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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor für ein
Brennstoffeinspritzventil und ein Brennstoffeinspritzventil mit
solch einem piezoelektrischen Aktor. Speziell betrifft die Erfindung
das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen
von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 10 2004
012 284 A1 ist ein piezoelektrisches Schichtelement bekannt,
das eine Schichtkörpereinheit mit einer Vielzahl von übereinander
geschichteten Elementeinheiten aufweist, in denen abwechselnd piezoelektrische
Schichten und Innenelektrodenschichten übereinander geschichtet sind,
wobei ein Paar auf den Seiten der Schichtkörpereinheit
befindliche Seitenelektroden jede zweite Innenelektrodenschicht
elektrisch miteinander verbinden. Ferner ist zwischen der Seitenelektrode
und der zwischen den Elementeinheiten ausgebildeten Aufschichtungsgrenze
ein Hohlraumabschnitt vorhanden, der aus einer sich zur Seitenelektrode
hin öffnenden Nut besteht. Dadurch wird ein Brechen der Seitenelektroden
verhindert, so dass eine hohe Haltbarkeit erzielt ist. Bei der Versorgung
der Seitenelektroden mit elektrischer Energie werden die piezoelektrischen
Elemente nämlich so erregt, dass sich die piezoelektrischen
Schichten ausdehnen, wobei es bei der Energiezuführung
zu einer Längendifferenz zwischen einem mittleren Abschnitt
und dem Außenumfangsabschnitt des piezoelektrischen Schichtelements
kommen kann, wodurch in dem Außenumfangsabschnitt eine
nicht unbeträchtliche Spannung entstehen kann, die ansonsten
zum Brechen der Seitenelektrode führt.
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Das
aus der
DE 10
2004 012 284 A1 bekannte piezoelektrische Schichtelement
hat den Nachteil, dass die Ausbildung mit den Hohlraumabschnitten aufwändig
und somit mit erhöhten Kosten verbunden ist. Speziell das
Auffüllen der Hohlraumabschnitte mit Klebstoff erfordert
weitere Verfahrensschritte. Außerdem ist für eine
wirkungsvolle Reduktion der Spannungen in dem Außenumfangsabschnitt
eine große Anzahl von Elementeinheiten erforderlich, die
an ihren Stirnseiten miteinander zu verbinden sind. Ferner entstehen
im Bereich der Vielzahl von Verbindungsflächen zwischen
den Elementeinheiten passive Bereiche, die funktionslos sind, was
die Gesamtbaulänge des piezoelektrischen Schichtelements
vergrößert.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße
Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 9 haben
demgegenüber den Vorteil, dass eine Reduzierung der in
dem Aktorkörper auftretenden Spannungen möglich
ist, die nicht auf geometrische Veränderungen der Gestalt des
Aktorkörpers angewiesen ist. Dies ermöglicht auch
eine größere Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der
Geometrie des Aktorkörpers. Hierbei ist es aber möglich,
dass eine Kombination mit geometrischen Maßnahmen zur Spannungsreduzierung
erfolgt.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruchs 1 angegebenen
piezoelektrischen Aktors und des im Anspruch 9 angegebenen Brennstoffeinspritzventils
möglich.
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Piezokeramiken
für aktorische Anwendungen benötigen für
ihre Funktion in der Regel ein hohes elektrisches Feld von mehr
als 1,5 kV/mm. Damit die Steuerspannung im Betrieb auf ein handhabbares
Maß begrenzt ist, werden piezoelektrische Aktoren im Vielschichtaufbau
hergestellt. Die einzelne Schicht ist hierbei beispielsweise 0,1
mm dick und kann somit schon mit 150 V angesteuert werden. Die Ausgestaltung
der Elektrodenschichten erfolgt in vorteilhafter Weise entsprechend
einem interdigitalen Design, bei dem die Elektrodenschichten nicht
den gesamten Querschnitt des Aktorkörpers ausfüllen, sondern
alternierend so versetzt sind, dass eine gemeinsame Kontaktierung
einer Polarität an einer Seite möglich ist, ohne
die Elektroden kurzzuschließen. Dabei ist ein Teil der
Elektrodenschichten im Bereich der entsprechenden Elektrodenanbindung
bis an die Außenseite des Aktorkörpers geführt,
wobei der weitere Teil der Elektrodenschichten in diesem Bereich etwas
beabstandet zu der Außenseite ist. Im Bereich der Kontaktierung
der weiteren Elektrodenanbindung ist in entsprechender Weise der
weitere Teil der Elektrodenschichten an die Außenseite
geführt, während der andere Teil der Elektrodenschichten
etwas beabstandet ausgeführt ist.
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Bei
diesem interdigitalen Design ist der Aktorkörper in einen
aktiven Bereich und jeweils einen semi-aktiven Bereich an jeder
der Elektrodenanbindungen aufgeteilt. Hierdurch ergeben sich Probleme in
Bezug auf den Polungsprozess des Aktorkörpers. Durch Anlegen
einer elektrischen Spannung zwischen die Elektrodenanbindungen wird
eine Polarisierung der keramischen Schichten des Aktorkörpers erreicht,
um deren aktorische Fähigkeit zu aktivieren. Während
dieser Polung dehnt sich der Werkstoff remanent um beispielsweise
0,3% aus. Da das durch die angelegte Spannung erzeugte elektrische
Feld zumindest im Wesentlichen nur zwischen den Elektrodenschichten,
das heißt im aktiven Bereich, erzeugt wird, erfolgt der
Polungsprozess auch fast ausschließlich im aktiven Bereich,
wodurch es zu erheblichen Zugeigenspannungen im semi-aktiven Randbereich
kommt. Diese können so hoch sein, dass es zu Polungsrissen
kommt, die sich negativ auf die Bauteillebensdauer auswirken.
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Der
Aktorkörper weist eine zumindest im Wesentlichen homogene
Gundpolarisierung auf. Diese kann beispielsweise mit einem zusätzlichen
Prozessschritt bei der Aktorherstellung ausgebildet werden, wobei
eine möglichst vollständige und homogene Polung
gewährleistet wird. Hierbei wird der Aktorkörper vor
der Anbringung der Außenelektroden in ein elektrisches
Feld eingebracht, das beispielsweise durch mittels auf den Stirnflächen
applizierter Elektroden erzeugt ist. Die im Inneren des Aktorkörpers
vorgesehenen Elektrodenschichten beeinflussen hierbei auf Grund
ihrer senkrecht zum elektrischen Feld liegenden Orientierung die
Ansteuerung nicht. Bei diesem Vorgang dehnt sich der Werkstoff im
aktiven Bereich und im semi-aktiven Bereich im gleichen Maße
aus, so dass keine Eigenspannungszustände auftreten. Der
Aktorkörper weist dann eine homogene Grundpolarisierung
auf, die sich über den aktiven Bereich und den semi-aktiven
Bereich erstreckt. Nach dem Entfernen der Polungselektroden, dem
Anbringen der Außenelektroden und gegebenenfalls weiterer Bearbeitungsschritte
kann der Aktor normal angesteuert werden, wobei jede zweite Schicht
neu polarisiert wird, da die entsprechenden keramischen Schichten
vorzugsweise entgegen der Grundpolarisierung angesteuert werden.
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Hierfür
werden die Elektrodenschichten in vorteilhafter Weise abwechselnd
mit der Elektrodenanbindung und der weiteren Elektrodenanbindung
elektrisch verbunden, wobei bei einer Ansteuerung jede zweite keramische
Schicht im aktiven Bereich entgegen der Grundpolarisierung polarisiert
ist. Die hierfür erforderliche Neupolarisierung ändert
jedoch nicht den endgültigen Dehnungszustand, so dass abschließend
das Bauteil wieder frei von Eigenspannungen ist. Somit ergibt sich
der Vorteil, dass bei der Betriebsansteuerung der Dehnungsunterschied zwischen
aktivem Bereich und semi-aktivem Bereich nur auf die Dehnungsänderung
im Betrieb beschränkt ist und der Belastungszustand somit
beispielsweise um etwa 50% im Vergleich zum konventionellen Aktor
reduziert ist. Der verminderte Zugspannungszustand erhöht
direkt die Bauteillebensdauer, da diese maßgeblich von
den Randzugspannungen bestimmt ist. Vorteilhaft ist es, dass die
Elektrodenanbindung mittels eines Klebstoffes oder eines Kaltbeschichtungsvorganges
mit dem Aktorkörper verbunden ist. Dies hat den Vorteil,
dass die Grundpolarisierung erhalten wird, da eine thermische Depolarisierung
der keramischen Schichten, die bei Temperaturen ab 250°C
auftreten kann, verhindert ist.
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Vorteilhaft
ist, dass die Grundpolarisierung durch ein elektrisches Feld mit
einer Stärke von etwa 2 kV/mm hervorgerufen wird. Ferner
ist es vorteilhaft, dass bei einer Ansteuerung in einem Teil des
aktiven Bereichs des Aktors entgegen der Grundpolarisierung eine
Polarisierung hervorgerufen wird, die aus einem Bereich von etwa
0% bis etwa 50% ist. Durch die homogene Polarisierung des gesamten
Aktors können remanente Zugeigenspannungen verhindert werden.
Die homogene Polarisierung kann mit einer hohen elektrischen Spannung
erfolgen, die ein elektrisches Feld von etwa 2 kV/mm erzeugt. Dabei
ist es auch möglich, dass der Aktorkörper im erhitzten
Zustand dem elektrischen Feld unterworfen ist, wodurch sich die
Polung auch bei niedrigeren Feldstärken, beispielsweise
von 1 kV/mm oder weniger, realisieren lässt. Diese Polarisierung
findet vor der elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten
mit den Außenelektroden statt, da die miteinander verbundenen
Elektrodenschichten zu einer inneren Feldfreiheit führen
würden.
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Nach
dem Anbringen der Außenelektroden kann die normale Ansteuerung
des Aktors erfolgen, wobei der Dehnungszustand im semi-aktiven Bereich weitgehend
unverändert bleibt. Da vorzugsweise jede zweite Schicht
entgegen ihrer bereits bestehenden Polarisierung angesteuert wird,
kommt es hier zu einer Umpolung. Dabei dreht sich die Polarisationsachse
um 180°. Mechanisch gesehen kommt es bei diesem Prozess
zu einer vorübergehenden negativen Dehnung, jedoch ist
der finale Dehnungszustand mit dem Ausgangszustand wieder identisch.
Es treten nach der Umpolung jedoch keine Zugeigenspannungen im Randbereich
auf, so dass die Rissbildung eingeschränkt und ein unterkritisches
Risswachstum verhindert ist. Im Betrieb dehnt sich der Aktorkörper im
aktiven Bereich aus, wodurch Zugspannungen im semi-aktiven Bereich
auftreten, da dieser konstruktionsbedingt nicht angesteuert wird.
Allerdings ist die entstehende mechanische Spannung reduziert, da nur
die Betriebsdehnung zu einer Spannung führt. Diese Dehnung
kann beispielsweise nur halb so groß wie die remanente
Dehnung auf Grund der Polung sein.
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Speziell
besteht der Vorteil, dass die während der Standzeit des
Bauteils bestehenden Zugeigenspannungen vermieden und damit das
unterkritische Risswachstum verhindert ist. Ferner können auch
die im Betrieb auftretenden Spannungen reduziert werden, so dass
eine Rissbildung und ein Risswachstum reduziert ist, was sich positiv
auf die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit auswirkt. Ferner besteht
der Vorteil, dass unterschiedliche Aktorgeometrien realisiert werden
können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen,
in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer
schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 den
in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt eines erfindungsgemäßen
piezoelektrischen Aktors in einer detaillierten Schnittdarstellung
und
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3 ein
Diagramm zur Erläuterung der Polarisierung des piezoelektrischen
Aktors des Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektischen
Aktor 2 entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere
als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht
für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einer Brennstoffverteilerleiste,
die Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 2 eignet
sich besonders für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1.
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und
der erfindungsgemäße Aktor 2 eignen sich
jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3 und
einen mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen Brennstoffeinlassstutzen 4 auf.
An den Brennstoffeinlassstutzen 4 ist eine Brennstoffleitung anschließbar,
um Brennstoff in einen im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Aktorraum 5 einzuleiten. Der Aktorraum 5 ist durch
ein Gehäuseteil 6 von einem ebenfalls im Inneren
des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen Brennstoffraum 7 getrennt.
In dem Gehäuseteil 6 sind Durchlassöffnungen 8, 9 vorgesehen,
um den über den Brennstoffeinlassstutzen 4 in den
Aktorraum 5 geführten Brennstoff in den Brennstoffraum 7 zu
leiten.
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An
einem mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen Ventilsitzkörper 10 ist
eine Ventilsitzfläche 11 ausgebildet, die mit
einem Ventilschließkörper 12 zu einem
Dichtsitz zusammenwirkt. Der Ventilschließkörper 12 ist
einstückig mit einer Ventilnadel 15 ausgebildet, über
die der Ventilschließkörper 12 mit einer im
Aktorraum 5 vorgesehenen Druckplatte 16 verbunden
ist. Das Gehäuseteil 6 führt die Ventilnadel 15 in
Richtung einer Achse 17 des Brennstoffeinspritzventils 1.
Eine Ventilfeder 18, die einerseits an dem Gehäuseteil 6 und
andererseits an der Druckplatte 16 anliegt, beaufschlagt
die Ventilnadel 15 mittels der Druckplatte 16 mit
einer Schließkraft, so dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und
der Ventilsitzfläche 11 gebildete Dichtsitz geschlossen ist.
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An
dem Ventilgehäuse 3 ist außerdem ein Anschlusselement 20 ausgebildet,
das das Anschließen einer elektrischen Zuleitung an das
Brennstoffeinspritzventil 1 ermöglicht. Die elektrische
Zuleitung kann dabei mittels eines Steckers an elektrische Leitungen 21, 22 angeschlossen
werden. An einen Aktorkörper 23 des Aktors 2 sind
einerseits ein Aktorfuß 24 und andererseits ein
Aktorkopf 25 angefügt. Die elektrischen Leitungen 21, 22 sind
durch das Gehäuse 3 und den Aktorfuß 24 an
den Aktorkörper 23 geführt.
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Der
Aktorkörper 23 des piezoelektrischen Aktors 2 weist
eine Vielzahl von keramischen Schichten 26, 27, 28 und
eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten angeordneten
Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 auf.
Dabei sind zur Vereinfachung der Darstellung exemplarisch die keramischen Schichten 26, 27, 28 und
die Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 gekennzeichnet.
Die Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 sind
so ausgestaltet, dass sich diese jeweils nur über einen
Teil des Querschnitts des Aktorkörpers 23 erstrecken.
An einer Außenseite 34 des Aktorkörpers 23 sind
eine Elektrodenanbindung 35 und eine weitere Elektrodenanbindung 36 vorgesehen,
die einander gegenüberliegen. Ein Teil der Elektrodenschichten,
der die Elektrodenschichten 31, 33 umfasst, ist
einerseits im Bereich der Elektrodenanbindung 35 bis an
die Außenseite 34 geführt und andererseits
im Bereich der weiteren Elektrodenanbindung 36 etwas von
der Außenseite 34 beabstandet. Entsprechend ist
ein weiterer Teil der Elektrodenschichten, der die Elektrodenschichten 30, 32 umfasst,
im Bereich der weiteren Elektrodenanbindung 36 bis an die
Außenseite 34 geführt und im Bereich der
Elektrodenanbindung 35 etwas von der Außenseite 34 beabstandet.
Somit ist der Teil mit den Elektrodenschichten 31, 33 nur
mit der Elektrodenanbindung 35 elektrisch kontaktiert,
während der weitere Teil mit den Elektrodenschichten 30, 32 mit
der weiteren Elektrodenanbindung 36 elektrisch kontaktiert ist.
Die weitere Ausgestaltung des Aktorkörpers 23 ist anhand
der 2 in weiterem Detail erläutert.
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Zur
Isolierung des piezoelektrischen Aktors 2, insbesondere
des Aktorkörpers 23, ist außerdem eine
elektrisch isolierende, kraftstoffbeständige Ummantelung 37 vorgesehen,
die vereinfacht dargestellt ist. Die Ummantelung 37 ermöglicht
die Anordnung des piezoelektrischen Aktors 2 in dem mit
Brennstoff durchflossenen Aktorraum 5. Falls ein separater
Aktorraum 5 vorgesehen ist, der konstruktiv gegenüber dem
Brennstoff abgedichtet ist, kann die Ummantelung 37 auch
entfallen.
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2 zeigt
den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt in einer detaillierten
Schnittdarstellung. Dabei zeigt die 2 die Ausgestaltung
des piezoelektrischen Aktors 2 im Bereich der weiteren
Elektrodenanbindung 36. Die Ausgestaltung des piezoelektrischen
Aktors 2 im Bereich der Elektrodenanbindung 35 ergibt
sich in entsprechender Weise.
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Da
die Elektrodenschichten 31, 33 etwas beabstandet
von der weiteren Elektrodenanbindung 36 sind, ergibt sich
ein semi-aktiver Bereich 40, in dem die keramischen Schichten 26, 27 zusammen
zwischen den Elektrodenschichten 30, 32 angeordnet sind,
wobei die Elektrodenschichten 30, 32 über
die weitere Elektrodenanbindung 36 elektrisch miteinander
verbunden sind, so dass im Betrieb des piezoelektrischen Aktors 2 kein
wesentliches zusätzliches elektrisches Feld in dem semi-aktiven
Bereich 40 der keramischen Schichten 36, 27 erzeugt
wird. In einem aktiven Bereich 41 besteht im Gegensatz
dazu eine alternierende Anordnung von Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33,
die einerseits mit der Elektrodenanbindung 35 und andererseits
mit der Elektrodenanbindung 36 kontaktiert sind, so dass
bei einer Beaufschlagung des piezoelektrischen Aktors 2 durch
Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die Elektrodenanbindung 35, 36 zusätzliche
elektrische Felder in den keramischen Schichten 26, 27, 28 erzeugt
werden.
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Während
somit im aktiven Bereich 41 des Aktorkörpers 23 abwechselnd
jeweils zwei Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 unterschiedlicher
Polarität parallel zueinander eine keramische Schicht 26, 27, 28 einschließen
und somit zu einem zumindest im Wesentlichen homogenen elektrischen
Feld bei der Ansteuerung führen, liegen sich im semi-aktiven
Bereich 40 jeweils gleiche Polaritäten gegenüber.
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Ohne
die homogene Grundpolarisierung des Aktorkörpers 23 würde
im semi-aktiven Bereich 40 ein stark inhomogenes Dehnungsfeld
entstehen, da der Aktorkörper 23 mit dem aktiven
Bereich 41 polarisiert würde und somit eine remanente
Dehnung nach der Abschaltung der Ansteuerung im aktiven Bereich 41 bestehen
würde, während es im semi-aktiven Bereich 40 zu
keiner homogenen Polung des Materials und somit zu einer entsprechenden
inhomogenen remanenten Dehnung kommen würde. Gegebenenfalls
könnte sogar eine gewisse remanente Kontraktion auftreten.
Im Endeffekt käme es zu wesentlichen Zugeigenspannungen
im Randbereich, welche die Festigkeit des Werkstoffs beziehungsweise
die Festigkeit der Grenzschichten zwischen Metall und Keramik überschreitet
und somit zu Rissbildung führt. Ferner kann bei ständiger
Belastung ein unterkritisches langsames Risswachstum auftreten,
welches die Lebensdauer des Bauteils reduziert.
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Erfindungsgemäß wird
der Aktorkörper 23 vor der elektrischen Kontaktierung
der Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 mittels
der Elektrodenanbindungen 35, 36 einem zumindest
im Wesentlichen in Richtung der Achse 17 orientierten homogen
starken elektrischen Feld unterworfen, das sich über den
gesamten Querschnitt des Aktorkörpers 23 erstreckt und
somit neben dem aktiven Bereich 41 auch den semi-aktiven
Bereich 40 einschließt. Hierbei können beispielsweise
vorübergehend zwei Außenelektroden auf die beiden
Stirnseiten 42, 43 des Aktorkörpers 23 aufgebracht
werden. Die Polarisierung kann durch eine hohe elektrische Spannung
erfolgen, die beispielsweise ein elektrisches Feld von 2 kV/mm erzeugt.
Das erzeugte Polarisationsfeld kann dann parallel zu der Achse 17 in
der Richtung 44 orientiert sein. Anschließend
kann die Kontaktierung der Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 mittels
der Elektrodenanbindungen 35, 36 erfolgen, so
dass die Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33 abwechselnd
mit der Elektrodenanbindung 35 und der weiteren Elektrodenanbindung 36 elektrisch
kontaktiert sind. Die Aufbringung der Elektrodenanbindungen 35, 36 erfolgt vorzugsweise
bei eher niedrigen Temperaturen, das heißt bei Temperaturen,
bei denen eine thermische Depolarisierung der keramischen Schichten 26, 27, 28 zumindest
im Wesentlichen verhindert ist.
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Bei
der normalen Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 2 bleibt
der Polarisations- und somit auch der Dehnungszustand im semi-aktiven
Bereich 40 weitgehend unbeeinflusst. Da jede zweite keramische
Schicht 27 entgegen ihrer bereits bestehenden Polarisation
angesteuert wird, kommt es in dieser zu einer Umpolung, wobei sich
die Polarisationsachse um 180° dreht. Somit kommt es bei
diesem Prozess mechanisch zu einer vorübergehenden negativen
Dehnung des Aktorkörpers 23. Jedoch ist der endgültige
Dehnungszustand mit dem Ausgangszustand wieder identisch. Es treten
nach der Umpolung somit keine Zugeigenspannungen im Randbereich, insbesondere
im semi-aktiven Bereich 40, auf, so dass eine Rissbildung
zumindest eingeschränkt und ein unterkritisches Risswachstum
verhindert oder verringert ist.
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Bei
der Betriebsansteuerung dehnt sich der aktive Bereich 41 des
Aktorkörpers 23 aus, so dass Zugspannungen im
semi-aktiven Bereich 40 auftreten, die jedoch um beispielsweise
50% reduziert sind, da nur die Betriebsdehnung zu einer Spannung
führt. Diese Betriebsdehnung ist nämlich in der
Regel kleiner als die remanente Dehnung auf Grund der Polung.
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3 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung der Erfindung. Dabei
zeigt die 3 einen Teil einer typischen
Hysteresekurve bei der Ansteuerung des Aktorkörpers 23.
Hierbei ist auf der Abszisse die elektrische Feldstärke
E und auf der Ordinate die Dehnung D aufgetragen. Der Ausgangspunkt 50 liegt
im Ursprung des dargestellten Diagramms. Bei der ersten Ansteuerung
durchläuft der Aktorkörper 23 die Kurve
A, wobei sich beim Durchlaufen der Kurve A der Polungszustand in
dem Aktorkörper 23 ausbildet. Bei der anschließenden
Entlastung durchläuft der Aktorkörper 23 die
Kurve B, wobei eine remanente Dehnung im Entlastungspunkt 51 verbleibt.
Eine typische Betriebsansteuerung verläuft entlang der
Kurve C, bei der sich die Dehnung D wieder bis zum Maximalwert im
Punkt 52 erhöht. Die remanente Dehnung 53 ist
somit größer als die Dehnungsänderung 54 im
Betrieb. Beispielsweise kann die Dehnungsänderung 54 im
Betrieb etwa 50% der remanenten Dehnung 53 ausmachen.
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Durch
die wesentlichen homogene Grundpolarisierung des Aktorkörpers 23 können
somit die mechanischen Spannungen im Aktorkörper 23 im
Betrieb des piezoelektrischen Aktors 2 verringert werden.
Somit kann die Lebensdauer des piezoelektrischen Aktors 2 vergrößert
und die Zuverlässigkeit verbessert werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004012284
A1 [0002, 0003]