DE19946835A1 - Piezo-actuator e.g for fuel injection valve in motor vehicle, has each piezo-layer formed from piezo-foils and inner electrodes associated with each piezo-layer are outside on piezo-layer - Google Patents
Piezo-actuator e.g for fuel injection valve in motor vehicle, has each piezo-layer formed from piezo-foils and inner electrodes associated with each piezo-layer are outside on piezo-layerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.The invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component like a valve or the like, according to the generic characteristics of Main claim.
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des soge nannten Piezoeffekts einen Piezoaktor aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung er folgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebe reiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Aufgrund dieses ex trem schnellen und genau regelbaren Effektes können sol che Piezaaktoren zum Bau von Stellern, beispielsweise für den Antrieb von Schaltventilen bei Kraftstoffeinspritzsy stemen in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden.It is generally known that using the so-called called the piezo effect a piezo actuator made of one material with a suitable crystal structure can. When an external electrical voltage is applied follows a mechanical reaction of the piezo element, which in Dependence on the crystal structure and the plant range of electrical tension a push or pull in represents a predeterminable direction. Because of this ex Extremely fast and precisely controllable effects can sol che piezo actuators for the construction of actuators, for example for the actuation of switching valves in fuel injection systems systems can be provided in motor vehicles.
Der Aufbau dieses Piezoaktors erfolgt in üblicher Weise durch Übereinanderstapeln mehreren Piezolagen (Multilay er-Aktoren), wobei die Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden. Da die elektrischen Feldstärken zwischen den Innenelektroden im Bereich von mehreren Kilovolt pro Millimeter liegen und in der Regel moderate elektrische Spannungen zur Ansteuerung gewünscht sind, werden sogenannte Vielschichtaktoren (Multilayer- Piezoaktoren) hergestellt. Hier besteht jedoch die Gefahr von Rissen in der Keramik der Piezolagen aufgrund inhomo gener elektrischer Feldverteilungen oder es besteht die Gefahr von Delaminationen zwischen der Keramik und den Innenelektroden aufgrund verminderter Haftfestigkeit. Beide Phänomene habe eine Verkürzung der Lebensdauer des Piezoaktors zur Folge.This piezo actuator is constructed in the usual way by stacking several piezo layers (multilay he actuators), the internal electrodes over which the electrical voltage is applied, between each the layers are arranged. Because the electrical Field strengths between the internal electrodes in the range of several kilovolts per millimeter and usually moderate electrical voltages required for control so-called multi-layer actuators (multilayer Piezo actuators). However, there is a danger here of cracks in the ceramic of the piezo layers due to inhomo gener electrical field distributions or there is Risk of delamination between the ceramic and the Internal electrodes due to reduced adhesive strength. Both phenomena have shortened the lifespan of the Piezo actuator result.
Der eingangs beschriebene Piezoaktor mit einem Mehr schichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Elektroden an die eine äußere elektrische Spannung anleg bar ist, wird in vorteilhafter Weise weitergebildet, in dem jeweils eine Piezolage aus einer Mehrzahl von über einander gestapelten Piezofolien gebildet ist und die zu jeweils einer Piezolage zugehörigen Innenelektroden außen an der jeweiligen Piezolage angeordnet sind.The piezo actuator described above with a more layer structure of piezo layers and arranged in between Electrodes to which an external electrical voltage is applied bar, is further developed in an advantageous manner in each have a piezo layer made up of a plurality of over stacked piezofilms is formed and the to inner electrodes each belonging to a piezo layer on the outside are arranged on the respective piezo layer.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass mehrere dünne Folienschichten übereinander gestapelt und laminiert werden können, ohne dass dazwischen metallische Innenelektroden auftreten. Durch die Verwendung extrem dünner Folien kann ein geringerer Feldstärkengradient beim Übergang von aktiven zu inaktiven Bereichen inner halb der Piezolage eingestellt werden, ohne dass beim Fo liengießen verschiedene Foliendicken hergestellt werden müssen. Im Betrieb kann dadurch die Zuverlässigkeit der Piezoaktoren erhöht werden.The advantage of the invention is in particular that several thin layers of foil stacked on top of each other and can be laminated without metallic in between Internal electrodes occur. By using extremely thin foils can have a lower field strength gradient in the transition from active to inactive areas half of the piezo position can be set without the Fo liengießen different film thicknesses can be produced have to. In operation, the reliability of the Piezo actuators can be increased.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die ein zelnen Piezofolien eine Dicke dmin von ca. 20.40 µm auf. Durch die Verwendung dieser extrem dünner Folien lässt sich auf einfache Weise eine beliebige Schichtdicke d = n.dmin einstellen, wobei n ganzzahlig ist. Die Erfindung ist hierbei jedoch nicht auf eine bestimmte Struktur der Elektrodenanordnung beschränkt, sondern gültig für alle Elektrodendesigns. Es können somit Piezolagen aus 2 bis 20 Piezofolien gebildet werden, die eine Lagendicke von ca. 60.400 µm aufweisen.In an advantageous embodiment, the individual piezofilms have a thickness d min of approximately 20.40 μm. By using these extremely thin foils, any layer thickness d = nd min can easily be set, where n is an integer. However, the invention is not limited to a specific structure of the electrode arrangement, but applies to all electrode designs. Piezo layers can thus be formed from 2 to 20 piezo foils, which have a layer thickness of approx. 60,400 µm.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors, werden die Piezofolien in einem Foliengieß verfahren hergestellt. Die Piezofolien werden dann in ei ner vorgegebenen Anzahl übereinandergestapelt und an schließend laminiert. Zur Bildung der Innenelektroden werden die äußeren Piezofolien metallisiert und die aus den Piezofolien gebildeten Piezolagen in einem Sinterpro zess miteinander verbacken. Die Außenelektroden können dann durch Löten mit den jeweils zugehörigen Innenelek troden kontaktiert werden.In an advantageous method for producing a Piezo actuator, the piezo films are cast in a film process manufactured. The piezo foils are then in egg a predetermined number stacked on top of each other finally laminated. To form the internal electrodes the outer piezo foils are metallized and the ones the piezo layers formed in a sintering pro baked together. The outer electrodes can then by soldering with the associated inner elec troden be contacted.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.These and other features of preferred training gene of the invention go out not only from the claims the description and the drawings, the individual characteristics individually or for more ren in the form of sub-combinations in the execution form of the invention and realized in other fields his and advantageous as well as protectable execution represent representations for which protection is claimed here becomes.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoaktors mit wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:An embodiment of the piezo actuator according to the invention with is explained using the drawing. Show it:
Fig. 1 eine Detailansicht eines Piezoaktors einer zwischen zwei Innenelektroden angeordneten Piezolage mit jeweils mehreren Piezofolien und Fig. 1 is a detailed view of a piezo actuator of a piezo layer arranged between two internal electrodes, each with a plurality of piezo films and
Fig. 2 eine Ansicht mit mehreren Piezolagen. Fig. 2 is a view with several piezo layers.
In Fig. 1 ist ein Teil eines Piezoaktors 1 gezeigt, bei dem hier beispielhaft eine Piezolage 2 gezeigt ist, die aus drei übereinandergestapelten und laminierten Piezofo lien 3 besteht. Die Piezofolien 3 weisen eine Schichtdicke dmin auf und die gesamte Piezolage 2 besitzt eine Schichtdicke d = n.dmin (mit n = 3). Die Piezofolien 3 sind aus einem Keramikmaterial mit einer geeigneten Kri stallstruktur aufgebaut, so dass unter Ausnutzung des so genannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektri schen Spannung an Innenelektroden 4 und 5, die an der je weils äußeren Piezofolie 3 angebracht sind, beispielswei se in einem Siebdruckverfahren, eine mechanische Reaktion der Piezolagen 2 und somit des gesamten Piezoaktors 1 er folgt.In Fig. 1 a part of a piezo actuator 1 is shown, in which a piezo layer 2 is shown here by way of example, which consists of three stacked and laminated Piezofo lines 3 . The piezo films 3 have a layer thickness d min and the entire piezo layer 2 has a layer thickness d = nd min (with n = 3). The piezo films 3 are constructed from a ceramic material with a suitable crystal structure, so that, taking advantage of the so-called piezo effect when an external electrical voltage is applied to internal electrodes 4 and 5 , which are attached to the respective external piezo film 3 , for example in one Screen printing process, a mechanical reaction of the piezo layers 2 and thus the entire piezo actuator 1 it follows.
Die Innenelektroden 4 und 5 nach der Fig. 1 sind seit lich, wechseleitig an Außenelektroden 6 und 7 kontak tiert, wobei die jeweils nicht kontaktierte Innenelektro de 4 oder 5 innerhalb des Lagenaufbaus zur Vermeidung ei nes Kurzschlusses etwas zurückgesetzt ist.The inner electrodes 4 and 5 of FIG. 1 are since Lich, mutually contacting outer electrodes 6 and 7 , the non-contacted inner electrode de 4 or 5 being somewhat reset within the layer structure to avoid a short circuit.
In Fig. 2 ist der Piezoaktor 1 mit einer Vielzahl von Piezolagen 2 gezeigt, bei denen auch Piezolagen 2 jeweils mit einer unterschiedlichen Anzahl n von Piezofolien 3 angeordnet sein können.In FIG. 2, the piezoelectric actuator 1 is shown with a plurality of piezoelectric layers 2, in which piezo layers and n 2 each with a different number may be disposed of piezoelectric foils 3.
Claims (5)
- - einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (2) und dazwi schen angeordneten Innenelektroden (4, 5) an die eine äußere elektrische Spannung anlegbar ist und einer wechselseitigen seitlichen Kontaktierung der Innen elektroden (4, 5) an Außenelektroden (6, 7), wobei
- - jeweils eine Piezolage (2) aus einer Mehrzahl (n) von übereinander gestapelten Piezofolien (3) gebildet ist und die zu jeweils einer Piezolage (2) zugehörigen In nenelektroden (4, 5) außen an der jeweiligen Piezolage (2) angeordnet sind.
- - A multilayer structure of piezo layers ( 2 ) and intervening internal electrodes ( 4 , 5 ) to which an external electrical voltage can be applied and a mutual lateral contacting of the inner electrodes ( 4 , 5 ) on external electrodes ( 6 , 7 ), whereby
- - In each case one piezo layer ( 2 ) is formed from a plurality (n) of stacked piezo foils ( 3 ) and each of a piezo layer ( 2 ) associated with internal electrodes ( 4 , 5 ) are arranged on the outside of the respective piezo layer ( 2 ).
- - die jeweiligen Piezolagen (2) aus 2 bis 20 Piezofolien (3) gebildet sind.
- - The respective piezo layers ( 2 ) are formed from 2 to 20 piezo foils ( 3 ).
- - die Piezofolien (3) in einem Foliengießverfahren her gestellt werden, dass
- - die Piezofolien (3) in einer vorgegebenen Anzahl (n) übereinandergestapelt und anschließend laminiert wer den, dass
- - die äußeren Piezofolien (3) metallisiert werden, zur Bildung der Innenelektroden (4, 5), dass die aus den Piezofolien (3) gebildeten Piezolagen (3) in einem Sinterprozess miteinander verbacken werden und dass
- - die Außenelektroden (6, 7) durch Löten mit den jeweils zugehörigen Innenelektroden (4, 5) kontaktiert werden.
- - The piezo films ( 3 ) are made in a film casting process that
- - The piezo films ( 3 ) stacked in a predetermined number (n) and then laminated who the
- - the outer piezoelectric films (3) to be metallized, for forming the internal electrodes (4, 5), that the piezoelectric layers formed from the piezoelectric films (3) (3) are baked together in a sintering process and that
- - The outer electrodes ( 6 , 7 ) are contacted by soldering with the associated inner electrodes ( 4 , 5 ).
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