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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einem multifunktionalen Aufbau der Piezolagen mit Innenelektroden, wobei unterschiedlich kontaktierte Innenelektrodenzusammensetzungen im Mehrlagenaufbau vorhanden sind, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Ein solcher Piezoaktor ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 040 120 A1 bekannt, der zur Betätigung eines mechanischen Bauteils bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Speziell betroffen ist hier das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen. Es ist prinzipiell bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Mehrlagenaufbau von Piezolagen jeweils aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so angeordnet werden kann, dass bei Anlage einer elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion der Piezolage erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck, bzw. eine mechanische Längung in eine vorgebbare Richtung darstellt.
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Der Mehrlagenaufbau besitzt dabei ein alternierendes (interdigitales) Innenelektrodendesign, bei dem jede piezokeramische Lage zwischen zwei Innenelektroden eingefasst ist, über die eine elektrische Spannung angelegt werden kann und somit jeweils ein Piezoelement bildet. Aufgrund der elektrischen Spannung führen die Piezoelemente jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potenzialgefälles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren. Die Innenelektroden sind dabei wechselseitig mit Außenelektroden zur Zuführung der elektrischen Spannung verbunden.
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Aus der zuvor genannten
DE 10 2005 040 120 A1 ist darüber hinaus bekannt, dass bestimmte voneinander isolierte Bereiche im Innenelektrodendesign durch eine separate Kontaktierung als Sensorbereich genutzt werden können, mit denen die Hubbewegungen des Piezoaktors wiederum detektiert werden können, um eine wirkungsvolle elektrische Regelung des Hubverhaltens des Piezoaktors zu ermöglichen.
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Ein genereller Nachteil aller dieser Piezoaktoren ist, dass insbesondere die mechanischen Eigenschaften über der Lebensdauer des Verbrennungsmotors oder des Fahrzeugs nachlassen. Dies gilt insbesondere für den Hub bzw. das Arbeitsvermögen des Piezoaktors. Für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere im Nutzfahrzeugbereich, ist deshalb eine Anwendung von Piezoinjektoren aufgrund der hier sehr hohen Lebensdauerforderungen nur begrenzt möglich. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen höchste Ansprüche an die Zuverlässigkeit gestellt werden, wie beispielsweise Schwerölmotoren für die Schifffahrt oder Injektoren für Diesellokomotiven, gelten Lebensdaueranforderungen die deutlich höher sind als bei Diesel-Personenkraftfahrzeugen. Während Injektoren bei diesen Diesel-PKWs für etwa 2.000 Betriebsstunden ausgelegt sind, sollten Injektoren bei Schiffdieseln für bis zu 30.000 Stunden ausgelegt werden. Somit sind für Anwendungen von Piezoaktoren in den zuvor genannten Bereichen signifikante Verbesserungen bei der Stabilität der Aktoreigenschaften zwingend notwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht von einem Piezoaktor mit einem Mehrlagenaufbau aus Piezolagen aus, die jeweils zwischen Innenelektroden wechselnder Polarität eingefasst sind und bei dem die Innenelektroden über Außenelektroden mit jeweils einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind. Es sind separat kontaktierbare Bereiche von Piezolagen mit Innenelektroden im Mehrlagenaufbau vorhanden, die erfindungsgemäß die separat kontaktierbaren Bereiche von Piezolagen mit Innenelektroden im Mehrlagenaufbau des Piezoaktors in vorteilhafter Weise selektiv von einem inaktiven Zustand hinsichtlich des Beitrag zu einer Hubbewegung des Piezoaktors in einen aktiven Zustand schaltbar sind. Der Piezoaktor kann vorzugsweise Bestandteil eines Piezoinjektors zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor sein.
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Mit der Erfindung werden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, um den Verlust des Arbeitsvermögens von Piezoaktoren bei hohen Lebensdaueranforderungen zu kompensieren. Mit diesen Maßnahmen ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass die Piezoaktoren für Piezoinjektoren neue Anwendungsfelder mit extremen Ansprüchen an die Lebensdauer zu erschließen.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der mindestens eine separat kontaktierbare weitere Bereich von Piezolagen mit Innenelektroden im Fußbereich des Piezoaktors angeordnet. Hierbei kann der Übergang von den Piezolagen im ersten Bereich zu den separat kontaktierbaren weiteren Bereichen im Fußbereich in vorteilhafter Weise mit einer graduell veränderten Lagendicke erfolgen.
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Nach einer zweiten Ausführungsform ist der mindestens eine weitere separat kontaktierbare Bereich durch Innenelektroden gebildet, die seitlich neben den im ersten Bereich angeordneten Innenelektroden an jeweils einer Seitenfläche des Piezoaktors kontaktierbar sind.
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Eine dritte Ausführungsform weist mindestens einen weiteren separat kontaktierbaren Bereich auf, bei dem die zusätzlich zu den im ersten Bereich angeordneten Innenelektroden an einer anderen Seitenfläche des Piezoaktors kontaktierbar sind.
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Weiterhin ist es gemäß einer vierten Ausführungsform vorteilhaft, wenn mindestens ein weiterer separat kontaktierbarer Bereich durch Innenelektroden gebildet ist, die über im Mehrlagenaufbau jeweils vorgegebenen Innenelektroden zugeordnete voneinander isolierte Außenelektrodenbereiche kontaktierbar sind. Hierbei können die weiteren separat kontaktierbaren Bereiche über die voneinander isolierten Außenelektrodenbereiche mittels mehrerer Bondingdrähten derart kontaktierbar sein, dass die weiteren Bereiche separat zuschaltbar sind. Die weiteren separat kontaktierbaren Bereiche befinden sich an einer oder verschiedenen Seitenflächen des Piezoaktors.
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Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit der Erfindung ein Piezoaktordesign ermöglicht wird, bei dem einzelne Bereiche zunächst inaktiv sind und zur Kompensation des Hubverlustes infolge von Degradation oder Alterung selektiv aktiv geschaltet werden können. Das selektive Aktivieren von zusätzlichen Bereichen oder Schichten hat gegenüber einem Piezoaktor, der von vornherein nur aktive Schichten aufweist deutliche Vorteile.
- – Es können Schwankungen der Piezoaktoreigenschaften (Hub, Kapazität, Energieverlust) über die Lebensdauer reduziert werden.
- – Ein Steuergerät für den Verbrennungsmotor bei einem Piezoinjektor kann kleiner dimensioniert werden, da die zusätzlichen Bereiche oder Schichten nur bei Bedarf aktiviert werden, wodurch insbesondere die elektrischen Verluste sinken.
- – Es kann ferner eine Implementation einer sogenannten Boost-Funktion, d. h. dem kurzzeitigen Zuschalten der zusätzlichen Bereiche oder Schichten zur Leistungssteigerung, ermöglicht werden.
- – Der Zugewinn an Hub durch das Aktivieren der zusätzlichen Bereiche oder Schichten kann durch die in diesen Bereichen angelegten Spannung sehr genau und vor allem unabhängig von den restlichen Piezokeramiklagen geregelt werden.
- – Die zusätzlichen piezokeramischen Lagen können alternativ auch als Sensor zur Überwachung des Arbeitsvermögens, insbesondere des Hubs des Piezoaktor im Betrieb verwendet werden, wodurch es möglich ist, basierend auf Realtime-Daten, beispielsweise die Einspritzmenge des Piezoinjektors zu steuern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines an sich bekannten Piezoaktors mit Innen- und Außenelektroden.
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2A und 2B eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Piezoaktors mit partieller Kontaktierung von Bereichen des Innenelektrodendesigns im Fußbereich.
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3A und 3B eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Piezoaktors mit partieller Kontaktierung von Bereichen des Innenelektrodendesigns seitlich nebeneinander.
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4 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Piezoaktors mit partieller Kontaktierung von Bereichen des Innenelektrodendesigns an verschiedenen Seitenflächen.
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5 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Piezoaktors mit partieller Kontaktierung von Bereichen des Innenelektrodendesigns an einer Seitenfläche übereinander über Bondingdrähte
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Ein in 1 schematisch dargestellter an sich bekannter Piezoaktor 1 umfasst mehrere als Mehrlagenaufbau übereinandergestapelte Piezoelemente, die jeweils aus Piezolagen 3 aus Piezokeramik und diese einschließende Innenelektroden 4 und 5 bestehen. Der Piezoaktor 1 kann beispielsweise Bestandteil eines Piezoinjektors zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor sein. Die Innenelektroden 4 und 5 der Piezoelemente sind mit Außenelektroden 6 und 7 wechselseitig an eine Spannungsquelle 8 angeschlossen, sodass unter Ausnutzung des Piezoeffekts bei Anlage der elektrischen Spannung an die jeweiligen Innenelektroden 4 und 5 über die zwischenliegenden Piezolagen 3 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Stapelrichtung des Mehrlagenaufbaus bewirkt werden kann.
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Im Folgenden werden vier verschiedene Konzepte beschrieben, bei denen einzelne oder mehrere Piezolagen mit dazugehörigen Innenelektroden selektiv vorzugsweise zur Kompensation des Hubverlustes des Piezoaktors gemäß der Erfindung aktiv geschaltet werden können.
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Gemäß eines ersten in 2A gezeigten Ausführungsbeispiels ist bei einem Piezoaktor 10 ein separat kontaktierbarer weiterer Bereich von Piezolagen 11 mit Innenelektroden 12 und 13 im Fußbereich des Piezoaktors 10 angeordnet. Dieser Bereich kann hier zusätzlich zu der als Sieb ausgeführten Außenelektrode 6 noch über eine hier sichtbare (Sieb-)Außenelektrode 14 (eine ev. gegenüberliegende Außenelektrode ist nicht sichtbar) zugeschaltet werden. Ein zusätzliche (Sieb-)Außenelektrode kann hier im Fußbereich am Pluspol oder am Minuspol als einstufige Zuschaltung oder an beiden Polen als zweistufige Zuschaltung vorgesehen werden. Der Übergang zwischen den zuschaltbaren Bereichen und dem Rest des Piezoaktor 10 kann auch als gradueller Übergang ausgeführt werden, um schädliche mechanische Spannungen beim Aktivieren des jeweiligen Bereiches zu minimieren. In 2B ist eine Draufsicht auf die Innenelektrode 13 mit einem Kontaktierungsbereich 15 zur (Sieb-)Außenelektrode 14 gezeigt.
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Nach einem zweiten in 3A gezeigten Ausführungsbeispiel ist bei einem Piezoaktor 20 ein separat kontaktierbarer weiterer Bereich von Piezolagen 21 mit hier sichtbaren Innenelektroden 22 im Lagenaufbau des Piezoaktors 20 angeordnet. Dieser Bereich kann hier zusätzlich zu der als Sieb ausgeführten Außenelektrode 6 noch über eine hier sichtbare seitlich neben der Außenelektrode 6 liegende (Sieb-)Außenelektrode 23 (eine ev. gegenüberliegende Außenelektrode ist nicht sichtbar) zugeschaltet werden. In 3B ist eine Draufsicht auf die Innenelektrode 22 gezeigt mit einem Kontaktierungsbereich 24 zur (Sieb-)Außenelektrode 23. Bei diesem Konzept werden zwei (Sieb-)Außenelektroden 6 und 23 nebeneinander über die gesamte Länge des Piezoaktors 20 aufgebracht, wobei die zuschaltbaren Piezolagen 21 über die gesamte Länge des Piezoaktors 20 verteilt werden können. Dadurch wird der zusätzliche Hub durch das Aktivieren der zuschaltbaren Bereiche homogen über den gesamten Piezoaktor 20 verteilt und nicht nur im Fußbereich bewirkt. Erfolgt auch hier die Anpassung des Innenelektrodendesigns derart, dass eine (Sieb-)Außenelektrode für den Plus- und den Minuspol angebracht wird, so können auch hier die weiteren Bereiche zweistufig zugeschaltet werden.
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Ein drittes in 4 gezeigtes Ausführungsbeispiel zeigt einen Piezoaktor 30 mit einem separat kontaktierbaren weiteren Bereich von Piezolagen und Innenelektroden 31, wobei dieser Bereich hier zusätzlich zu der als Sieb ausgeführten Außenelektrode 6 noch über eine hier an einer anderen Seitenfläche des Piezoaktors 30 angebrachten (Sieb-)Außenelektrode 32 (eine ev. gegenüberliegende Außenelektrode ist nicht sichtbar) zugeschaltet werden kann. Erfolgt auch hier die Anpassung des Innenelektrodendesigns derart, dass eine (Sieb-)Außenelektrode für den Plus- und den Minuspol angebracht wird, so können auch hier die weiteren Bereiche zweistufig zugeschaltet werden. Auch bei diesem Konzept werden mehrere (Sieb-)Außenelektroden über die gesamte Länge des Piezoaktors 30 aufgebracht, sodass die zuschaltbaren Bereiche mit Piezolagen über die gesamte Länge des Piezoaktors 30 verteilt werden können.
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Eine weitere in 5 gezeigte Möglichkeit sieht vor, zusätzliche Bereiche selektiv zu aktivieren und dies mit einer sog. Drahtbondingtechnik zu realisiert. Zunächst werden die Piezolagen, die separat angesteuert werden sollen, selektiv mit einer Grundmetallisierung bedruckt und anschließend mittels Drahtbonding kontaktiert. Hierbei können bei einem Piezoaktor 40 weitere separat kontaktierbare Bereiche über voneinander isolierte Außenelektrodenbereiche 41, 42, 43 und 44 mittels mehrerer Bondingdrähte 45 und 46 für die Standard-Innenelektroden und 47 und 48 für die zuschaltbaren Innenelektroden kontaktiert werden, sodass auch hier beispielsweise die Außenelektrodenbereiche 42 und 44 zuschaltbar sein können. Die Außenelektrodenbereiche 42 und 44 können sich dabei an einer oder verschiedenen Seitenflächen des Piezoaktors 40 befinden. Zunächst werden die Piezolagen des Piezoaktors 40, die separat angesteuert werden sollen, selektiv mit der Grundmetallisierung bedruckt und anschließend mittels der Bondingdrähte 45 bis 48 kontaktiert, wobei durch eine spezielle Verteilung der Grundmetallisierung und entsprechender separater Kontaktierung mittels der Bondingdrähte 45 bis 48 auch hier eine mehrstufige Zuschaltung der zusätzlichen Bereiche erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005040120 A1 [0002, 0004]
