DE102016204888A1 - Piezoelectric actuator unit and manufacturing method for producing an actuator unit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Aktuatoreinheit (10) mit einem piezoelektrischen Aktuatorbereich (12), der Aktuator-Piezokeramikschichten (20) aufweist, und mit einem Sensorbereich (14), der Sensor-Piezokeramikschichten (24) aufweist, wobei der Aktuatorbereich (12) und der Sensorbereich (14) monolithisch ausgebildet sind. Weiter betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer solchen Aktuatoreinheit (10).The invention relates to a piezoelectric actuator unit (10) having a piezoelectric actuator region (12) which has actuator piezoceramic layers (20) and to a sensor region (14) having sensor piezoceramic layers (24), wherein the actuator region (12) and the sensor region (14) are monolithic. Furthermore, the invention relates to a manufacturing method for producing such an actuator unit (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Aktuatoreinheit für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine sowie ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer solchen piezoelektrischen Aktuatoreinheit.The invention relates to a piezoelectric actuator unit for a fuel injection valve of an internal combustion engine and to a manufacturing method for producing such a piezoelectric actuator unit.

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. Increasing demands on emissions and consumption in internal combustion engines lead to higher demands on the injection of the fuel into a combustion chamber of the internal combustion engine. Multiple injections at higher fuel pressures should be carried out as far as possible with high and reproducible quantity accuracy, so that emissions and consumption of a vehicle change as little as possible during its life. The fuel pressure fluctuations may be detected in a fuel reservoir, such as a rail, or at individual fuel injectors to detect the exact timing and duration of the individual injections for the fuel injection system. Should a deviation be detected at predetermined optimal conditions, the fuel injection system may adjust the injection parameters to regain optimal performance.

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. In the case of fuel injection valves with piezoelectric actuator units, pressure or force variations during opening and closing of a nozzle needle of the fuel injection valve can be detected indirectly by changing the electrical signals of the piezoelectric actuator unit itself.

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.It is also conceivable to contact a partial region of the actuator region in such a way that it is designed exclusively for detecting electrical signals and is therefore designed as a sensor region.

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. However, the piezoelectric actuator region is designed for an actuator function, that is, the materials commonly used for this purpose do not have excellent sensor properties. Furthermore, the signal changes generated are very small compared to the electrical control and can not necessarily be detected under all operating conditions due to superimposed disturbances such as vibrations.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine piezoelektrische Aktuatoreinheit vorzuschlagen, bei der die Qualität des von der piezoelektrischen Aktuatoreinheit erzeugten Sensorsignals verbessert ist.The object of the invention is to propose a piezoelectric actuator unit in which the quality of the sensor signal generated by the piezoelectric actuator unit is improved.

Diese Aufgabe wird mit einer piezoelektrischen Aktuatoreinheit mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst. This object is achieved with a piezoelectric actuator unit with the feature combination of claim 1.

Ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer solchen piezoelektrischen Aktuatoreinheit ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruches.A manufacturing method for producing such a piezoelectric actuator unit is the subject of the independent claim.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

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. A piezoelectric actuator unit for a fuel injection valve of an internal combustion engine has a piezoelectric actuator region comprising a plurality of soft-doped actuator piezoceramic layers responsive to application of an electric field, and a plurality of electrode layers, wherein the actuator piezoceramic layers and the electrode layers each alternate along a longitudinal axis the actuator unit are stacked. Furthermore, the piezoelectric actuator unit has a piezoelectric sensor region, which has a plurality of force-generating, hard-doped sensor piezoceramic layers, and a plurality of electrode layers, wherein the sensor piezoceramic layers and the electrode layers are each stacked alternately along the longitudinal axis of the actuator unit , The actuator area and the sensor area are monolithic.

Unter „monolithisch“ soll dabei verstanden werden, dass der Aktuatorbereich und der Sensorbereich weitgehend einstückig ausgebildet sind.By "monolithic" is to be understood that the actuator region and the sensor region are formed largely in one piece.

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.This results in that the actuator region and the sensor region are advantageously connected to one another in a materially bonded manner. In particular, the soft-doped actuator piezoceramic layers and the hard-doped sensor piezoceramic layers are sintered together. That is, green sheets provided with an electrode material on their surface for later forming electrode layers, and from which the actuator piezoceramic layers are formed, and green sheets provided with an electrode material on their surface for later forming electrode layers, and from which the sensor piezoceramic layers are formed, are first stacked in a manufacturing process to form a stack, and then the entire stack thus formed further processed in one piece, in particular sintered, is. This results in a monolithic formed actuator unit, which includes both the actuator area and the sensor area.

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. Advantageously, the piezoelectric actuator unit can be designed such that the actuator region is fully active. This means that the electrode layers extend over the entire area over the individual actuator piezoceramic layers. It is also possible for the electrode layers in the sensor region to extend over the entire surface over the entire area Sensor piezoceramic layers extend. Nevertheless, the fully active in both areas actuator unit or the fully active sensor unit is monolithic, because on the one hand during sintering, the material of piezoceramic and electrode layers diffused into each other and on the other hand, the electrode layers, even if they are applied over the entire surface of the piezoceramic layers are not completely consistent, and there are always tunnel areas, so that adjacent piezoceramic layers also have contact with each other through the individual electrode layers.

Die monolithische Aktuatoreinheit wird demgemäß dadurch erhalten, dass Aktuatorbereich und Sensorbereich im Herstellungsverfahren „co-fired“ werden.The monolithic actuator unit is accordingly obtained by "co-firing" the actuator area and the sensor area in the manufacturing process.

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.The idea is accordingly, unlike heretofore known in the art, to fabricate the actuator region and the sensor region as a co-fired ceramic. For this purpose, a multilayer component of two different types of ceramic films, namely on the one hand the soft-doped actuator piezoceramic films, which are particularly suitable for forming the Aktuatorbereichs, and on the other hand, the hard-doped sensor piezoceramic films, which are suitable for forming the sensor area, stacked, and further processed as a single component.

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. The idea is therefore to use two different ceramic compositions, each having excellent in itself actuator or sensor properties, and then to process these two compositions together in the industrial multilayer manufacturing process, the so-called "co-firing".

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. This combines the advantages of a large-scale manufacturing process with the best possible function of actuator and sensor in an actuator unit. Furthermore, a higher robustness in terms of function and durability than for example for glued combinations is achieved, and additional sensors in the fuel injection system can be omitted.

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.In an advantageous embodiment, a piezoceramic transition region is formed between the sensor region and the actuator region, in which soft-doped piezoceramic material and hard-doped piezoceramic material are mixed with one another. After the piezoceramic films, which form the sensor area and those that form the actuator area, have been stacked to form an overall stack, the two materials are processed together. In particular, during sintering, doping elements diffuse between the sensor region and the actuator region, so that a mixing of the materials takes place here. This mixing advantageously stabilizes the region in which the sensor region and the actuator region are connected to one another. In the transition region, therefore, it is advantageous to find a mixture of doping elements which are used for doping the soft-doped actuator region and doping elements which are used for doping the hard-doped sensor region.

Vorzugsweise ist ein Endbereich der Aktuatoreinheit entlang der Längsachse der Aktuatoreinheit durch den Sensorbereich gebildet. Preferably, an end region of the actuator unit is formed along the longitudinal axis of the actuator unit by the sensor region.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es jedoch auch möglich, dass beide Endbereiche der Aktuatoreinheit entlang der Längsachse durch jeweils einen Sensorbereich gebildet sind.In a further advantageous embodiment, however, it is also possible for both end regions of the actuator unit to be formed along the longitudinal axis by a respective sensor region.

In einer alternativen Ausgestaltung ist es jedoch auch möglich, dass entlang der Längsachse der Aktuatoreinheit ein Sensorbereich mittig zwischen zwei Aktuatorbereichen angeordnet ist.In an alternative embodiment, however, it is also possible for a sensor area to be arranged centrally between two actuator areas along the longitudinal axis of the actuator unit.

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.Depending on the geometry and contacting, which is then required in the further use of the piezoelectric actuator unit, the optimal arrangement and number of actuator areas and sensor areas along the longitudinal axis of the actuator unit can be selected.

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. In order preferably to realize the greatest possible deflection of the piezoelectric actuator unit with the smallest possible installation space, the sensor area or the sensor areas along the longitudinal axis of the actuator unit has a significantly smaller proportion than the actuator area or the actuator areas. If, for example, a sensor area is arranged on an end region of the actuator unit, this comprises approximately one-eighth of the total length of the actuator unit. The remainder of the length of the actuator unit is formed by the actuator area.

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.It should be noted that these aspect ratios relate only to the active region of the actuator unit. In addition, the actuator unit may also have inactive areas, such as a head and / or foot plate, which are often also formed monolithically with the active area of the actuator unit.

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.Advantageously, the layer thickness of the actuator piezoceramic layers in the actuator region is also significantly greater than the layer thickness of the sensor piezoceramic layers in the sensor region. This also contributes to the optimized properties of the actuator region and sensor region, since a large length expansion is desired in the actuator region, while good force detection is desired in the sensor region. The good power capture can be achieved when the sensor piezoceramic layers are thinner, and thereby more electrode layers are present in order to detect the forces well, while in the actuator region, a good expansion of the actuator piezoceramic layers can be achieved by stacking a plurality of actuator piezoceramic layers. The layer thickness of the actuator piezoceramic layers in the actuator region is therefore advantageously about twice as large as the layer thickness of the sensor piezoceramic layers in the sensor region.

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.However, depending on the requirements of the entire actuator unit, it is also possible to provide an equal layer thickness of the actuator piezoceramic layers and the sensor piezoceramic layers or even a greater layer thickness of the sensor piezoceramic layers than that of the actuator piezoceramic layers.

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.A first external contact for electrically contacting the electrode layers in the actuator region and a second external contact for electrically contacting the electrode layers in the sensor region are advantageously provided. The first external contact and the second external contact are advantageously electrically isolated, for example, by being arranged spatially separated from each other. The separate provision of external contacts for both the actuator region and the sensor region makes it possible to control the actuator region and the sensor region separately from one another or to tap voltages detected in the sensor region separately from the activation of the actuator region. Therefore, it is also advantageous if the two outer contacts are electrically isolated from each other. This can be provided by the two outer contacts are provided spatially separated from each other on the actuator unit.

Die Aktuatoreinheit weist vorteilhaft mehrere sich parallel zu der Längsachse erstreckende Seitenflächen auf. Besonders bevorzugt umfasst die Aktuatoreinheit dabei vier senkrecht zueinander angeordnete Seitenflächen. The actuator unit advantageously has a plurality of side surfaces extending parallel to the longitudinal axis. Particularly preferably, the actuator unit comprises four side surfaces arranged perpendicular to one another.

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. In one possible embodiment, the first external contact and the second external contact are arranged on a same side surface, and in particular spatially separated from one another along the longitudinal axis of the actuator unit.

Denkbar ist auch eine zylindrische Form der Aktuatoreinheit, wobei sich die betreffenden „Seitenflächen“ hier über Winkelabschnitte einer kontinuierlichen zylindrischen Außenfläche der Aktuatoreinheit definiert sind.Also conceivable is a cylindrical shape of the actuator unit, wherein the relevant "side surfaces" are defined here by angle sections of a continuous cylindrical outer surface of the actuator unit.

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. In a possible further embodiment, the first external contact and the second external contact are arranged on different side surfaces, so that the electrical insulation can be realized by complete spatial separation from each other.

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.In order to be able to drive the actuator region or the sensor region advantageously, the actuator region and the sensor region are in each case contacted with two external contacts which are electrically insulated from one another, in particular spatially separated from one another. For example, the two first external contacts are arranged on opposite side surfaces of the actuator unit. The two second outer contacts are advantageously arranged on opposite side surfaces of the actuator unit. However, it is also possible for one of the two outer contacts to form both a first external contact for the actuator region and a second external contact for the sensor region.

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.Preferably, the first external contact is connected to a voltage output device in order to induce a change in length of the actuator piezoceramic layers along the longitudinal axis of the actuator region. Further advantageously, the second external contact is connected to a voltage detection device in order to detect a force exerted by the actuator region or acting on the actuator region. The voltage output device and the voltage detection device can advantageously be formed in a control unit.

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.
A manufacturing method for manufacturing an actuator unit for a fuel injection valve of an internal combustion engine comprises the following steps:
  • - Providing first ceramic films with a soft-doped piezoceramic material;
  • - Providing second ceramic films with a hard-doped piezoceramic material;
  • Forming a first film stack by stacking a plurality of first ceramic films along a longitudinal axis;
  • Forming a second film stack by stacking a plurality of second ceramic films along a longitudinal axis;
  • Forming a green stack by coaxially stacking at least one first film stack and at least one second film stack;
  • - sintering the green pile.

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.It should be understood that the forming of the green stack from the first and the second film stack can be effected in a first production possibility by virtue of the fact that the first and the second film stack is first formed separately from each other and then assembled. But it is also a second production possibility includes, in which the two film stacks are produced in one step by the green sheets are stacked directly. Advantageously, first ceramic films and second ceramic films are used, in which at least a part of the films has an electrode layer which later forms the electrode layers within the actuator unit.

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.As already described above, this manufacturing method forms a multilayer component in which two different types of ceramic foils, namely soft-doped piezoceramic material foils and hard-doped piezoceramic material foils are stacked together, and this green stack with the two different types of ceramic foils then as a single component continues to be processed.

Vorteilhaft ist es, wenn erste keramische Folien und zweite keramische Folien verwendet werden, die ähnliche Entbinderungsanforderungen und/oder ähnliche Sinteranforderungen aufweisen.It is advantageous if first ceramic films and second ceramic films are used which have similar binder removal requirements and / or similar sintering requirements.

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.In the selection of ceramic films with similar binder removal or sintering requirements, the grain size of the powder for the production of slip to form the ceramic films, the powder content in the slurry or in the ceramic film, the so-called green density, and the PZT composition are taken into account, for example , They can also be modified so that the two materials with suitable actuator and sensor properties can be produced within the same process limits.

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.
In the following parameters or properties of the soft-doped ceramic films and the hard-doped ceramic films, it is advantageous to pay attention to a slight deviation:
  • - temperatures of the plateaus during debindering,
  • Duration of the heating phase during debindering,
  • - duration of the plateau during debindering,
  • Duration of the cooling phase during debinding,
  • - temperatures of the plateaus during sintering,
  • Duration of the heating phase during sintering,
  • Duration of the plateau during sintering,
  • Duration of the cooling phase during sintering,
  • - Fading behavior during sintering.

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.The materials of the ceramic foils that are to form the sensor area and the materials of the ceramic foils that are to form the actuator area are accordingly selected or modified so that they are matched to one another so that the materials can be sintered together.

Vorteilhaft werden Materialien gewählt, bei denen vorteilhaft auch eine gemeinsame Entbinderung möglich ist.Advantageously, materials are selected in which advantageous debindering is also possible.

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.Prior to sintering the green stack and after coaxial stacking, the two materials are jointly subjected to all the processes that are normally required before sintering.

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.The manufacturing method then advantageously has steps such as pressing the green stack, separating the actuator units from the green stack by a separation process and / or debinding the green actuator units.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:Advantageous embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer piezoelektrischen Aktuatoreinheit mit monolithisch ausgebildetem Aktuatorbereich und Sensorbereich; 1 a perspective view of a first embodiment of a piezoelectric actuator unit with monolithic trained actuator and sensor area;

2 die Aktuatoreinheit aus 1 in einer aufgeklappten Ansicht; 2 the actuator from 1 in a unfolded view;

3 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer piezoelektrischen Aktuatoreinheit mit monolithisch ausgebildetem Aktuatorbereich und Sensorbereich; 3 a perspective view of a second embodiment of a piezoelectric actuator unit with monolithic trained actuator and sensor area;

4 die Aktuatoreinheit aus 3 in einer aufgeklappten Ansicht; 4 the actuator from 3 in a unfolded view;

5 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer piezoelektrischen Aktuatoreinheit mit monolithisch ausgebildetem Aktuatorbereich und Sensorbereich; 5 a perspective view of a third embodiment of a piezoelectric actuator unit with monolithic trained actuator and sensor area;

6 die Aktuatoreinheit aus 5 in einer aufgeklappten Ansicht; 6 the actuator from 5 in a unfolded view;

7 eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer piezoelektrischen Aktuatoreinheit mit monolithisch ausgebildetem Aktuatorbereich und Sensorbereich; und 7 a perspective view of a fourth embodiment of a piezoelectric actuator unit with monolithic trained actuator and sensor area; and

8 die Aktuatoreinheit aus 7 in einer aufgeklappten Ansicht. 8th the actuator from 7 in a unfolded view.

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. 1 shows a perspective view of a piezoelectric actuator unit 10 as it can be used in a fuel injection valve of an internal combustion engine. The piezoelectric actuator unit 10 has a piezoelectric actuator area 12 and a piezoelectric sensor area 14 on. actuator area 12 and sensor area 14 are along a longitudinal axis 16 the actuator unit 10 arranged one above the other so that the sensor area 14 at one end 18 the actuator unit 10 located. Along the longitudinal axis 16 opposite to the sensor area 14 an inactive region of the actuator unit is arranged, in which no electrode layers 22 available.

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.The actuator area 12 is composed of a plurality of soft-doped actuator piezoceramic layers 20 along the longitudinal axis 16 alternating with a plurality of electrode layers 22 stacked on top of each other.

Auch der Sensorbereich 14 ist entlang der Längsachse 16 schichtweise aufgebaut, wobei sich hart dotierte Sensor-Piezokeramikschichten 24 mit Elektrodenschichten 22 abwechseln.Also the sensor area 14 is along the longitudinal axis 16 constructed in layers, with hard-doped sensor piezoceramic layers 24 with electrode layers 22 alternate.

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. To form the actuator piezoceramic layers 20 In this case, a material is used which is particularly well suited to an optimal deflection of the actuator area 12 when energized. For the sensor piezoceramic layers 24 On the other hand, a material is used which is particularly well suited to deflections and thus forces acting on the actuator unit 10 act to capture.

Die Aktuatoreinheit 10 weist mehrere Seitenflächen 26a bis 26d auf, die sich parallel zur Längsachse 16 erstrecken.The actuator unit 10 has several side surfaces 26a to 26d on, which are parallel to the longitudinal axis 16 extend.

2 zeigt eine aufgeklappte Ansicht der Aktuatoreinheit 10 aus 1, in der sämtliche Seitenflächen 26a bis 26d zu sehen sind. 2 shows an unfolded view of the actuator unit 10 out 1 in which all side surfaces 26a to 26d you can see.

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.The electrode layers 22 in the actuator area 12 are over a first external contact 28 electrically contacted while the electrode layers 22 in the sensor area 14 via a second external contact 30 electrically contacted.

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.How out 2 indicates is about the first external contact 28 on a first side surface 26a always every second electrode layer 22 in the actuator area 12 contacted. The same applies to the second external contact 30 in the sensor area 14 , On one of the first side surface 26a opposite third side surface 26c is how in 2 can be seen, in each case a further first Außenkontaktierung 28 and a second external contact 30 provided, which then the non-contacted electrode layers 22 electrically contacted.

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.In the embodiment which is in 1 and 2 is shown, the first external contacts 28 and the second outer contacts 30 together on the same side surface 26a . 26c arranged. The first external contact 28 is each spaced from the second outer contact 30 arranged, that is spatially separated, so that the two outer contacts 28 . 30 are electrically isolated from each other.

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.About the first external contact 28 may be the actuator piezoceramic layers 20 controlled by applying a voltage from outside and thus along the longitudinal axis 16 be deflected. About the second external contact 30 can forces acting on the actuator unit 10 act or exerted by her, are detected as a change in length of the sensor piezoceramic layers 24 along the longitudinal axis 16 leads to a net voltage, via the second external contact 30 can be tapped from the outside.

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.When an electric field is applied, the individual actuator piezoceramic layers expand 20 the actuator unit 10 out, and provide for the deflection of the actuator unit 10 along the longitudinal axis 16 , This deflection is used, for example, in fuel injection valves for opening, for example, a servo valve. Correspondingly causes a discharge of the actuator area 12 the actuator unit 10 the closing of such a servo valve. By actuating such an exemplary servo valve, the opening and closing of an injector needle of the fuel injection valve and thus the beginning and the end of the injection are then controlled. Due to the pressure drop at the beginning of the injection and a renewed pressure increase at the end of the injection, pressure fluctuations occur in fuel injection valves or in an accumulator of the internal combustion engine. These pressure fluctuations thus provide information about the beginning and end of the injection process and can be evaluated to control the injection quantity. For this, however, it is necessary to detect the pressure changes.

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. The detection of the pressure fluctuations can be effected, for example, by a sensor integrated separately in the fuel injection valve. Alternatively, however, also the actuator area 12 the actuator unit 10 itself to be used as a sensor. The pressure fluctuations are then directly from the fuel fluid or directly via valve components to the actuator area 12 transmitted, and cause by the direct piezoelectric effect a modulation of the impressed drive voltage for the operation of the actuator area 12 , However, the use of the generated sensor voltages is not in all operating states due to the very small values in the direction of the impressed drive voltage ideally evaluable. A separation of the impressed for the actuator operation voltage signal from the sensor signal generated by pressure or force changes, for example, by the introduction of additional sensor piezoceramic layers 24 done with separate contact. In addition to the active actuator piezoceramic layers responsible for the actuator function 20 become the electrode layers 22 of one or more sensor piezoceramic layers 24 contacted separately and there tapped only the sensor voltage generated by the direct piezoelectric effect.

Diese Sensor-Piezokeramikschichten 24 werden vorteilhafterweise aus einer Materialkomposition hergestellt, die ausgezeichnete Sensoreigenschaften aufweist. These sensor piezoceramic layers 24 are advantageously made of a material composition having excellent sensor properties.

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.It would be possible to install two such stacks in series, namely on the one hand an actuator area 12 with soft-doped piezoceramic, and on the other hand, a sensor area 14 with hard-doped piezoceramic. It would be possible, for example, to connect these two multilayer stacks together, for example by gluing.

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.In the present case, however, it is proposed that actuator area 12 and sensor area 14 monolithic, that is, the two areas 12 . 14 are so materially connected to each other, in particular by being sintered together that there is a monolith in the form of the entire piezoelectric actuator unit 10 formed.

Ein solcher monolithischer Aufbau von Aktuatorbereich 12 und Sensorbereich 14 ist in den in 1 bis 8 gezeigten Ausführungsformen der Aktuatoreinheit 10 dargestellt.Such a monolithic structure of actuator area 12 and sensor area 14 is in the in 1 to 8th shown embodiments of the actuator 10 shown.

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. On the one hand ceramic foils are provided with a soft-doped piezoceramic material, from which then later the actuator piezoceramic layer 20 forms, and on the other hand, ceramic films with a hard-doped piezoceramic material, from which then the sensor piezoceramic layer 24 forms. These two species each have, at least a portion thereof, a metallic layer which later forms the electrode layers 22 form.

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.The two species of ceramic films are stacked on top of each other so that actuator area 12 and sensor area 14 train, that is, for example, in 1 First, a stack of soft-doped ceramic films on which then a slightly shorter stack is placed with hard-doped ceramic films. Thus formed green piles of both types of film can be processed together and in particular sintered, so as to the entire actuator unit 10 to form as a monolithic stack.

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.Through the integration of actuator area 12 and sensor area 14 in an actuator unit 10 Therefore eliminates the installation of an additional sensor element in the fuel injection valve, and it is a reproducible detection of sensor signals necessary for the injector control possible in all operating points.

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. It is advantageous to the sensor area 14 and the actuator area 12 Process and sinter together to form ceramic foils for forming the actuator area 12 and sensor area 14 have similar debinding requirements or similar sintering requirements.

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.When the soft-doped ceramic films and the hard-doped ceramic films are superimposed and sintered together, a transition region is formed 32 between the actuator area 12 and the sensor area 14 in which distribute the doping elements evenly by diffusion, so that the soft-doped piezoceramic material 34 and the hard-doped piezoceramic material 36 are mixed together. This transition area 32 forms the connection area between the actuator area 12 and sensor area 14 ,

3 bis 8 zeigen weitere mögliche Ausführungsformen der Aktuatoreinheit 10. 3 to 8th show further possible embodiments of the actuator unit 10 ,

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.In 3 is another perspective view of an actuator unit 10 shown at the first external contact 28 and the second external contact 30 not on the same side surface 26a are applied, but on different side surfaces 26a . 26b , This is in detail in the unfolded view in 4 to recognize.

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. 5 shows a further perspective view of an actuator unit 10 in a third embodiment, in which at both end regions 18 along the longitudinal axis 16 one sensor area each 14 is available. An unfolded view is in 6 to see. In this third embodiment, the first external contact 28 and the second external contact 30 each on a same side surface 26a arranged.

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. 7 shows a fourth possible embodiment of the actuator unit 10 in a perspective view, in which also at both end regions 18 one sensor area each 14 is present, but with the second external contact 30 the two sensor areas 14 not on the same side surface 26a like the first external contact 28 in the actuator area 12 is provided, but on an adjacent side surface 26b , An unfolded view is in 7 to see.

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.It is also possible, instead of a completely isolated external contact 28 . 30 from sensor area 14 and actuator area 12 a contact via a common mass of actuator area 12 and sensor area 14 to use, wherein one of the outer contacts both a first Außenkontaktierung 28 as well as a second external contact 30 forms.

Für die Kontaktierung der verschiedenen Bereiche sind sowohl teilaktive als auch vollaktive Kontaktierungsdesigns möglich, wobei hier das vollaktive Design besonders bevorzugt ist.Both partially active and fully active contacting designs are possible for the contacting of the different areas, whereby the fully active design is particularly preferred here.

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.Fully active contacting designs are to be understood as meaning actuator units in which the electrode layers in the actuator region and / or in the sensor region extend over the entire surface of the ceramic.

Bei teilaktiven Kontaktierungsdesigns dagegen sind die Elektrodenschichten zumindest bereichsweise von der Oberfläche der Aktuatoreinheit zurückgesetzt angeordnet.In the case of partially active contacting designs, on the other hand, the electrode layers are arranged at least partially set back from the surface of the actuator unit.

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.The in the 1 to 8th shown embodiments each see at least four external contacts 28 . 30 before, namely two for the actuator area 12 as positive and negative potential, and two for the sensor area 14 as positive and negative potential.

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.About the first external contact 28 is the actuator area 12 with a voltage output device 38 contacted, as shown schematically in 1 is shown. About this voltage output device 38 become the electrode layers 22 in the actuator area 12 energized so that the actuator piezoceramic layers 20 along the longitudinal axis 16 the actuator unit 10 in the actuator area 12 can expand.

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.At the same time are the electrode layers 22 over the second external contact 30 in the sensor area 14 with a voltage detection device 40 connected. Now acts a force on the actuator unit 10 or extends the actuator area 12 out, the forces acting on it are on the sensor area 14 so that there is a potential change in the sensor area 14 comes from, which leads to a net voltage coming from the second external contact 30 transmitted from the voltage detection device 40 can be detected.

Mit der vorgeschlagenen piezoelektrischen Aktuatoreinheit 10 wird daher eine Möglichkeit vorgeschlagen, optimale Sensoreigenschaften mit optimalen Aktuatoreigenschaften in einem monolithischen Stapel zu kombinieren.With the proposed piezoelectric actuator unit 10 Therefore, one possibility is proposed to combine optimum sensor properties with optimal actuator properties in a monolithic stack.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
piezoelektrische Aktuatoreinheit piezoelectric actuator unit
1212
Aktuatorbereich actuator area
1414
Sensorbereich sensor range
1616
Längsachse longitudinal axis
1818
Endbereich end
2020
Aktuator-Piezokeramikschicht Actuator piezoceramic layer
2222
Elektrodenschicht electrode layer
2424
Sensor-Piezokeramikschicht Sensor piezoceramic layer
26a26a
erste Seitenfläche first side surface
26b26b
zweite Seitenfläche second side surface
26c26c
dritte Seitenfläche third side surface
26d26d
vierte Seitenfläche fourth side surface
2828
erste Außenkontaktierung first external contact
3030
zweite Außenkontaktierung second external contact
3232
Übergangsbereich Transition area
3434
weich dotiertes Piezokeramikmaterial soft-doped piezoceramic material
3636
hart dotiertes Piezokeramikmaterial hard-doped piezoceramic material
3838
Spannungsausgabeeinrichtung Voltage output means
4040
Spannungserfassungseinrichtung Voltage detector

Claims (10)

Piezoelektrische Aktuatoreinheit (10) für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, aufweisend: – einen piezoelektrischen Aktuatorbereich (12), aufweisend eine Mehrzahl von auf Anlegen eines elektrischen Feldes reagierenden, weich dotierten Aktuator-Piezokeramikschichten (20), und eine Mehrzahl von Elektrodenschichten (22), wobei die Aktuator-Piezokeramikschichten (20) und die Elektrodenschichten (22) jeweils alternierend entlang einer Längsachse (16) der Aktuatoreinheit (10) gestapelt sind; – einen piezoelektrischen Sensorbereich (14), aufweisend eine Mehrzahl von auf Krafteinfluss eine Spannung erzeugenden, hart dotierten Sensor-Piezokeramikschichten (24), und eine Mehrzahl von Elektrodenschichten (22), wobei die Sensor-Piezokeramikschichten (24) und die Elektrodenschichten (22) jeweils alternierend entlang der Längsachse (16) der Aktuatoreinheit (10) gestapelt sind; wobei der Aktuatorbereich (12) und der Sensorbereich (14) monolithisch ausgebildet sind.Piezoelectric actuator unit ( 10 ) for a fuel injection valve of an internal combustion engine, comprising: - a piezoelectric actuator region ( 12 ), comprising a plurality of electric field responsive, soft-doped actuator piezoceramic layers ( 20 ), and a plurality of electrode layers ( 22 ), wherein the actuator piezoceramic layers ( 20 ) and the electrode layers ( 22 ) alternately along a longitudinal axis ( 16 ) of the actuator unit ( 10 ) are stacked; A piezoelectric sensor area ( 14 ), comprising a plurality of force-generating, stress-generating, hard-doped sensor piezoceramic layers ( 24 ), and a plurality of electrode layers ( 22 ), wherein the sensor piezoceramic layers ( 24 ) and the electrode layers ( 22 ) alternately along the longitudinal axis ( 16 ) of the actuator unit ( 10 ) are stacked; wherein the actuator area ( 12 ) and the sensor area ( 14 ) are monolithic. Piezoelektrische Aktuatoreinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuatorbereich (12) und der Sensorbereich (14) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere indem die weich dotierten Aktuator-Piezokeramikschichten (20) und die hart dotierten Sensor-Piezokeramikschichten (24) miteinander versintert sind. Piezoelectric actuator unit ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the actuator area ( 12 ) and the sensor area ( 14 ) are materially interconnected, in particular by the soft-doped actuator piezoceramic layers ( 20 ) and the hard-doped sensor piezoceramic layers ( 24 ) are sintered together. Piezoelektrische Aktuatoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sensorbereich (14) und dem Aktuatorbereich (12) ein piezokeramischer Übergangsbereich (32) ausgebildet ist, in dem weich dotiertes Piezokeramikmaterial (34) und hart dotiertes Piezokeramikmaterial (36) miteinander vermischt sind.Piezoelectric actuator unit ( 10 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that between the sensor area ( 14 ) and the actuator area ( 12 ) a piezoceramic transition region ( 32 ) is formed in the soft-doped piezoceramic material ( 34 ) and hard-doped piezoceramic material ( 36 ) are mixed together. Piezoelektrische Aktuatoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Endbereich (18) der Aktuatoreinheit (10) entlang der Längsachse (16) der Aktuatoreinheit (10) durch den Sensorbereich (14) gebildet ist.Piezoelectric actuator unit ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one end region ( 18 ) of the actuator unit ( 10 ) along the longitudinal axis ( 16 ) of the actuator unit ( 10 ) through the sensor area ( 14 ) is formed. Piezoelektrische Aktuatoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Außenkontaktierung (28) zum elektrischen Kontaktieren der Elektrodenschichten (22) in dem Aktuatorbereich (12) und eine zweite Außenkontaktierung (30) zum elektrischen Kontaktieren der Elektrodenschichten (22) in dem Sensorbereich (14) vorgesehen sind, wobei die erste Außenkontaktierung (28) und die zweite Außenkontaktierung (30) elektrisch isoliert zueinander, insbesondere räumlich getrennt voneinander, angeordnet sind.Piezoelectric actuator unit ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that a first external contact ( 28 ) for electrically contacting the electrode layers ( 22 ) in the actuator area ( 12 ) and a second external contact ( 30 ) for electrically contacting the electrode layers ( 22 ) in the sensor area ( 14 ) are provided, wherein the first external contact ( 28 ) and the second external contact ( 30 ) are electrically isolated from each other, in particular spatially separated from each other, are arranged. Piezoelektrische Aktuatoreinheit (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (10) mehrere sich parallel zu der Längsachse (16) erstreckende Seitenflächen (26a, 26b, 26c, 26d) aufweist, wobei die erste Außenkontaktierung (28) und die zweite Außenkontaktierung (30) an einer selben Seitenfläche (26a) oder an verschiedenen Seitenflächen (26a, 26b) angeordnet sind.Piezoelectric actuator unit ( 10 ) according to claim 5, characterized in that the actuator unit ( 10 ) several parallel to the longitudinal axis ( 16 ) extending side surfaces ( 26a . 26b . 26c . 26d ), wherein the first outer contact ( 28 ) and the second external contact ( 30 ) on a same side surface ( 26a ) or on different side surfaces ( 26a . 26b ) are arranged. Piezoelektrische Aktuatoreinheit (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuatorbereich (12) und der Sensorbereich (14) jeweils mit zwei elektrisch isoliert zueinander, insbesondere räumlich getrennt voneinander, angeordneten Außenkontaktierungen (28, 30) kontaktiert ist, wobei die beiden ersten Außenkontaktierungen (28) und die beiden zweiten Außenkontaktierungen (30) auf sich jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen (26a, 26b) der Aktuatoreinheit (10) angeordnet sind, oder wobei eine der Außenkontaktierungen (28, 30) sowohl eine erste Außenkontaktierung (28) als auch eine zweite Außenkontaktierung (30) bildet.Piezoelectric actuator unit ( 10 ) according to claim 6, characterized in that the actuator area ( 12 ) and the sensor area ( 14 ) each with two electrically isolated from each other, in particular spatially separated from each other, arranged Außenkontaktierungen ( 28 . 30 ), wherein the two first outer contacts ( 28 ) and the two second outer contacts ( 30 ) on opposite side surfaces ( 26a . 26b ) of the actuator unit ( 10 ), or wherein one of the external contacts ( 28 . 30 ) both a first external contact ( 28 ) as well as a second external contact ( 30 ). Piezoelektrische Aktuatoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Außenkontaktierung (28) mit einer Spannungsausgabeeinrichtung (38) verbunden ist, um eine Längenänderung der Aktuator-Piezokeramikschichten (20) entlang der Längsachse (16) des Aktuatorbereichs (12) zu induzieren, und dass die zweite Außenkontaktierung (30) mit einer Spannungserfassungseinrichtung (40) verbunden ist, um eine von dem Aktuatorbereich (12) ausgeübte oder auf den Aktuatorbereich (12) einwirkende Kraft zu erfassen.Piezoelectric actuator unit ( 10 ) according to one of claims 5 to 7, characterized in that the first external contact ( 28 ) with a voltage output device ( 38 ) is connected to a change in length of the actuator piezoceramic layers ( 20 ) along the longitudinal axis ( 16 ) of the actuator area ( 12 ) and that the second external contact ( 30 ) with a voltage detection device ( 40 ) is connected to one of the actuator area ( 12 ) or on the actuator area ( 12 ) to detect acting force. Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Aktuatoreinheit (10) für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, aufweisend die Schritte: – Bereitstellen von ersten keramischen Folien mit einem weich dotierten Piezokeramikmaterial (34); – Bereitstellen von zweiten keramischen Folien mit einem hart dotierten Piezokeramikmaterial (36); – Bilden eines ersten Folienstapels durch Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl von ersten keramischen Folien entlang einer Längsachse (16); – Bilden eines zweiten Folienstapels durch Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl von zweiten keramischen Folien entlang einer Längsachse (16); – Bilden eines Grünstapels durch koaxiales Übereinanderstapeln wenigstens eines ersten Folienstapels und wenigstens eines zweiten Folienstapels; – Sintern des Grünstapels. Manufacturing method for producing an actuator unit ( 10 ) for a fuel injection valve of an internal combustion engine, comprising the steps: - providing first ceramic films with a soft-doped piezoceramic material ( 34 ); Providing second ceramic foils with a hard-doped piezoceramic material ( 36 ); Forming a first film stack by stacking a plurality of first ceramic films along a longitudinal axis ( 16 ); Forming a second film stack by stacking a plurality of second ceramic films along a longitudinal axis ( 16 ); Forming a green stack by coaxially stacking at least one first film stack and at least one second film stack; - sintering the green pile. Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass erste keramische Folien und zweite keramische Folien mit ähnlichen Entbinderungsanforderungen und/oder ähnlichen Sinteranforderungen verwendet werden.Manufacturing method according to claim 9, characterized in that first ceramic foils and second ceramic foils with similar debinding requirements and / or similar sintering requirements are used.
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