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Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Aktuatoreinheit für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine sowie ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer solchen piezoelektrischen Aktuatoreinheit.
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Zunehmende Anforderungen an Emission und Verbrauch bei Brennkraftmaschinen führen zu höheren Anforderungen an die Einspritzung des Kraftstoffes in einen Brennraum der Brennkraftmaschine. Mehrfacheinspritzungen bei höheren Kraftstoffdrücken sollen soweit es geht mit hoher und reproduzierbarer Mengengenauigkeit durchgeführt werden, sodass sich Emissionen und Verbrauch eines Fahrzeuges während seines Lebens so wenig wie möglich ändern. Die Kraftstoffdruckschwankungen können in einem Kraftstoffspeicher, beispielsweise einem Rail, oder an einzelnen Kraftstoffeinspritzventilen detektiert werden, um den genauen Zeitpunkt und die Dauer der einzelnen Einspritzungen für das Kraftstoffeinspritzsystem erkennbar zu machen. Sollte eine Abweichung zu vorbestimmten optimalen Konditionen festgestellt werden, kann das Kraftstoffeinspritzsystem die Einspritzparameter anpassen, um wieder optimal zu arbeiten.
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Bei Kraftstoffeinspritzventilen mit piezoelektrischen Aktuatoreinheiten können Druck- oder Kraftvariationen beim Öffnen und Schließen einer Düsennadel des Kraftstoffeinspritzventils indirekt durch Änderung der elektrischen Signale der piezoelektrischen Aktuatoreinheit selbst detektiert werden.
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Es ist auch denkbar, einen Teilbereich des Aktuatorbereichs so zu Kontaktieren, dass er ausschließlich zum Detektieren von elektrischen Signalen ausgelegt ist und somit als Sensorbereich ausgebildet ist.
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Allerdings ist der piezoelektrische Aktuatorbereich für eine Aktuatorfunktion ausgelegt, das heißt die dazu üblicherweise verwendeten Materialen haben keine ausgezeichneten Sensoreigenschaften. Weiterhin sind die erzeugten Signaländerungen im Vergleich zur elektrischen Ansteuerung sehr klein und können aufgrund von überlagerten Störungen wie zum Beispiel Vibrationen nicht unbedingt unter allen Betriebsbedingungen detektiert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine piezoelektrische Aktuatoreinheit vorzuschlagen, bei der die Qualität des von der piezoelektrischen Aktuatoreinheit erzeugten Sensorsignals verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird mit einer piezoelektrischen Aktuatoreinheit mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.
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Ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer solchen piezoelektrischen Aktuatoreinheit ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruches.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine piezoelektrische Aktuatoreinheit für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine weist einen piezoelektrischen Aktuatorbereich, der eine Mehrzahl von auf Anlegen eines elektrischen Feldes reagierenden, weich dotierten Aktuator-Piezokeramikschichten, und eine Mehrzahl von Elektrodenschichten aufweist, wobei die Aktuator-Piezokeramikschichten und die Elektrodenschichten jeweils alternierend entlang einer Längsachse der Aktuatoreinheit gestapelt sind. Weiter weist die piezoelektrische Aktuatoreinheit einen piezoelektrischen Sensorbereich auf, der eine Mehrzahl von auf Krafteinfluss eine Spannung erzeugende, hart dotierten Sensor-Piezokeramikschichten, und eine Mehrzahl von Elektrodenschichten aufweist, wobei die Sensor-Piezokeramikschichten und die Elektrodenschichten jeweils alternierend entlang der Längsachse der Aktuatoreinheit gestapelt sind. Der Aktuatorbereich und der Sensorbereich sind dabei monolithisch ausgebildet.
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Unter „monolithisch“ soll dabei verstanden werden, dass der Aktuatorbereich und der Sensorbereich weitgehend einstückig ausgebildet sind.
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Dadurch ergibt sich, dass der Aktuatorbereich und der Sensorbereich vorteilhaft stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Insbesondere sind dabei die weich dotierten Aktuator-Piezokeramikschichten und die hart dotierten Sensor-Piezokeramikschichten miteinander versintert. Das bedeutet, dass Grünfolien, die an ihrer Oberfläche zum späteren Bilden von Elektrodenschichten mit einem Elektrodenmaterial versehen sind, und aus denen die Aktuator-Piezokeramikschichten gebildet werden, und Grünfolien, die an ihrer Oberfläche zum späteren Bilden von Elektrodenschichten mit einem Elektrodenmaterial versehen sind, und aus denen die Sensor-Piezokeramikschichten gebildet werden, in einem Herstellungsverfahren zunächst zu einem Stapel aufeinander geschichtet werden, und dann der so gebildete gesamte Stapel einstückig weiter prozessiert, insbesondere gesintert, wird. Dabei entsteht eine monolitisch ausgebildete Aktuatoreinheit, die sowohl den Aktuatorbereich als auch den Sensorbereich umfasst.
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Vorteilhaft kann die piezoelektrische Aktuatoreinheit so ausgebildet sein, dass der Aktuatorbereich vollaktiv ist. Das bedeutet, dass die Elektrodenschichten sich vollflächig über die einzelnen Aktuator-Piezokeramikschichten erstrecken. Es ist auch möglich, dass auch die Elektrodenschichten im Sensorbereich sich vollflächig über die einzelnen Sensor-Piezokeramikschichten erstrecken. Dennoch ist auch die in beiden Bereichen vollaktive Aktuatoreinheit bzw. die vollaktive Sensoreinheit monolithisch ausgebildet, da einerseits beim Sintern das Material von Piezokeramik- und Elektrodenschichten ineinander diffundiert und andererseits die Elektrodenschichten, auch wenn sie vollflächig auf die Piezokeramikschichten aufgetragen sind, nicht vollständig durchgängig sind, und es immer Tunnelbereiche gibt, sodass benachbarte Piezokeramikschichten auch durch die einzelnen Elektrodenschichten hindurch Kontakt miteinander haben.
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Die monolithische Aktuatoreinheit wird demgemäß dadurch erhalten, dass Aktuatorbereich und Sensorbereich im Herstellungsverfahren „co-fired“ werden.
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Die Idee ist es demgemäß, anders als dies bislang im Stand der Technik bekannt ist, den Aktuatorbereich und den Sensorbereich als eine co-fired Keramik herzustellen. Dazu wird ein Multilayerbauteil aus zwei verschiedenen Arten von keramischen Folien, nämlich einerseits den weich dotierten Aktuator-Piezokeramikfolien, die zur Bildung des Aktuatorbereichs besonders geeignet sind, und andererseits den hart dotierten Sensor-Piezokeramikfolien, die zur Bildung des Sensorbereichs geeignet sind, gestapelt, und als ein einziges Bauteil weiter prozessiert.
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Die Idee besteht also darin, zwei verschiedene keramische Kompositionen zu verwenden, die jede für sich ausgezeichnete Aktuator- bzw. Sensoreigenschaften aufweisen, und diese beiden Kompositionen dann gemeinsam im industriellen Multilayer-Herstellungsprozess, dem sogenannten „co-firing“, zu verarbeiten.
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Dadurch werden die Vorteile eines großindustriellen Fertigungsverfahrens kombiniert mit der bestmöglichen Funktion von Aktuator und Sensor in einer Aktuatoreinheit. Weiterhin wird eine höhere Robustheit hinsichtlich der Funktion und Dauerhaltbarkeit als zum Beispiel für geklebte Kombinationen erreicht, und zusätzliche Sensoren im Kraftstoffeinspritzsystem können entfallen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist zwischen dem Sensorbereich und dem Aktuatorbereich ein piezokeramischer Übergangsbereich ausgebildet, in dem weich dotiertes Piezokeramikmaterial und hart dotiertes Piezokeramikmaterial miteinander vermischt sind. Nachdem die Piezokeramikfolien, die den Sensorbereich bilden, und die, die den Aktuatorbereich bilden, zu einem Gesamt-Stapel aufeinander gestapelt worden sind, werden die beiden Materialen gemeinsam prozessiert. Insbesondere beim Sintern diffundieren dabei Dotierelemente zwischen Sensorbereich und Aktuatorbereich, sodass hier eine Vermischung der Materialen stattfindet. Durch diese Vermischung stabilisiert sich vorteilhaft der Bereich, in dem der Sensorbereich und der Aktuatorbereich miteinander verbunden ist. In dem Übergangsbereich ist daher vorteilhaft eine Mischung aus Dotierelementen, die zum Dotieren des weich dotierten Aktuatorbereichs verwendet werden, und Dotierelementen, die zum Dotieren des hart dotierten Sensorbereichs verwendet werden, zu finden.
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Vorzugsweise ist ein Endbereich der Aktuatoreinheit entlang der Längsachse der Aktuatoreinheit durch den Sensorbereich gebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es jedoch auch möglich, dass beide Endbereiche der Aktuatoreinheit entlang der Längsachse durch jeweils einen Sensorbereich gebildet sind.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist es jedoch auch möglich, dass entlang der Längsachse der Aktuatoreinheit ein Sensorbereich mittig zwischen zwei Aktuatorbereichen angeordnet ist.
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Je nach Geometrie und Kontaktierung, die bei der Weiterverwendung der piezoelektrischen Aktuatoreinheit dann benötigt wird, kann die optimale Anordnung und Anzahl von Aktuatorbereichen und Sensorbereichen entlang der Längsachse der Aktuatoreinheit gewählt werden.
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Um vorzugsweise eine größtmögliche Auslenkung der piezoelektrischen Aktuatoreinheit bei kleinstmöglichem Bauraum zu realisieren, weist der Sensorbereich bzw. die Sensorbereiche entlang der Längsachse der Aktuatoreinheit einen deutlich geringeren Anteil als der Aktuatorbereich bzw. die Aktuatorbereiche auf. Wenn beispielsweise ein Sensorbereich an einem Endbereich der Aktuatoreinheit angeordnet ist, umfasst dieser etwa ein Achtel der Gesamtlänge der Aktuatoreinheit. Der Rest der Länge der Aktuatoreinheit wird durch den Aktuatorbereich gebildet.
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Es wird darauf hingewiesen, dass diese Längenverhältnisse sich nur auf den aktiven Bereich der Aktuatoreinheit beziehen. Zusätzlich kann die Aktuatoreinheit auch inaktive Bereiche wie beispielsweise eine Kopf- und/oder Fußplatte aufweisen, die häufig ebenfalls monolithisch mit dem aktiven Bereich der Aktuatoreinheit ausgebildet sind.
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Vorteilhaft ist auch die Schichtdicke der Aktuator-Piezokeramikschichten in dem Aktuatorbereich deutlich größer als die Schichtdicke der Sensor-Piezokeramikschichten in dem Sensorbereich. Auch dies trägt zu den optimierten Eigenschaften von Aktuatorbereich und Sensorbereich bei, da im Aktuatorbereich eine große Längenausdehnung gewünscht ist, während in dem Sensorbereich eine gute Krafterfassung gewünscht ist. Die gute Krafterfassung kann erreicht werden, wenn die Sensor-Piezokeramikschichten dünner sind, und dadurch mehr Elektrodenschichten vorhanden sind, um die Kräfte gut erfassen zu können, während in dem Aktuatorbereich eine gute Ausdehnung der Aktuator-Piezokeramikschichten durch Aufeinanderstapeln mehrerer Aktuator-Piezokeramikschichten erreicht werden kann. Die Schichtdicke der Aktuator-Piezokeramikschichten in dem Aktuatorbereich ist daher vorteilhaft etwa doppelt so groß wie die Schichtdicke der Sensor-Piezokeramikschichten im Sensorbereich.
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Je nach Anforderungen an die gesamte Aktuatoreinheit ist es jedoch auch möglich, eine gleiche Schichtdicke der Aktuator-Piezokeramikschichten und der Sensor-Piezokeramikschichten oder sogar eine größere Schichtdicke der Sensor-Piezokeramikschichten als die der Aktuator-Piezokeramikschichten vorzusehen.
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Vorteilhaft ist eine erste Außenkontaktierung zum elektrischen Kontaktieren der Elektrodenschichten in dem Aktuatorbereich und eine zweiten Außenkontaktierung zum elektrischen Kontaktieren der Elektrodenschichten in dem Sensorbereich vorgesehen. Dabei sind die erste Außenkontaktierung und die zweite Außenkontaktierung vorteilhaft elektrisch isoliert, beispielsweise, indem sie räumlich getrennt voneinander angeordnet sind. Das getrennte Vorsehen von Außenkontaktierungen sowohl für den Aktuatorbereich als auch für den Sensorbereich macht es möglich, den Aktuatorbereich und den Sensorbereich getrennt voneinander anzusteuern bzw. Spannungen, die im Sensorbereich erfasst werden, getrennt von der Ansteuerung des Aktuatorbereichs abzugreifen. Daher ist es auch vorteilhaft, wenn die beiden Außenkontaktierungen elektrisch voneinander isoliert sind. Dies kann bereitgestellt werden, indem die beiden Außenkontaktierungen räumlich getrennt voneinander an der Aktuatoreinheit vorgesehen werden.
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Die Aktuatoreinheit weist vorteilhaft mehrere sich parallel zu der Längsachse erstreckende Seitenflächen auf. Besonders bevorzugt umfasst die Aktuatoreinheit dabei vier senkrecht zueinander angeordnete Seitenflächen.
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In einer möglichen Ausgestaltung sind dabei die erste Außenkontaktierung und die zweite Außenkontaktierung an einer selben Seitenfläche angeordnet, und insbesondere entlang der Längsachse der Aktuatoreinheit räumlich voneinander getrennt.
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Denkbar ist auch eine zylindrische Form der Aktuatoreinheit, wobei sich die betreffenden „Seitenflächen“ hier über Winkelabschnitte einer kontinuierlichen zylindrischen Außenfläche der Aktuatoreinheit definiert sind.
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In einer möglichen weiteren Ausgestaltung sind die erste Außenkontaktierung und die zweite Außenkontaktierung an verschiedenen Seitenflächen angeordnet, sodass die elektrische Isolierung durch vollständige räumliche Trennung voneinander realisiert werden kann.
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Um den Aktuatorbereich bzw. den Sensorbereich vorteilhaft ansteuern zu können, sind der Aktuatorbereich und der Sensorbereich jeweils mit zwei elektrisch isoliert zueinander, insbesondere räumlich getrennt voneinander, angeordneten Außenkontaktierungen kontaktiert. Beispielsweise sind dabei die beiden ersten Außenkontaktierungen auf sich gegenüberliegenden Seitenflächen der Aktuatoreinheit angeordnet. Auch die beiden zweiten Außenkontaktierungen sind vorteilhaft auf sich gegenüberliegenden Seitenflächen der Aktuatoreinheit angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, dass eine der beiden Außenkontaktierungen sowohl eine erste Außenkontaktierung für den Aktuatorbereich als auch eine zweite Außenkontaktierung für den Sensorbereich bildet.
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Vorzugsweise ist die erste Außenkontaktierung mit einer Spannungsausgabeeinrichtung verbunden, um eine Längenänderung der Aktuator-Piezokeramikschichten entlang der Längsachse des Aktuatorbereichs zu induzieren. Weiter vorteilhaft ist die zweite Außenkontaktierung mit einer Spannungserfassungseinrichtung verbunden, um eine von dem Aktuatorbereich ausgeübte oder auf den Aktuatorbereich einwirkende Kraft zu erfassen. Die Spannungsausgabeeinrichtung und die Spannungserfassungseinrichtung können dabei vorteilhaft in einer Steuereinheit ausgebildet sein.
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Ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Aktuatoreinheit für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine weist die folgenden Schritte auf:
- – Bereitstellen von ersten keramischen Folien mit einem weich dotierten Piezokeramikmaterial;
- – Bereitstellen von zweiten keramischen Folien mit einem hart dotierten Piezokeramikmaterial;
- – Bilden eines ersten Folienstapels durch Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl von ersten keramischen Folien entlang einer Längsachse;
- – Bilden eines zweiten Folienstapels durch Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl von zweiten keramischen Folien entlang einer Längsachse;
- – Bilden eines Grünstapels durch koaxiales Übereinanderstapeln wenigstens eines erstens Folienstapels und wenigstens eines zweiten Folienstapels;
- – Sintern des Grünstapels.
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Es soll dabei verstanden werden, dass das Bilden des Grünstapels aus dem ersten und dem zweiten Folienstapel bei einer ersten Herstellungsmöglichkeit dadurch erfolgen kann, dass der erste und der zweite Folienstapel zunächst getrennt voneinander ausgebildet und dann zusammengesetzt werden. Es ist aber auch eine zweite Herstellungsmöglichkeit umfasst, bei der die beiden Folienstapel in einem Schritt erzeugt werden, indem die Grünfolien direkt übereinandergestapelt werden. Es werden vorteilhaft erste keramische Folien und zweite keramische Folien verwendet, bei denen zumindest ein Teil der Folien eine Elektrodenschicht aufweist, die später die Elektrodenschichten innerhalb der Aktuatoreinheit bilden.
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Wie bereits oben beschrieben, wird mit diesem Herstellungsverfahren ein Multilayerbauteil gebildet, in dem zwei verschiedene Arten von keramischen Folien, nämlich weich dotierte Piezokeramikmaterialfolien, und hart dotierte Piezokeramikmaterialfolien zusammengestapelt werden, und dieser Grünstapel mit den zwei unterschiedlichen Arten von keramischen Folien dann als ein einzelnes Bauteil weiter prozessiert wird.
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Vorteilhaft ist es, wenn erste keramische Folien und zweite keramische Folien verwendet werden, die ähnliche Entbinderungsanforderungen und/oder ähnliche Sinteranforderungen aufweisen.
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Bei der Auswahl von keramischen Folien mit ähnlichen Entbinderungs- bzw. Sinteranforderungen werden dabei beispielsweise die Korngröße des Pulvers für die Schlickerherstellung zur Bildung der keramischen Folien, der Pulvergehalt im Schlicker bzw. in der keramischen Folie, die sogenannte Gründichte, und die PZT-Zusammensetzung beachtet. Sie können auch so modifiziert werden, dass die beiden Materialien mit geeigneten Aktuator- und Sensoreigenschaften innerhalb gleicher Prozessgrenzen herstellbar sind.
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Bei den folgenden Parametern bzw. Eigenschaften der weich dotierten keramischen Folien und der hart dotierten keramischen Folien ist es vorteilhaft, auf eine geringe Abweichung zu achten:
- – Temperaturen der Plateaus bei der Entbinderung,
- – Dauer der Aufheizphase bei der Entbinderung,
- – Dauer des Plateaus bei der Entbinderung,
- – Dauer der Abkühlphase bei der Entbinderung,
- – Temperaturen der Plateaus beim Sintern,
- – Dauer der Aufheizphase beim Sintern,
- – Dauer des Plateaus beim Sintern,
- – Dauer der Abkühlphase beim Sintern,
- – Schwundverhalten beim Sintern.
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Die Materialien der keramischen Folien, die den Sensorbereich bilden sollen, und die Materialien der keramischen Folien, die den Aktuatorbereich bilden sollen, werden dementsprechend so ausgewählt oder modifiziert, dass sie aufeinander abgestimmt sind, sodass man die Materialien gemeinsam versintern kann.
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Vorteilhaft werden Materialien gewählt, bei denen vorteilhaft auch eine gemeinsame Entbinderung möglich ist.
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Vor dem Sintern des Grünstapels und nach dem koaxialen Übereinanderstapeln werden die beiden Materialien gemeinsam sämtlichen Prozessen unterzogen, die normalerweise vor dem Sintern nötig sind.
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Das Herstellungsverfahren weist dann vorteilhaft Schritte auf wie das Pressen des Grünstapels, das Vereinzeln der Aktuatoreinheiten aus dem Grünstapel durch ein Trennverfahren und/oder das Entbindern der grünen Aktuatoreinheiten.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer piezoelektrischen Aktuatoreinheit mit monolithisch ausgebildetem Aktuatorbereich und Sensorbereich;
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2 die Aktuatoreinheit aus 1 in einer aufgeklappten Ansicht;
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3 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer piezoelektrischen Aktuatoreinheit mit monolithisch ausgebildetem Aktuatorbereich und Sensorbereich;
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4 die Aktuatoreinheit aus 3 in einer aufgeklappten Ansicht;
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5 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer piezoelektrischen Aktuatoreinheit mit monolithisch ausgebildetem Aktuatorbereich und Sensorbereich;
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6 die Aktuatoreinheit aus 5 in einer aufgeklappten Ansicht;
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7 eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer piezoelektrischen Aktuatoreinheit mit monolithisch ausgebildetem Aktuatorbereich und Sensorbereich; und
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8 die Aktuatoreinheit aus 7 in einer aufgeklappten Ansicht.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer piezoelektrischen Aktuatoreinheit 10, wie sie in einem Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine verwendet werden kann. Die piezoelektrische Aktuatoreinheit 10 weist dabei einen piezoelektrischen Aktuatorbereich 12 und einen piezoelektrischen Sensorbereich 14 auf. Aktuatorbereich 12 und Sensorbereich 14 sind dabei entlang einer Längsachse 16 der Aktuatoreinheit 10 übereinander angeordnet, sodass sich der Sensorbereich 14 an einem Endbereich 18 der Aktuatoreinheit 10 befindet. Entlang der Längsachse 16 gegenüberliegend zu dem Sensorbereich 14 ist ein inaktiver Bereich der Aktuatoreinheit angeordnet, in dem keine Elektrodenschichten 22 vorhanden sind.
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Der Aktuatorbereich 12 ist aufgebaut aus einer Mehrzahl von weich dotierten Aktuator-Piezokeramikschichten 20, die entlang der Längsachse 16 abwechselnd mit einer Mehrzahl von Elektrodenschichten 22 übereinander gestapelt sind.
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Auch der Sensorbereich 14 ist entlang der Längsachse 16 schichtweise aufgebaut, wobei sich hart dotierte Sensor-Piezokeramikschichten 24 mit Elektrodenschichten 22 abwechseln.
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Zum Bilden der Aktuator-Piezokeramikschichten 20 wird dabei ein Material verwendet, das besonders gut geeignet ist, um eine optimale Auslenkung des Aktuatorbereiches 12 bei Beaufschlagung mit Spannung bereitzustellen. Für die Sensor-Piezokeramikschichten 24 dagegen wird ein Material verwendet, das besonders gut geeignet ist, Auslenkungen und somit Kräfte, die an der Aktuatoreinheit 10 wirken, zu erfassen.
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Die Aktuatoreinheit 10 weist mehrere Seitenflächen 26a bis 26d auf, die sich parallel zur Längsachse 16 erstrecken.
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2 zeigt eine aufgeklappte Ansicht der Aktuatoreinheit 10 aus 1, in der sämtliche Seitenflächen 26a bis 26d zu sehen sind.
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Die Elektrodenschichten 22 in dem Aktuatorbereich 12 sind über eine erste Außenkontaktierung 28 elektrisch kontaktiert, während die Elektrodenschichten 22 in dem Sensorbereich 14 über eine zweite Außenkontaktierung 30 elektrisch kontaktiert sind.
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Wie aus 2 hervorgeht, ist über die erste Außenkontaktierung 28 auf einer ersten Seitenfläche 26a immer jeweils jede zweite Elektrodenschicht 22 im Aktuatorbereich 12 kontaktiert. Gleiches gilt für die zweite Außenkontaktierung 30 im Sensorbereich 14. Auf einer der ersten Seitenfläche 26a gegenüberliegenden dritten Seitenfläche 26c ist, wie in 2 zu sehen ist, jeweils eine weitere erste Außenkontaktierung 28 und eine zweite Außenkontaktierung 30 vorgesehen, die dann die nicht kontaktierten Elektrodenschichten 22 elektrisch kontaktiert.
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In der Ausführungsform, die in 1 und 2 gezeigt ist, sind die ersten Außenkontaktierungen 28 und die zweiten Außenkontaktierungen 30 zusammen jeweils auf einer selben Seitenfläche 26a, 26c angeordnet. Die erste Außenkontaktierung 28 ist jeweils beabstandet zu der zweiten Außenkontaktierung 30 angeordnet, das heißt räumlich getrennt, sodass die beiden Außenkontaktierungen 28, 30 elektrisch voneinander isoliert sind.
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Über die erste Außenkontaktierung 28 können die Aktuator-Piezokeramikschichten 20 über Anlegen einer Spannung von außerhalb angesteuert und somit entlang der Längsachse 16 ausgelenkt werden. Über die zweite Außenkontaktierung 30 können Kräfte, die auf die Aktuatoreinheit 10 wirken bzw. von ihr ausgeübt werden, erfasst werden, da eine Längenänderung der Sensor-Piezokeramikschichten 24 entlang der Längsachse 16 zu einer Netto-Spannung führt, die über die zweite Außenkontaktierung 30 von außen abgegriffen werden kann.
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Bei Anlegen eines elektrischen Feldes dehnen sich die einzelnen Aktuator-Piezokeramikschichten 20 der Aktuatoreinheit 10 aus, und sorgen für die Auslenkung der Aktuatoreinheit 10 entlang der Längsachse 16. Diese Auslenkung wird beispielsweise bei Kraftstoffeinspritzventilen zur Öffnung von beispielsweise einem Servoventil verwendet. Entsprechend bewirkt ein Entladen des Aktuatorbereichs 12 der Aktuatoreinheit 10 das Schließen eines solchen Servoventils. Durch Betätigung eines solchen beispielhaften Servoventils werden dann das Öffnen und Schließen einer Injektornadel des Kraftstoffeinspritzventils und damit der Beginn und das Ende der Einspritzung gesteuert. Durch den Druckabfall bei Beginn der Einspritzung und einen erneuten Druckanstieg am Ende der Einspritzung entstehen Druckschwankungen in Kraftstoffeinspritzventilen bzw. in einem Druckspeicher der Brennkraftmaschine. Diese Druckschwankungen liefern also Informationen über den Beginn und das Ende des Einspritzvorgangs und können zur Regelung der Einspritzmenge ausgewertet werden. Dazu ist es jedoch erforderlich, die Druckänderungen zu detektieren.
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Die Detektion der Druckschwankungen kann zum Beispiel durch einen separat in dem Kraftstoffeinspritzventil integrierten Sensor erfolgen. Alternativ kann jedoch auch der Aktuatorbereich 12 der Aktuatoreinheit 10 selbst als Sensor verwendet werden. Die Druckschwankungen werden dann direkt vom Kraftstofffluid oder direkt über Ventilbauteile auf den Aktuatorbereich 12 übertragen, und verursachen durch den direkten Piezoeffekt eine Modulation der eingeprägten Ansteuerspannung für den Betrieb des Aktuatorbereiches 12. Allerdings ist die Verwendung der erzeugten Sensorspannungen aufgrund der im Vehältnis zur eingeprägten Ansteuerspannung sehr kleinen Werte nicht in allen Betriebszuständen ideal auswertbar. Eine Trennung des für den Aktuatorbetrieb eingeprägten Spannungssignals vom durch Druck- bzw. Kraftänderungen erzeugten Sensorsignal kann beispielsweise durch die Einführung von zusätzlichen Sensor-Piezokeramikschichten 24 mit separater Kontaktierung erfolgen. Neben den für die Aktuatorfunktion zuständigen aktiven Aktuator-Piezokeramikschichten 20 werden dabei die Elektrodenschichten 22 von einer oder mehrerer Sensor-Piezokeramikschichten 24 separat kontaktiert und dort nur die durch den direkten Piezoeffekt erzeugte Sensorspannung abgegriffen.
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Diese Sensor-Piezokeramikschichten 24 werden vorteilhafterweise aus einer Materialkomposition hergestellt, die ausgezeichnete Sensoreigenschaften aufweist.
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Es gäbe die Möglichkeit, zwei solche Stapel in Reihe zu verbauen, nämlich einerseits einen Aktuatorbereich 12 mit weich dotierter Piezokeramik, und andererseits einen Sensorbereich 14 mit hart dotierter Piezokeramik. Es wäre beispielsweise möglich, diese beiden Multilayer-Stapel zum Beispiel durch Kleben miteinander zu verbinden.
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Vorliegend wird jedoch dagegen vorgeschlagen, dass Aktuatorbereich 12 und Sensorbereich 14 monolithisch ausgebildet sind, das heißt, dass die beiden Bereiche 12, 14 so stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere indem sie miteinander versintert sind, dass sich dabei ein Monolith in Form der gesamten piezoelektrischen Aktuatoreinheit 10 ausbildet.
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Ein solcher monolithischer Aufbau von Aktuatorbereich 12 und Sensorbereich 14 ist in den in 1 bis 8 gezeigten Ausführungsformen der Aktuatoreinheit 10 dargestellt.
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Dabei werden einerseits keramische Folien mit einem weich dotierten Piezokeramikmaterial bereitgestellt, aus denen sich dann später die Aktuator-Piezokeramikschicht 20 bildet, und andererseits auch keramische Folien mit einem hart dotierten Piezokeramikmaterial, aus dem sich dann die Sensor-Piezokeramikschicht 24 bildet. Diese beiden Spezies weisen jeweils, zumindest ein Teil davon, eine metallische Schicht auf, die später die Elektrodenschichten 22 bilden.
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Die beiden Spezies an keramischen Folien werden so übereinandergestapelt, dass sich Aktuatorbereich 12 und Sensorbereich 14 ausbilden, das heißt beispielsweise in 1 zunächst ein Stapel mit weich dotierten keramischen Folien, auf den dann ein etwas kürzerer Stapel mit hart dotierten keramischen Folien aufgelegt wird. So gebildete Grünstapel aus beiden Folientypen werden kann gemeinsam prozessiert und insbesondere gesintert, um so die gesamte Aktuatoreinheit 10 als monolithischen Stapel zu bilden.
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Durch die Integration von Aktuatorbereich 12 und Sensorbereich 14 in eine Aktuatoreinheit 10 entfällt daher der Einbau eines zusätzlichen Sensorelementes im Kraftstoffeinspritzventil, und es wird eine reproduzierbare Detektion von für die Injektorregelung notwendigen Sensorsignalen in allen Betriebspunkten ermöglicht.
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Es ist dabei vorteilhaft, um den Sensorbereich 14 und den Aktuatorbereich 12 gemeinsam prozessieren und sintern zu können, dass keramische Folien zum Bilden vom Aktuatorbereich 12 und Sensorbereich 14 ähnliche Entbinderungsanforderungen bzw. ähnliche Sinteranforderungen aufweisen.
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Wenn die weich dotierten keramischen Folien und die hart dotierten keramischen Folien übereinandergelegt und zusammen gesintert werden, bildet sich ein Übergangsbereich 32 zwischen dem Aktuatorbereich 12 und dem Sensorbereich 14 aus, in dem sich durch Diffusion die Dotierungselemente gleichmäßig verteilen, sodass das weich dotierte Piezokeramikmaterial 34 und das hart dotierte Piezokeramikmaterial 36 miteinander vermischt sind. Dieser Übergangsbereich 32 bildet den Verbindungsbereich zwischen Aktuatorbereich 12 und Sensorbereich 14.
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3 bis 8 zeigen weitere mögliche Ausführungsformen der Aktuatoreinheit 10.
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In 3 ist eine weitere perspektivische Ansicht einer Aktuatoreinheit 10 gezeigt, bei der die erste Außenkontaktierung 28 und die zweite Außenkontaktierung 30 nicht auf derselben Seitenfläche 26a aufgebracht sind, sondern auf verschiedenen Seitenflächen 26a, 26b. Dies ist im Detail in der aufgeklappten Ansicht in 4 zu erkennen.
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5 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht einer Aktuatoreinheit 10 in einer dritten Ausführungsform, bei der an beiden Endbereichen 18 entlang der Längsachse 16 jeweils ein Sensorbereich 14 vorhanden ist. Eine aufgeklappte Ansicht ist in 6 zu sehen. In dieser dritten Ausführungsform sind die erste Außenkontaktierung 28 und die zweite Außenkontaktierung 30 jeweils an einer gleichen Seitenfläche 26a angeordnet.
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7 zeigt eine vierte mögliche Ausführungsform der Aktuatoreinheit 10 in einer perspektivischen Ansicht, bei der ebenfalls an beiden Endbereichen 18 jeweils ein Sensorbereich 14 vorhanden ist, wobei jedoch die zweite Außenkontaktierung 30 der beiden Sensorbereiche 14 nicht an der gleichen Seitenfläche 26a wie die erste Außenkontaktierung 28 in dem Aktuatorbereich 12 vorgesehen ist, sondern an einer benachbarten Seitenfläche 26b. Eine aufgeklappte Ansicht ist in 7 zu sehen.
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Es ist auch möglich, statt einer vollständig isolierten Außenkontaktierung 28, 30 von Sensorbereich 14 und Aktuatorbereich 12 eine Kontaktierung über eine gemeinsame Masse von Aktuatorbereich 12 und Sensorbereich 14 zu nutzen, wobei eine der Außenkontaktierungen sowohl eine erste Außenkontaktierung 28 als auch eine zweite Außenkontaktierung 30 bildet.
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Für die Kontaktierung der verschiedenen Bereiche sind sowohl teilaktive als auch vollaktive Kontaktierungsdesigns möglich, wobei hier das vollaktive Design besonders bevorzugt ist.
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Unter vollaktiven Kontaktierungsdesigns sollen Aktuatoreinheiten verstanden werden, bei denen sich die Elektrodenschichten im Aktuatorbereich und/oder im Sensorbereich über die volle Fläche der Keramik erstrecken.
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Bei teilaktiven Kontaktierungsdesigns dagegen sind die Elektrodenschichten zumindest bereichsweise von der Oberfläche der Aktuatoreinheit zurückgesetzt angeordnet.
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Die in den 1 bis 8 gezeigten Ausführungsformen sehen jeweils mindestens vier Außenkontaktierungen 28, 30 vor, nämlich jeweils zwei für den Aktuatorbereich 12 als positives und negatives Potenzial, und zwei für den Sensorbereich 14 als positives und negatives Potenzial.
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Über die erste Außenkontaktierung 28 ist der Aktuatorbereich 12 mit einer Spannungsausgabeeinrichtung 38 kontaktiert, wie dies schematisch in 1 dargestellt ist. Über diese Spannungsausgabeeinrichtung 38 werden die Elektrodenschichten 22 in dem Aktuatorbereich 12 mit Spannung beaufschlagt, sodass sich die Aktuator-Piezokeramikschichten 20 entlang der Längsachse 16 der Aktuatoreinheit 10 im Aktuatorbereich 12 ausdehnen können.
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Gleichzeitig sind die Elektrodenschichten 22 über die zweite Außenkontaktierung 30 in dem Sensorbereich 14 mit einer Spannungserfassungseinrichtung 40 verbunden. Wirkt nun eine Kraft auf die Aktuatoreinheit 10 bzw. dehnt sich der Aktuatorbereich 12 aus, werden die dadurch wirkenden Kräfte auf den Sensorbereich 14 übertragen, sodass es zu einer Potenzialänderung in dem Sensorbereich 14 kommt, was zu einer Netto-Spannung führt, die, von der zweiten Außenkontaktierung 30 übertragen, von der Spannungserfassungseinrichtung 40 erfasst werden kann.
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Mit der vorgeschlagenen piezoelektrischen Aktuatoreinheit 10 wird daher eine Möglichkeit vorgeschlagen, optimale Sensoreigenschaften mit optimalen Aktuatoreigenschaften in einem monolithischen Stapel zu kombinieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- piezoelektrische Aktuatoreinheit
- 12
- Aktuatorbereich
- 14
- Sensorbereich
- 16
- Längsachse
- 18
- Endbereich
- 20
- Aktuator-Piezokeramikschicht
- 22
- Elektrodenschicht
- 24
- Sensor-Piezokeramikschicht
- 26a
- erste Seitenfläche
- 26b
- zweite Seitenfläche
- 26c
- dritte Seitenfläche
- 26d
- vierte Seitenfläche
- 28
- erste Außenkontaktierung
- 30
- zweite Außenkontaktierung
- 32
- Übergangsbereich
- 34
- weich dotiertes Piezokeramikmaterial
- 36
- hart dotiertes Piezokeramikmaterial
- 38
- Spannungsausgabeeinrichtung
- 40
- Spannungserfassungseinrichtung
