DE102007037552A1 - Piezoelektrischer Aktor - Google Patents

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Abstract

Ein piezoelektrischer Aktor (2) für ein Brennstoffeinspritzventil (1) weist einen Aktorkörper (23) mit einer Vielzahl von keramischen Schichten (26, 27, 28) und einer Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten (26, 27, 28) angeordneten Elektrodenschichten (30, 31, 32, 33) auf. Dabei ist ein Teil der Elektrodenschichten mit einer Elektrodenanbindung (35) und ein weiterer Teil der Elektrodenschichten mit einer weiteren Elektrodenanbindung (36) abwechselnd verbunden. Der Aktorkörper (23) ist in einen aktiven Bereich (41) und einen semi-aktiven Bereich (40) aufgeteilt. Um Spannungen und somit Risse im Material des Aktorkörpers (23), insbesondere im semi-aktiven Bereich (40), zu verhindern, weist der Aktorkörper (23) eine homogene Grundpolarisierung auf, die sich über den aktiven Bereich (41) und den semi-aktiven Bereich (40) erstreckt.

Description

  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Offenbarung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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:
  • 1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors in einer detaillierten Schnittdarstellung und
  • 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Polarisierung des piezoelektrischen Aktors des Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.
  • 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 102004012284 A1 [0002, 0003]

Claims (8)

  1. Piezoelektrischer Aktor (2), insbesondere Aktor für Brennstoffeinspritzventile, mit einem Aktorkörper (23), der eine Vielzahl von keramischen Schichten (26, 27, 28) und eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten (26, 27, 28) angeordneten Elektrodenschichten (30, 31, 32, 33) aufweist, wobei ein Teil der Elektrodenschichten mit einer Elektrodenanbindung (35) und ein weiterer Teil der Elektrodenschichten mit einer weiteren Elektrodenanbindung (36) verbunden ist und wobei der Aktorkörper (23) einen aktiven Bereich (41) und zumindest einen semi-aktiven Bereich (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (23) eine zumindest im Wesentlichen homogene Grundpolarisierung aufweist, die sich über den aktiven Bereich (41) und den semi-aktiven Bereich (40) erstreckt.
  2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschichten (30, 31, 32, 33) abwechselnd mit der Elektrodenanbindung (35) und der weiteren Elektrodenanbindung (36) elektrisch verbunden sind und dass bei einer Ansteuerung jede zweite keramische Schicht im aktiven Bereich (41) entgegen der Grundpolarisierung polarisiert ist.
  3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ansteuerung die homogene Grundpolarisierung im semi-aktiven Bereich (40) zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst ist.
  4. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die homogene Grundpolarisierung eine remanente Grunddehnung des Aktorkörpers (23) hervorruft.
  5. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch eine Ansteuerung bewirkte Dehnung entgegen der Grunddehnung gerichtet ist.
  6. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanbindungen (35, 36) mittels eines Klebstoffes oder eines Kaltbeschichtungsvorganges mit dem Aktorkörper (23) verbunden sind.
  7. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundpolarisierung durch ein elektrisches Feld mit einer Stärke von etwa 2 kV/mm hervorgerufen wird.
  8. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen Aktor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem von dem Aktor (2) betätigbaren Ventilschließkörper (12), der mit einer Ventilsitzfläche (11) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004012284A1 (de) 2003-03-13 2004-12-09 Denso Corp., Kariya Piezoelektrisches Schichtelement

Patent Citations (1)

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