Titel

Piezoelektrischer Aktor und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktors

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere für ein Brennstoffeinspritzventil, ein Brennstoffeinspritzventil mit solch einem piezoelektrischen Aktor und ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktors. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen.

Aus der DE 100 62 672 A1 ist ein piezoelektrisches Bauelement in monolithischer Viel- schichtbauweise mit einem Stapel aus mehreren Keramikschichten und jeweils zwischen zwei Keramikschichten angeordneten Elektrodenschichten sowie ein Verfahren zur Her- Stellung solch eines piezoelektrischen Bauelements bekannt. Das bekannte Bauelement ist aus keramischen Grünfolien hergestellt, die einen thermohydrolytisch abbaubaren Binder enthalten. Der Binder ist hierbei eine Polyurethandispersion. Das Verfahren zur Herstellung dieses Bauelements weist mehrere Schritte auf. Hierbei wird ein Stapel von den Binder enthaltenden keramischen Grünfolien und Elektrodenschichten durch Stapeln und anschließendes Laminieren der Grünfolien beziehungsweise der Elektrodenschichten hergestellt. Dann erfolgt ein Entbindern des Stapels in einer Atmosphäre, die Inertgas und Sauerstoff enthält, wobei der Sauerstoffgehalt durch Zudosieren einer geeigneten Menge Wasserstoffgas oder durch Getterung so reduziert wird, dass die Elektrodenschichten nicht beschädigt werden.

Das aus der DE 100 62 672 A1 bekannte piezoelektrische Bauteil und das bekannte Verfahren haben den Nachteil, dass die Herstellung aufwändig und somit die Herstellungskosten hoch sind.

Offenbarung der Erfindung Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 haben den Vorteil, dass eine Herstellung des piezoelektrischen Aktors vereinfacht ist. Speziell kann eine An- zahl der Schichten des piezoelektrischen Aktors reduziert werden, wobei sich der Aufbau und die Herstellung des Aktors weiter vereinfachen.

Als piezoelektrische Aktoren können metallisierte, keramische Bauelemente aus piezoelektrischen Material zum Einsatz kommen. Solche piezoelektrischen Aktoren eignen sich besonders als Stellelemente. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet stellt die geregelte Einspritzung von Brennstoff in eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dar. Hierbei kann die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des piezoelektrischen Aktors zur Positionierung eines Steuerventils genutzt werden, das wiederum den Hub einer Düsennadel regelt. Ein großer Vorteil eines piezoelektrischen Aktors ist dabei die Realisie- rung präziser und sehr schneller Auslenkungen mit hohen Kräften.

Um mit moderaten elektrischen Spannungen, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung stehen, arbeiten zu können, sind Vielschichtaktoren von Vorteil, die einen Schichtverbund aus keramischen Schichten und metallischen Elektrodenschichten dar- stellen. Hierbei ist es möglich, dass die innenliegenden Elektrodenschichten wechselseitig nach außen geführt werden, um diese mit Außenelektroden zu kontaktieren. Zwischen der Außenelektrode und den zurückgesetzten Innenelektroden kann dabei jeweils eine isolierende Keramikschicht verbleiben. Die Elektrodenschichten einer Polarität sind dabei zusammengeschaltet, so dass eine Steuerspannung von beispielsweise 200 V an jeder akti- ven Keramikschicht anliegt und ein elektrisches Feld von cirka 2 kV/mm entsteht. Beispielsweise können 300 keramische Schichten mit einer Schichtdicke von jeweils 90 μm und Elektrodenschichten aus Silber und Blei mit einer Dicke von jeweils etwa 2 μm bis etwa 3 μm zusammengestapelt werden.

Ferner ist es für den Aufbau von Vielschichtaktoren im Serienmaßstab denkbar, dass flexible keramische Folien mit einer Dicke von etwa 1 10 μm mit metallischen Elektrodenschichten bedruckt, aufgestapelt und im Laminierprozess bei hoher Temperatur und hohem Druck miteinander verbunden werden. Im folgenden Prozessschritt können aus auf diese Weise aufgebauten Blöcken eine Vielzahl von quaderförmigen Aktoren herausge- sägt werden, während der folgende thermische Prozess, insbesondere ein Entbindern und Sintern, zunächst die organischen Bestandteile austreibt, um anschließend bei hoher Temperatur von ca. 1000° C den Sinterprozess zu beginnen. Bei der Sinterung entsteht ein polykristallines Keramikgefüge aus Körnern mit statistisch unterschiedlich orientierten Domänen. Wenn die keramischen Schichten und die metallischen Elektrodenschichten zusammen gesintert werden, erfolgt ein gemeinsames Sintern in einem Prozess, das heißt Co-Sintern. Nach dem Schleifen der Aktoroberflächen und dem Anbringen einer Grundmetallisierung auf den Außenelektrodenflächen kann eine Heißpolarisation erfolgen, nach der die keramischen Schichten einen bleibenden Polarisationszustand aufweisen. Hierdurch ist der Aktor polarisiert, so dass bei elektrischen Ansteuerungen eine reversible Längenänderung möglich ist.

Der Prozessschritt eines Entbinderns und Co-Sinterns ist allerdings mit hohen Kosten verbunden. In vorteilhafter weise sind die keramischen Schichten des Aktorkörpers daher durch Keramikscheiben gebildet, die bereits gesintert sind. Diese Keramikscheiben können über die metallische Paste dann in vorteilhafter Weise miteinander verbunden werden. Somit können ein oder mehrere komplexe Prozessschritte, insbesondere ein Entbin- dem und Co-Sintern, entfallen. Ferner ist es hierbei möglich, dass teure Materialien eingespart werden können. Speziell kann Invar, das zum Ausbilden eines Außenelektroden- gewebes geeignet ist, oder Palladium, das als Elektrodenmaterial geeignet ist, eingespart werden. Hierdurch ist eine weitere Kosteneinsparung und eine Vereinfachung der Herstellung möglich.

Außerdem ist es vorteilhaft, dass die Keramikscheiben eine relativ große Schichtdicke aufweisen. Insbesondere können die bereits gesinterten Keramikscheiben eine Schichtdicke von jeweils mehr als 100 μm aufweisen. Speziell kann eine Schichtdicke der Keramikscheiben jeweils auch sehr viel größer als 0,1 mm sein. Dadurch kann die Anzahl der keramischen Schichten erheblich reduziert werden. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau des Aktorkörpers und somit des piezoelektrischen Aktors.

Außerdem besteht der Vorteil, dass ein Co-Sintern der keramischen Schichten und der Elektrodenschichten entfallen kann, so dass die Keramikeigenschaften unabhängig von den durch das Co-Sintern bestehenden Anforderungen (Begrenzungen) an das Material der Elektrodenschichten gewählt werden können. Speziell besteht beim Co-Sintern eine Begrenzung hinsichtlich der Schmelztemperatur eines Metalls für die Elektrodenschichten und hinsichtlich einer Metalldiffusion in die Keramik oder dergleichen. Durch das Vorsintern der Keramikscheiben entfallen solche Begrenzungen. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung des piezoelektrischen Aktors. Außerdem können gegebenenfalls in Bezug auf den jeweiligen Anwendungsfall verbesserte Keramikeigenschaften vorgegeben und realisiert werden. - A -

Eine Erhöhung der Schichtdicke der Keramikscheiben und somit der Dicke der keramischen Schichten des Aktorkörpers hat außerdem den Vorteil, dass die Gesamtkapazität des Aktorkörpers verringert ist. In der Regel verringert sich die Kapazität eines Aktors konstanter Länge quadratisch mit zunehmender Schichtdicke, wie es sich aus den elektrischen Gleichungen für Plattenkondensatoren ergibt. Somit können auch Steuergeräte oder dergleichen, die zum Ansteuern des piezoelektrischen Aktors, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, eingesetzt werden, für eine entsprechend reduzierte Leistung ausgelegt werden.

In vorteilhafter weise sind die Elektrodenschichten als vollflächige Elektrodenschichten ausgestaltet. Hierdurch ist eine hohe mechanische Stabilität des Aktorkörpers, insbesondere eine zuverlässige Verbindung der keramischen Schichten, gewährleistet. Hierbei ist es ferner von Vorteil, dass Außenelektroden vorgesehen sind, die die Elektrodenschichten kontaktieren, und dass die Außenelektroden als gefalzte Außenelektroden, insbesondere gefalzte Siebe oder gefalzte Bleche, ausgestaltet sind. Hierdurch ist eine alternierende Kontaktierung der Elektrodenschichten möglich, die kostengünstig herzustellen ist. Die Anbindung der Außenelektroden an die Elektrodenschichten kann mittels Postfiring, insbesondere mittels einer Metallpaste, durch Bonden oder Schweißen erfolgen. Das Falzen der Außenelektroden kann dabei so erfolgen, dass die gefalzten Außenelektroden den erforderlichen Isolationsabstand zu den gegenpoligen, innenliegenden Elektrodenschichten aufweisen. Die gegenpoligen, innenliegenden Elektrodenschichten werden dabei durch die jeweilige Außenelektrode sozusagen überbrückt.

Ferner ist es vorteilhaft, dass der Aktorkörper mit einer elektrisch hoch isolierenden Vergussmasse umgössen ist, die vorzugsweise eine hohe Reißdehnung aufweist. Die Kontaktierung der Außenelektroden kann beispielsweise mittels Lackdrähten oder durch Teflon beschichtete Leitungen realisiert werden.

Die keramischen Scheiben können aus einem Pulver auf der Basis einer PZT-Keramik gepresst und gesintert werden. Hierbei sind die keramischen Scheiben vorzugsweise durch Massivkeramikblöcke gebildet.

Ferner ist es vorteilhaft, dass die Keramikscheiben planparallele Stirnflächen aufweisen, die vollflächig mit der metallischen Paste bedruckt werden. Durch ein Aufeinanderstapeln, Verpressen und einen anschließenden thermischen Prozess, insbesondere ein Postfiring, kann dann ein Aktorkörper hergestellt werden, der eine hohe Stabilität aufweist und bei dem insbesondere die Keramikscheiben zuverlässig über die Elektrodenschichten miteinander verbunden sind.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktors entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen Aktor 2 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen oder von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 2 eignet sich besonders für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1. Das erfindungsgemäße Brenn- stoffeinspritzventil 1 und der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 2 eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist einen Düsenkörper 3 auf, der auf geeignete Weise mit einem nicht dargestellten Ventilgehäuse verbunden ist. In dem Düsenkörper 3 ist eine Düsennadel 4 angeordnet, die von dem piezoelektrischen Aktor 2 betätigbar ist, wie es durch den Doppelpfeil 5 veranschaulicht ist. Der piezoelektrische Aktor 2 steht dabei mit der Düsennadel 4 in Wirkverbindung, wobei eine mittelbare Verbindung möglich ist.

An dem Düsenkörper 3 ist eine Ventilsitzfläche 6 ausgebildet. Ein Ventilschließkörper 7, der von der Düsennadel 4 betätigbar ist, wirkt mit der Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ventilschließkörper 7 einstückig mit der Düsennadel 4 ausgestaltet. Ferner ist in dem Düsenkörper 3 ein Brennstoff räum 8 vorge- sehen, in dem sich im Betrieb unter hohem Druck stehender Brennstoff befindet. Bei einer Betätigung der Düsennadel 4 mittels des piezoelektrischen Aktors 2 hebt sich die Düsennadel 4 aus ihrem Sitz, so dass der zwischen der Ventilsitzfläche 6 und dem Ventilschließkörper 7 gebildete Dichtsitz geöffnet wird. Dadurch kann Brennstoff aus dem B renn stoff räum 8 über den geöffneten Dichtsitz und ein Düsenloch 9 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden.

Der piezoelektrische Aktor 2 weist einen Aktorkörper 15 auf. Der Aktorkörper 15 umfasst eine Vielzahl von keramischen Schichten 16, 17, 18, 19, 20, 21 , 22. Ferner weist der Ak- torkörper 15 eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 16 bis 22 angeordneten Elektrodenschichten 23, 24, 25, 26, 27, 28 auf. Der Aktorkörper 15 ist in der Fig. 1 nur auszugsweise dargestellt.

Einzelne keramische Schichten, insbesondere die keramische Schicht 22, können auch als passive keramische Schichten ausgestaltet sein. Beispielweise kann die keramische Schicht 22 an einem Ende 29 des Aktorkörpers 15 vorgesehen sein, so dass diese im Betrieb nicht zur Dehnung und/oder Kontraktion des Aktorkörpers 15 entlang einer Längsachse 30 des Aktorkörpers 15 beiträgt.

Ferner weist der piezoelektrische Aktor 2 Außenelektroden 31 , 32 auf. Die Außenelektroden 31 , 32 sind hierbei an einer Außenseite 33 des Aktorkörpers 15 angeordnet. Die Außenelektrode 31 weist Falzstellen 34, 35, 36 auf, an denen die Außenelektrode 31 an die Außenseite 33 des Aktorkörpers 15 geführt ist. Die Außenelektrode 31 ist hierfür an den Falzstellen 34, 35, 36 gefalzt. Hierdurch ist ein Kontakt der Außenelektrode 31 mit den Elektrodenschichten 24, 26, 28 ermöglicht. Die Kontaktierung kann beispielsweise über Bonden oder Schweißen erfolgen. Ferner kann zur Kontaktierung auch eine Metallpaste im Bereich der Falzstellen 34, 35, 36 zwischen der Außenelektrode 31 und der Außenseite 33 des Aktorkörpers 15 angebracht werden. Nach einem thermischen Prozess, insbesondere einem Postfiring, ist die Außenelektrode 31 dann mit den Elektrodenschichten 24, 26, 28 verbunden.

Die Außenelektrode 32 weist Falzstellen 37, 38, 39 auf, an denen die Außenelektrode 32 zu der Außenseite 33 des Aktorkörpers 15 hin gefalzt ist. Die Außenelektrode 32 ist auf entsprechende Weise mit den Elektrodenschichten 23, 25, 27 elektrisch verbunden. Da- durch ist eine alternierende Kontaktierung der Elektrodenschichten 23 bis 28 durch die Außenelektroden 31 , 32 möglich. Die Außenelektroden 31 , 32 überbrücken hierbei jeweils die umgekehrt gepolten Elektrodenschichten. Die Außenelektrode 31 überbrückt die Elektrodenschichten 23, 25, 27. Die Außenelektrode 32 überbrückt die Elektrodenschichten 24, 26. Die Außenelektrode 32 endet an der Elektrodenschicht 27, so dass die Außenelektrode 32 die an dem Ende 29 des Aktorkörpers 15 liegende Elektrodenschicht 28 ohnehin nicht erreicht.

Somit können die Elektrodenschichten 23 bis 28 als vollflächige Elektrodenschichten 23 bis 28 ausgestaltet sein. Speziell ist eine alternierende Beabstandung der Elektrodenschichten 23 bis 28 von der Außenseite 33 des Aktorkörpers 15, die zum Verhindern eines elektrischen Kontakts mit einer jeweils anders gepolten Außenelektrode denkbar ist, nicht erforderlich. Somit können die Elektrodenschichten 23 bis 28 eine hohe Stabilität des Aktorkörpers 15 gewährleisten. Ferner können die keramischen Schichten 16 bis 21 zumindest im Wesentlichen über ihren gesamten Querschnitt, der senkrecht zu der Achse 30 orientiert ist, aktiviert werden. Dadurch ist ein optimiertes Dehnungs- und/oder Kontraktionsverhalten des Aktorkörpers 15 ermöglicht. Hierbei wird eine vorteilhafte Kraftent- faltung erzielt und es werden im Betrieb auftretende Spannungen in den keramischen Schichten 16 bis 22 reduziert, wodurch eine Rissbildung verhindert oder zumindest verringert ist.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Aktors 2 des Brennstoffeinspritzventils 1. Mit dem Schritt SO beginnt das Verfahren. In dem folgenden Schritt S1 werden mehrere keramische Scheiben 41 aus einem piezoelektrischen Material hergestellt. Solch eine keramische Scheibe 41 weist eine relativ große Dicke (Schichtdicke) 42 auf. Beispielsweise kann die Dicke 42 deutlich größer als 0,1 mm sein. Die keramische Scheibe 41 weist Stirnflä- chen 43, 44 auf. Die Stirnflächen 43, 44 werden dabei planparallel geschliffen oder geläppt. Hierdurch kann innerhalb gewisser Grenzen die Dicke 42 der keramischen Schicht 41 abgestimmt werden.

Die keramische Scheibe 41 wird im Schritt S1 außerdem gesintert. Dadurch ist ein Vorsin- tern der keramischen Scheibe 41 möglich. Komplexe Prozessschritte, beispielsweise ein Entbindern oder ein Co-Sintern, können dadurch entfallen. Ferner können teure Materialien eingespart werden. Beispielsweise kann das Material der Außenelektroden 31 , 32 geringeren Anforderungen genügen, so dass diese beispielsweise aus einem anderen Material als Invar gebildet sein können. Ferner können die Elektrodenschichten 23 bis 28 aus einem günstigen metallischen Werkstoff gebildet sein. Relativ teure Werkstoffe wie Palladium sind dabei nicht erforderlich. Im Schritt S2, der auf den Schritt S1 folgt, werden die keramischen Scheiben 41 an zumindest einer Stirnfläche 43, 44 beschichtet. Beispielsweise wird die keramische Scheibe 41 an beiden Stirnflächen 43, 44 mit einer metallischen Paste 45 bedruckt. Auf die Stirnflächen 43, 44 sind dann Pastenschichten 46, 47 aus der metallischen Paste 45 gedruckt.

Im folgenden Schritt S3 wird die keramische Scheibe 41 mit weiteren, entsprechend der keramischen Scheibe 41 ausgestalteten und bedruckten keramischen Scheiben 41 ',41 ", 41 '" gestapelt, wodurch ein Verbund 48 gebildet ist. In dem Verbund 48 kommt eine aus der Paste 45 bestehende Pastenschicht 47' der keramischen Scheibe 41 ' mit der aus der metallischen Paste 45 bestehenden Pastenschicht 46 vollflächig in Berührung. Ferner kommt die aus der metallischen Paste 45 bestehende Pastenschicht 47 der keramischen Scheibe 41 vollflächig mit der aus der keramischen Paste 45 bestehenden Pastenschicht 46" der keramischen Scheibe 41 " in Berührung. Außerdem kommt die aus der metallischen Paste 45 bestehende Pastenschicht 47" der keramischen Scheibe 41 " vollflächig mit der aus der metallischen Paste 45 bestehenden Pastenschicht 46'" der keramischen Scheibe 41 '" in Berührung. Beim Verpressen des Verbundes 48 entsteht somit eine gewisse Verbindung der keramischen Scheiben 41 , 41 ', 41 ", 41 '" über die aus der metallischen Paste 45 gebildeten Pastenschichten 46, 46', 46", 46'", 47, 47', 47", 47'".

Anschließend wird im Schritt S3 ein thermischer Prozess, insbesondere ein Postfiring, zum Verbinden der gestapelten, bedruckten keramischen Scheiben 41 , 41 ', 41 ", 41 '" durchgeführt.

Zu Beginn des Schritts S4, der auf den Schritt S3 folgt, sind somit durch den thermischen Prozess die in der Fig. 2 dargestellten Elektrodenschichten 23 bis 25 sowie weitere Elektrodenschichten 26, 27, 28 gebildet. Beispielsweise wird die Elektrodenschicht 24 durch die aus der metallischen Paste 45 gebildeten Pastenschichten 46", 47 zwischen den keramischen Scheiben 41 , 41 " gebildet. Die keramische Scheibe 41 bildet hierbei die keramische Schicht 17. Ferner bilden die keramischen Scheiben 41 ', 41 ", 41 '" die kerami- sehen Schichten 16, 18, 19 des Aktorkörpers 15. Nach einem gegebenenfalls an der Außenseite 33 des Aktorkörpers 15 erfolgenden Schleifprozess werden die gefalzten Außenelektroden 31 , 32 angebracht und mit den Elektrodenschichten 23 bis 28 elektrisch verbunden.

Die Elektrodenschichten 23 bis 28 sind als vollflächige Elektrodenschichten 23 bis 28 ausgestaltet. Dadurch sind die keramischen Schichten 16 bis 22 mit einer hohen Festigkeit miteinander verbunden. Somit kann eine hohe mechanische Stabilität des Aktorkörpers 15 gewährleistet werden.

Im Schritt S5, der auf den Schritt S4 folgt, wird der mit den Außenelektroden 31 , 32 ver- sehene Aktorkörper 15 mit einer elektrisch hoch isolierenden Vergussmasse 50 umgössen. Die Vergussmasse 50 weist dabei eine hohe Reißdehnung auf.

Somit ist der piezoelektrische Aktor 2 gebildet. Die Kontaktierung der Außenelektroden 31 , 32 kann beispielsweise mittels Lackdrähten oder Teflon beschichteten Leitungen rea- lisiert werden. Das beschriebene Verfahren endet im Schritt S6.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.