehend aus einem Kopf- und einem Fußteil sowie einem zwischen Kopf- und Fußteil angeordneten Piezoaktor aus einem oder mehreren Piezoelementen. Das Piezoaktormodul ist mit einer Düsennadel verbunden, sodass durch Anlegen oder Wegnahme einer Spannung an die Piezoelemente eine Düsenöffnung freigegeben oder verschlossen wird.
  • Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau eines zuvor erwähnten Piezoaktors oder Piezoaktormoduls Piezoelemente so eingesetzt werden, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubs eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Die Piezoelemente sind aus Piezolagen aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden, die die Piezolagen jeweils einschließen, eine mechanische Reaktion der Piezoelemente erfolgt. Die Innenelektroden sind über beispielsweise entlang dem Piezoaktor verlaufende Außenelektroden elektrisch kontaktiert. Bei dem Material handelt es sich vorwiegend um ein als Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) bekanntes Keramikmaterial.
  • In Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung stellt die mechanische Reaktion einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung dar. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
  • Piezoaktoren werden derzeit standardmäßig als Vielschichtbauteile ausgeführt. Um bei dünnen Schichten eine abwechselnde Polarität zwischen den Elektroden zu erreichen, werden diese in einem sogenannten Interdigitaldesign angeordnet. Dieses bedingt, dass an der Kontaktierungsstelle jeweils nur jede zweite Elektrode pro Seite bis zum Rand des Piezoaktors geführt ist. Um die so aufgebauten Piezoaktoren betreiben zu können, muss eine Polarisierung der Einzelschichten erfolgen. Da sich an den Stellen ohne gegenpolige Elektroden, also an den Randbereichen, wo jeweils nur die Elektroden einer Polarität bis zum Rand des Piezoaktors geführt sind, kein elektrisches Feld aufbauen kann, erfolgt dort keine Polung und dieser Bereich des Piezoaktors bleibt auch im Betrieb passiv.
  • Einen weiteren passiven Bereich stellt die sogenannte Isolationszone dar. Bei der Einzelaktortechnik ist es möglich, Innenelektroden in einem so genannten halb- oder vollvergrabenen Design aufzubringen. Das bedeutet, dass jede Innenelektrode nur an bestimmten Stellen bis zum Rand des Bauteils geführt wird. An allen anderen Stellen wird ein Rand unbedruckt belassen, um so die Isolation am Mantel des Piezoaktors sowie insbesondere an der Außenkontaktierung der jeweils gegenpoligen Elektroden zu verwirklichen. Diese Zonen ohne Innenelektroden stehen ab dem Polungsvorgang unter erhöhter mechanischer Spannung, da das Material durch die Polarisation eine Längung in Polarisationsrichtung erfährt. Durch die Dehnung des aktiven Bereichs im Betrieb entsteht zusätzlich eine mechanische Mehrbelastung in den inaktiven Randbereichen, was zu einer unerwünschten Rissbildung an diesen Stellen führt.
  • Durch DE 196 15 695 C1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine A-Platz-Dotierung an den Elektroden zum Zweck einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im Bereich der Elektroden durchgeführt wird.
  • Durch die DE 198 60 00 B4 ist ein Verfahren zur Kompensation des Bleiverlustes während des Sinterns durch Austauschvorgänge mit einem Sinterhilfsmittel bekannt.
  • Nachteilig an den bekannten, auf Diffusionsvorgängen beruhenden Verfahren ist, dass sie weder die Rissanfälligkeit noch den sogenannten Klemmeffekt, bei dem die inaktiven Bereiche die aktiven, die Dehnung anregenden Bereiche hemmen, verringern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einem Piezoaktor umfassend mindestens ein Piezoelement aus einem Keramikmaterial mit einer geeigneten Kristallstruktur mit darin eingebrachten, mittels Außenelektroden elektrisch kontaktierten Innenelektroden. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Keramikmaterial um ein durch Dotierung mit mindestens einem Dotierstoff herge stelltes gradiertes Keramikmaterial, mit bereichsweise unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, welche fließend ineinander übergehen.
  • Durch das gradierte Keramikmaterial mit in Abhängigkeit von den lokalen elektromechanischen Beanspruchungen durch Dotierung lokal angepassten unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften wird im Vergleich zum Stand der Technik eine Funktionsverbesserung des Piezoaktors erreicht. Dabei wird einerseits gezielt der Rissbildung an hochbelasteten Stellen entgegengewirkt, sowie andererseits die Leistungsfähigkeit des Piezoaktors hinsichtlich der im Betrieb erreichbaren Gesamtdehnung durch das Verringern des Klemmeffekts der inaktiven Bereiche verbessert.
  • Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich insbesondere dadurch, dass durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einsatz eines in seinen mechanischen Eigenschaften gradierten Keramikmaterials an den mechanisch stärker belasteten Stellen des Piezoaktors ein Herabsetzen der maximal auftretenden Zugspannungen erreicht werden kann. Somit ist es möglich, die auftretenden Kräfte bzw. Spannungen in diesen Bereichen unterhalb der kritischen Werte für Rissbildung und Risspropagation des jeweiligen Materials zu halten. Rissbildung kann somit an funktionskritischen Stellen, im Idealfall im gesamten Piezoaktor vermieden werden. Zusätzlich verringert sich durch die durch das Dotieren verringerte Steifigkeit im inaktiven Bereich der Klemmeffekt, was zu einem größeren Hub des Piezoaktors führt.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Keramikmaterial ein PZT-Keramikmaterial ist.
  • Vorzugsweise ist der mindestens eine Dotierstoff ein A- oder B-Platz Donator.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der mindestens eine Dotierstoff mindestens ein die elektromechanischen Eigenschaften durch Veränderung des Perovskitgitters sowie das Kornwachstum während des Sinterprozesses bei der Herstellung des Keramikmaterials aus einem Ausgangsmaterial beeinflussendes Element.
  • Das mindestens eine Element ist vorzugsweise Lanthan (La) und/oder Bismuth (Bi) und/oder Neodym (Nd) und/oder Tantal (Ta) und/oder Antimon (Sb).
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die bereichsweise unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften ortsselektiv durch eine unterschiedliche Konzentration des mindestens einen Dotierstoffs erzeugt sind. Das gradierte Keramikmaterial weist demnach bereichsweise eine unterschiedliche Konzentration des mindestens einen Dotierstoffs auf, wodurch in Abhängigkeit von der Konzentration ortsselektiv unterschiedliche mechanische Eigenschaften erzeugt sind. Die Besonderheit liegt dabei im ortsselektiven Einstellen der mechanischen Kennwerte des PZT- bzw. Keramikmaterials durch Dotierung mit Elementen, beispielsweise mit Lanthan (La), Bismuth (Bi), Neodym (Nd), Tantal (Ta) oder Antimon (Sb), als A- oder B-Platz Donatoren. Diese beeinflussen die elektromechanischen Eigenschaften durch Veränderung des Perovskitgitters sowie das Kornwachstum während des Sinterprozesses bei der Herstellung des Keramikmaterials aus einem Ausgangsmaterial. Damit ändern sich durch die Dotierung auch die makroskopischen Eigenschaften des PZT-Materials in Abhängigkeit von der Konzentration der Dotierstoffe.
  • Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der mindestens eine Dotierstoff in einem Druckschritt auf einzelne Piezolagen und/oder Piezoelemente und/oder den gesamten Piezoaktor aufgebracht ist.
  • Dabei sind vorzugsweise die Stellen bedruckt, welche frei von Innenelektroden sind.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der mindestens eine Dotierstoff nach dem Laminieren des gesamten Piezoaktors über eine Beschichtung, beispielsweise einen Lack oder eine Tauchbeschichtung, appliziert ist.
  • Der mindestens eine Dotierstoff ist vorzugsweise nach dem Laminieren des gesamten Piezoaktors durch Umhüllen des Grünlings mit einer dotierten Keramikmaterial-Folie, beispielsweise in einem Kaltlaminierschritt, appliziert.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform soll die dünne Keramikfolie in Form eines extrudierten Röhrchens als Isolationsschicht zum Einsatz kommen. Insbesondere ein über den Umfang in seiner Wandstärke angepasstes Röhrchen (tailored tube) stellt eine vorteilhafte Möglichkeit dar, diese Schicht auf den Piezoaktor aufzubringen und gleichzeitig die Nachbearbeitung zu vereinfachen. Wird als Material für diese Röhrchen, wie zuvor beschrieben, eine entsprechend dotierte Keramik eingesetzt, so kann insbesondere auch ein in radialer Richtung gradierter Werkstoff nach dem Sinterprozess und eine durchpolarisierte Isolationszone erzielt werden mit den Vorteilen in der Handhabung eines Röhrchens im Verhältnis zu einer Folie. Darüber hinaus ist es möglich, den Gedanken des sogenannten tailored tube auf den Werkstoff zu erweitern. Durch eine Dotierung der Keramikpaste in der Extrusionsdüse während der Herstellung des Röhrchens ist eine unterschiedlich starke Dotierung in Umfangsrichtung möglich. Somit können besonders rissanfällige Bereiche, wie beispielsweise die Zone der Außenanbindung der Innenelektroden gezielt weicher eingestellt werden.
  • Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich durch ein Ausnutzen der einfachen Herstellung des Röhrchens in einem Extrusionsprozess. Neben den geometrischen Variationen in Umfangsrichtung kann dieses selektive Gestalten auch am Werkstoff selbst erfolgen. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass das Röhrchen in Umfangsrichtung bei der Herstellung unterschiedlich stark mit den erfindungsgemäßen Dotierstoffen versetzt werden kann. Wird ein so erzeugtes Röhrchen als Isolationszone auf einen sogenannten Aktorgrünling aufgebracht, so entstehen durch die unterschiedlich starken Dotierungen unterschiedlich steile Gradienten in Umfangsrichtung sowie radial am Piezoaktor. Damit ist es möglich, sehr gezielt Bereiche mit unterschiedlichen mechanischen Kennwerten einzustellen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 Eine schematische Darstellung eines Piezoinjektors mit einem Piezoaktor in einem Längsschnitt.
  • 2a bis 2c schematische Schnitte eines erfindungsgemäßen Piezoaktors im Längsschnitt (2a und 2b) und in einem Querschnitt (2c) vor dem Sintern.
  • 3a und 3b schematische Schnitte eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezoaktors mit einer Dotierung im Bereich des Mantels vor dem Sintern.
  • 4a und 4b schematische Schnitte eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezoaktors mit einer Dotierung im Bereich des Mantels nach dem Sintern.
  • 5a und 5b schematische Schnitte eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezoaktors mit einer Dotierung im Bereich der Piezolagen vor dem Sintern.
  • 6a und 6b schematische Schnitte eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezoaktors mit einer Dotierung im Bereich der Piezolagen nach dem Sintern.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Ein in 1 dargestellter Piezoinjektor 1 umfasst im Wesentlichen einen Haltekörper 2 und einen in dem Haltekörper 2 angeordnetes Piezoaktormodul 3, das unter anderem einen Aktorkopf 4 und einen Aktorfuß 5 aufweist. Es sind dabei zwischen dem Aktorkopf 4 und dem Aktorfuß 5 mehrere übereinander gestapelte Piezoelemente 6 zur Bildung des eigentlichen Piezoaktors 16 als Vielschichtbauteil vorhanden, wobei Schichten jeweils aus Piezolagen aus Piezokeramik und diese einschließende Innenelektroden 7 und 8 bestehen.
  • Die Innenelektroden 7 und 8 der Piezoelemente 6 sind mit Außenelektroden 10 und 11 und dann über ein Steckerteil 9 elektrisch kontaktiert. Das Piezoaktormodul 3 ist über einen Koppler 12 mit einer Düsennadel 13 verbunden. Durch Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente 6 über die Innenelektroden 7 und 8 und die daraus folgende mechanische Reaktion wird, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert, eine Düsenöffnung 14 freigegeben. Das Piezoaktormodul 3 wird bei der dargestellten Anwendung nach 1 als Piezoinjektor 1 in einem Raum 15 von einem mit dem Piezoinjektor 1 zu dosierenden Medium, typischerweise einem Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor umströmt.
  • Um bei dünnen Schichten eine abwechselnde Polarität zwischen den Innenelektroden 7 und 8 zu erreichen, werden diese in einem ab 2a ff deutlicher erkennbaren, sogenannten Interdigitaldesign angeordnet. Dieses bedingt, dass an den Außenelektroden 10 und 11, Ober die die Innenelektroden 7 und 8 nach außen elektrisch kontaktiert sind, im Verlauf des Stapels aus mehreren Piezoelementen 6 von oben nach unten oder von unten nach oben jeweils nur jede zweite Innenelektrode 7 oder 8 pro Seite bis zur der jeweiligen Außenelektrode 10 oder 11 geführt ist. Um den so aufgebauten Piezoaktor 16 betreiben zu können, muss eine Polarisierung der durch die Piezolagen bzw. Piezoelemente 6 gebildeten Einzelschichten erfolgen. Da sich an den Stellen ohne gegenpolige Innenelektroden 7, 8, also an den Randbereichen, wo jeweils nur die Innenelektroden 7 oder 8 einer Polarität bis zum Rand des Piezoaktors 16 geführt sind, kein durch die Pfeile 20 angedeutetes elektrisches Feld aufbauen kann, erfolgt dort keine Polung und dieser Bereich des Piezoaktors 16 bleibt auch im Betrieb passiv.
  • Der Piezoaktor ist 16 dabei vorzugsweise durch ein Schutzschichtsystem 17 mit einem Mantel 21 bzw. aus einer oder mehreren funktionalen Mantelschichten vor schädlichen Substanzen des umgebenden Kraftstoffs geschützt. In 2b ist ein Detailschnitt ohne Außenelektroden gezeigt und 2c zeigt einen Querschnitt durch den Piezoaktor 16 im Bereich der Innenelektrode 8.
  • Einen weiteren passiven Bereich kann eine beispielsweise beim Sintern gezielt herstellbare Isolationszone darstellen. Dabei wird jede Innenelektrode 7, 8 nur an bestimmten Stellen bis zum Rand des Piezoaktors 16 geführt. An allen anderen Stellen wird ein Rand unbedruckt belassen, um so die Isolation am Mantel des Piezoaktors 16 sowie insbesondere an der Kontaktierung der jeweils gegenpoligen Innenelektroden 7, 8 mit der jeweiligen Außenelektrode 10, 11 zu verwirklichen. Diese Zonen ohne Innenelektroden 7, 8 stehen ab dem Polungsvorgang unter erhöhter mechanischer Spannung, da das Material durch die Polarisation eine Längung in Polarisationsrichtung erfährt. Durch die Dehnung des aktiven Bereichs im Betrieb entsteht zusätzlich eine mechanische Mehrbelastung in den inaktiven Randbereichen, was zu einer unerwünschten Rissbildung an diesen Stellen führt.
  • Außerdem hemmen die inaktiven Bereiche die aktiven, die Dehnung anregenden Bereiche. Dies ist als Klemmeffekt bekannt.
  • Um durch Verringerung des Klemmeffekts und Verhinderung von Rissbildung und Risspropagation eine Funktionsverbesserung des Piezoaktors 16 zu erreichen, ist erfindungsgemäß eine Verwendung eines im Folgenden als gradierter Werkstoff bezeichneten Werkstoffs, insbesondere eines Keramikmaterials mit bereichsweise unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften vorgesehen, welche fließend ineinander übergehen. Dabei wird einerseits gezielt der Rissbildung an hochbelasteten Stellen entgegengewirkt, sowie andererseits die Leistungsfähigkeit des Piezoaktors 16 hinsichtlich der im Betrieb erreichbaren Gesamtdehnung durch das Verringern des Klemmeffekts der inaktiven Bereiche verbessert.
  • Die Besonderheit liegt dabei im ortsselektiven Einstellen der mechanischen Kennwerte des PZT- bzw. Keramikmaterials durch Dotierung mit Elementen, beispielsweise mit Lanthan (La), Bismuth (Bi), Neodym (Nd), Tantal (Ta) oder Antimon (Sb), als A- oder B-Platz Donatoren. Diese beeinflussen die elektromechanischen Eigenschaften durch Veränderung des Perovskitgitters sowie das Kornwachstum während des Sinterprozesses. Damit ändern sich durch die Dotierung auch die makroskopischen Eigenschaften des PZT-Materials in Abhängigkeit von der Konzentration der Dotierstoffe.
  • Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich insbesondere dadurch, dass durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einsatz eines in seinen mechanischen Eigenschaften gradierten Werkstoffes an den genannten, mechanisch stärker belasteten Stellen ein Herabsetzen der maximal auftretenden Zugspannungen in den PZT-Keramiken erreicht werden kann. Somit ist es möglich die auftretenden Kräfte bzw. Spannungen in diesen Bereichen unterhalb der kritischen Werte für Rissbildung und Risspropagation des jeweiligen Materials zu halten. Rissbildung kann somit an funktionskritischen Stellen, im Idealfall im gesamten Piezoaktor vermieden werden. Zusätzlich verringert sich durch die durch das Dotieren verringerte Steifigkeit im inaktiven Bereich der Klemmeffekt, was zu einem größeren Hub des Piezoaktors führt.
  • Wie bereits in der Beschreibungseinleitung beschrieben, entstehen durch aktive und passive Zonen im Piezoaktor 16 Regionen mit unterschiedlichen Spannungszuständen. Keramiken sind insbesondere empfindlich auf Rissbildung unter Zugspannung. In den passiven Bereichen, welche üblicherweise im Bereich des Mantels 21 sowie in den Kontaktierungszonen zwischen den Innenelektroden 7, 8 und den Außenelektroden 10, 11 auftreten, kommt es aus funktionalen Gründen, insbesondere der Isolation der gegenpoligen Innenelektroden 7, 8, zwingend zu solchen Zugspannungen. Neben der erhöhten Rissanfälligkeit bewirken die passiven Bereiche Verluste in der gesamt erreichbaren Dehnung des Piezoaktors. Durch den sogenannten Klemmeffekt verringern die passiven Bereiche die Gesamtdehnung dadurch, dass sie durch die aktiven Bereiche mitgestreckt werden müssen. Je nach mechanischer Steifigkeit des passiven Materials sowie Anbindung an den aktiven Bereich äußert sich dieser Effekt nicht nur in den passiven Bereichen der PZT-Keramik, sondern auch bei Ummantelungsmaterialien.
  • Um beiden Effekten, dem Klemmeffekt, sowie der Rissbildung entgegenzuwirken, wird das PZT-Material erfindungsgemäß lokal durch Dotierstoffe derart verändert, dass sich die mechanischen Eigenschaften deutlich in Richtung eines kleineren bzw. geringeren E-Moduls verändern. In der Folge werden die dort auftretenden Kräfte bei gleicher Dehnung signifikant verringert. Dies wiederum bewirkt, dass einerseits die Dehnung des aktiven Bereichs weniger gehemmt wird, also der Klemmeffekt verringert wird, andererseits ein Überschreiten der Kraft- bzw. Spannungsschwelle für Risswachstum sowie vorzugsweise Rissbildung in der Keramik vermieden werden kann bzw. vermieden wird. Der Dotierstoff kann über unterschiedliche Verfahren selektiv eingebracht werden.
  • Eine Möglichkeit gemäß 3a und 3b besteht darin, einen der zuvor beschriebenen Dotierstoffe als Dotierung 22 nach dem Laminieren des gesamten Piezoaktors 16 über eine als Mantel dienende Beschichtung, beispielsweise einen Lack oder eine Tauchbeschichtung, oder durch Umhüllen des Grünlings mit einer dotierten PZT-Folie, beispielsweise in einem Kaltlaminierschritt, zu applizieren. Nach dem Laminieren durch Übereinanderschichten der Piezolagen bzw. Piezoelemente 6 erhält man dann den Piezoaktor 16 in einem in der 3a und 3b dargestellten Grünzustand, einem sogenannten Grünling. Während des Sinterproszesses verteilt sich die Dotierung 22 aus der Beschichtung über Diffussionsprozesse im Piezoaktor 16, sodass sich ein Gradient 23 in der Dotierstoffkonzentration ergibt, wie es aus 4a und 4b ersichtlich ist.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, gemäß 5a und 5b eine Dotierung 24 in einem Druckschritt auf die einzelnen Piezolagen der Piezoelemente 6 des Piezoaktors 16 aufzubringen. Dabei werden bevorzugt die Stellen bedruckt, welche nicht mit Innenelektroden 7, 8 versehen sind. Nach dem Laminieren durch Übereinanderschichten der Piezolagen bzw. Piezoelemente 6 erhält man dann auch hier den Piezoaktor 16 in einem in der 5a und 5b dargestellten Grünzustand, einem sogenannten Grünling. Während des Sinterprozesses verteilt sich dann auch hier die Dotierung 24 aus der Druckschicht über Diffussionsprozesse im Piezoaktor 16, sodass sich hier lokal begrenzt ein Gradient 25 in der Dotierstoffkonzentration ergibt, wie es aus 6a und 6b ersichtlich ist.
  • Ausgehend von beiden zuvor beschriebenen Grünzuständen des Piezoaktors 16 stellt sich während des Sinterprozesses aufgrund der Konzentrationsunterschiede und resultierenden Diffusionsvorgängen somit ein Gradient in der Dotierstoffkonzentration im Piezoaktor 16 ein. Dieser Gradient bewirkt insbesondere einen kontinuierlichen Übergang hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des PZT-Materials mit entsprechend positiven Effekten im Spannungsverlauf.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19615695 C1 [0008]
    • - DE 1986000 B4 [0009]

Claims (11)

  1. Piezoaktor (16) umfassend mindestens ein Piezoelement (6) aus einem Keramikmaterial mit darin eingebrachten, mittels Außenelektroden (10, 11) elektrisch kontaktierten Innenelektroden (7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial ein durch Dotierung (22, 24) mit mindestens einem Dotierstoff hergestelltes gradiertes Keramikmaterial ist, mit bereichsweise unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, welche fließend ineinander übergehen.
  2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial ein Blei-Zirkonat-Titanat(PZT)-Keramikmaterial ist.
  3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dotierstoff der Dotierung (22, 24) ein A- oder B-Platz Donator ist.
  4. Piezoaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dotierstoff der Dotierung (22, 24) mindestens ein die elektromechanischen Eigenschaften durch Veränderung des Perovskitgitters sowie das Kornwachstum während des Sinterprozesses bei der Herstellung des Keramikmaterials beeinflussendes Element umfasst.
  5. Piezoaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Element Lanthan (La) und/oder Bismuth (Bi) und/oder Neodym (Nd) und/oder Tantal (Ta) und/oder Antimon (Sb) ist.
  6. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bereichsweise unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften ortsselektiv durch eine unterschiedliche Konzentration des mindestens einen Dotierstoffs der Dotierung (22, 24) erzeugt sind.
  7. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dotierstoff der Dotierung (24) in einem Druckschritt auf einzelne Piezolagen und/oder Piezoelemente (6) und/oder den gesamten Piezoaktor (16) aufgebracht ist.
  8. Piezoaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen bedruckt sind, welche frei von Innenelektroden (7, 8) sind.
  9. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dotierstoff der Dotierung (22) nach dem Laminieren des Piezoaktors (16) über eine Beschichtung als Mantel appliziert ist.
  10. Piezoaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dotierstoff der Dotierung (22) nach dem Laminieren des Piezoaktors (16) durch Umhüllen des Grünlings mit einer dotierten Keramikmaterial-Folie appliziert ist.
  11. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial in Form eines extrudierten Rohres aufgebracht ist.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19615695C1 (de) 1996-04-19 1997-07-03 Siemens Ag Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors monolithischer Vielschichtbauweise

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DE19615695C1 (de) 1996-04-19 1997-07-03 Siemens Ag Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors monolithischer Vielschichtbauweise

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