DE102004024120A1

DE102004024120A1 - Piezoelectric actuator e.g. pile actuator, polarizing method, involves forming usable length variation when creating tension, where polarity stream very strongly rises, while tension is created, to restrict stream during polarization phase

Info

Publication number: DE102004024120A1
Application number: DE102004024120A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr. Schuh; Frank Wernsing; Kord Dr. Witte; Claus Zumstrull
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2005-12-08

Abstract

The method involves polarizing a domain of an individual piezo-ceramic layer, so that a usable length variation is formed when creating a tension (U). The variation is useable as a stroke for controlling a valve body of a fuel injector. A polarity stream (I) very strongly rises, when the tension is created, to restrict the stream during a polarization phase, in which a constantly held auxiliary force acts on a piezoelectric actuator. An independent claim is also included for a pile actuator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines Stapelaktors mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Piezo-Keramikschichten und dazwischen liegenden Metallelektroden beziehungsweise einen Stapelaktor nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche 1 und 7. Bei der Herstellung eines solchen Stapelaktors wird u.a. zur dauerhaften Erhaltung seiner mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Längenänderung eine Polarisierung in einem elektrischen Feld durchgeführt. Dabei wird an seine Metallelektroden eine elektrische Spannung angelegt, mit der unter Einfluss von Druck und/oder Temperatur möglichst alle Domänen der Piezo-Keramikschichten polarisiert werden. Des weiteren soll mit diesem Verfahren erreicht werden, dass die Polungsrisse reduziert werden.The The invention relates to a method for polarizing a piezoelectric Actuator, in particular a Stapelaktors with a plurality of one above the other arranged piezo ceramic layers and intervening metal electrodes or a Stack actuator according to the preamble of independent claims 1 and 7. In the manufacture of such a stack actuator, i.a. to permanent preservation of its mechanical properties, in particular the change in length a polarization is performed in an electric field. there an electrical voltage is applied to its metal electrodes, with the under pressure and / or temperature as possible all domains the piezo ceramic layers are polarized. Furthermore, should with be achieved in this method that reduces the poling cracks become.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise schon aus der DE 19756182 A1 vorbekannt. Bei diesem Verfahren wird für die Polarisierung des Stapelaktors zunächst auf den Stapelaktor in axialer Richtung eine Druckspannung (Druckkraft) aufgebracht, die der Ausdehnung des Stapelaktors im elektrischen Feld entgegen wirkt. Die Druckkraft soll die im späteren Betrieb auftretenden Spalteneffekte verhindern und ist kleiner als ein Grenzwert, der durch die Abweichung von der elastischen Geraden bestimmt wird. Die Druckkraft beträgt maximal 20 MPa und liegt vorzugsweise bei 10 MPa. Die Druckkraft wird nach dem Sintern der Piezo-Keramikschichten mit Hilfe einer den Stapelaktor umschließenden Rohrfeder aufgebracht und wirkt dauerhaft. Für die Polarisierung des Stapelaktors wird an die Metallelektroden eine elektrische Spannung angelegt, so dass sich ein elektrisches Polarisationsfeld mit einer Stärke von 2 bis 2,5 kV/mm ausbildet. Die elektrische Spannung ist dabei trapez- oder sinusförmig ausgebildet und wird für eine Pola risationszeit von 500 bis 700 Sekunden an den Stapelaktor angelegt.Such a method is for example already out of the DE 19756182 A1 previously known. In this method, a compressive stress is first applied to the stack actuator in the axial direction for the polarization of the stack actuator, which counteracts the expansion of the stack actuator in the electric field. The compressive force is intended to prevent the column effects occurring in later operation and is smaller than a limit value which is determined by the deviation from the elastic straight line. The compressive force is a maximum of 20 MPa and is preferably 10 MPa. The compressive force is applied after sintering of the piezo-ceramic layers with the help of a tube spring surrounding the stacking actuator and acts permanently. For the polarization of the stack actuator, an electrical voltage is applied to the metal electrodes, so that an electric polarization field with a thickness of 2 to 2.5 kV / mm is formed. The electrical voltage is trapezoidal or sinusoidal and is applied for a Pola risationszeit 500-700 seconds to the Stapelaktor.

Bei diesem Polarisierungsverfahren wird jedoch nicht berücksichtigt, dass insbesondere beim erstmaligen Anlegen einer elektrischen Spannung an einen ungepolten Stapelaktor ein weitaus höherer Strom in den Aktor fließt, als der sonst übliche Ladestrom. Beim Anlegen der Spannung verhält sich der Stapelaktor wie eine Ersatzkapazität, die linear aufgeladen wird. Insbesondere beim ersten Spannungsanstieg des ungepolten Stapelaktors fließt jedoch zusätzlich der sehr viel höhere Polungsstrom, durch den die Domänen polarisiert werden. Dieser Polungsstrom steigt im Bereich der Koerzitivfeldstärke stark an. Das Maximum kann ein Vielfaches des Ladestromes betragen. Dieser Effekt tritt beim ersten Spannungsanstieg besonders stark auf, so dass bei Folgepulsen der Polungsstrom nur noch in der Größenordnung des Ladestromes liegt. Der erste hohe Polungsstrom bewirkt jedoch, dass die Polarisierung ungleichmäßig ausgebildet wird. Auch treten dabei häufig Spannungsüberschläge auf, durch die der Stapelaktor beschädigt oder sogar unbrauchbar wird.at However, this polarization process is not considered, that in particular when first applying an electrical voltage to a ungepolten pile actuator a much higher current flows into the actuator, as the usual one Charging current. When applying the voltage, the stack actuator behaves like a spare capacity, which is charged linearly. Especially at the first voltage increase However, the ungepolten Stapelaktors flows additionally much higher Poling current through which the domains be polarized. This polarity current increases sharply in the coercive field at. The maximum can be a multiple of the charging current. This Effect occurs particularly strong at the first voltage increase, so that with subsequent pulses of Polungsstrom only in the order of magnitude the charging current is located. However, the first high polarity current causes that polarization is uneven becomes. Also occur frequently Voltage flashovers on, damaged by the stack actuator or even become unusable.

Es ist weiter bekannt, dass zur Lösung dieses Problems Pulsformen mit geringem Spannungsanstieg, beispielsweise in Form einer Dreieck- oder Trapezspannung verwendet werden. Das hat jedoch den Nachteil, dass sehr viele Impulse benötigt werden, so dass die Polarisationsdauer auf einige Minuten ausgedehnt werden muss, um für ein stabiles Betriebsverhalten eine ausreichende Polung zu erreichen.It is further known that to the solution this problem pulse shapes with low voltage increase, for example be used in the form of a triangle or trapezoidal voltage. The but has the disadvantage that a lot of impulses are needed so that the polarization time can be extended to a few minutes needs to go for a stable operating behavior to achieve a sufficient polarity.

Bekannt ist auch, beim Polarisieren mit Pulsen die Amplituden der Spannung langsam zu erhöhen, so dass die Hüllkurve entsprechend ansteigt. Dieser Vorgang ist ebenfalls relativ langwierig und kann beispielsweise Polungsrisse nicht verhindern.Known is also, when polarizing with pulses, the amplitudes of the voltage slowly increase so that the envelope increases accordingly. This process is also relatively tedious and can not prevent, for example, poling cracks.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Verfahren zur Polarisierung eines Stapelaktors dahingehend zu verbessern, dass die Polarisierung gleichmäßig und mit geringerer Streuung und in einer möglichst kurzen Zeit durchgeführt wird. Fertigungsfehler wie Überschläge und Polungsrisse werden dabei weitgehend vermieden. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7 gelöst.Of the The invention is based on the object, the method for polarization a Stapelaktors to improve that the polarization evenly and with less dispersion and in the shortest possible time. Manufacturing defects such as flashovers and poling cracks are thereby largely avoided. This task comes with the features the claims 1 and 7 solved.

Zur Lösung der genannten Aufgabe ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Polarisierung eines Stapelaktor beziehungsweise dem Stapelaktor gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7 vorgesehen, während der Polarisierungsphase eine Zusatzkraft aufzubringen und den Polungsstrom auf einen vorgegebenen Grenzwert zu begrenzen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Polarisierung mit geringer Fertigungsstreuung erreicht. Auch lassen sich mit dieser Maßnahme weitgehend Spannungsdurchschläge vermeiden, durch die der Stapelaktor vorgeschädigt oder zerstört werden kann. Dadurch steigt nicht nur die Fertigungssicherheit, sondern insbesondere auch die Zuverlässigkeit des Stapelaktors im späteren Betrieb, wenn der Aktor in einem Kraftstoffinjektor zur Steuerung eines Ventilkörpers verwendet wird.to solution the above object is in the inventive method for polarizing a Stack actuator or the stack actuator according to the features of claims 1 and 7 provided while the polarization phase to apply an additional force and the polarity current to limit to a predetermined limit. This will be beneficial Make a uniform polarization achieved with low production spread. Also can be with this measure largely voltage breakdowns avoid pre-damaged or destroyed by the stack actuator can. This not only increases the production reliability, but also especially the reliability the stack actuator in the later Operation when the actuator in a fuel injector for control a valve body is used.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 7 angegebenen Verfahrens beziehungsweise des Stapelaktors gegeben. Eine besonders einfache und vorteilhafte Lösung wird darin gesehen, die elektrische Spannung pulsförmig mit einem stetigen Verlauf, beispielsweise mit einer verschobenen Sinusform auszubilden. Dadurch können sehr einfach sprunghafte Veränderungen des Aktorhubes vermieden werden, so dass die Rückwirkungen des Aktorhubes auf die während der Polarisierungsphase einwirkende Zusatzkraft vernachlässigbar klein sind.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claims 1 and 7 method or the Stapelaktors are given. A particularly simple and advantageous solution is seen to form the electrical voltage pulse-shaped with a steady course, for example, with a displaced sinusoidal shape. As a result, very sudden changes in the Aktorhubes can be avoided so that the repercussions of Aktorhubes on during the Polari sierungsphase acting additional force are negligibly small.

Um sicher zu sein, das die Polarisierung der Piezo-Keramikschichten gleichmäßig verteilt und möglichst vollstän dig erfolgt, ist vorgesehen, wenigstens zehn Spannungsimpulse aufzubringen. Dadurch wird das spätere Betriebsverhalten des Stapelaktors stabilisiert und der Neuzustand ohne weitere Nachjustierungen sichergestellt.Around To be sure that evenly distributes the polarization of the piezo ceramic layers and as possible Completely takes place, is provided to apply at least ten voltage pulses. This will be the later Operating behavior of the stack actuator stabilized and the new condition ensured without further readjustments.

Die Frequenz der elektrischen Spannung wird für die Polarisierung möglichst klein gehalten und liegt typischerweise bei 0,1 bis 10 Hz. Damit ist es möglich, innerhalb einer akzeptierbaren kurzen Zeitspanne die nötige Anzahl von Polungspulsen aufzubringen. Andererseits bietet die niedrige Frequenz den Domänen genügend Zeit, ihre Polarisierung auszurichten.The Frequency of the electric voltage is possible for the polarization kept small and is typically at 0.1 to 10 Hz. Thus Is it possible, within an acceptable short period of time the necessary number of polarity pulses apply. On the other hand, the low offers Frequency the domains enough Time to align their polarization.

Zur Begrenzung des Polungsstromes bietet sich als eine sehr einfach durchzuführende Lösung an, einen Widerstandsteiler zu verwenden. Bei dem Widerstandsteiler wird dem Stapelaktor ein erster Widerstand vorgeschaltet und ein zweiter Widerstand parallel geschaltet.to Limiting the polarity current presents itself as a very simple one to be performed Solution, to use a resistor divider. At the resistor divider the stack actuator is preceded by a first resistor and a second resistor connected in parallel.

Insbesondere erscheint von Vorteil, den Spannungsanstieg des ersten Impulses so zu formen, dass der vorgegebene Grenzwert nicht überschritten wird. Denn die Hauptpolung der Piezo-Keramikschichten erfolgt erfahrungsgemäß beim Anstieg des ersten Spannungsimpulses, so dass hier der Polungsstrom besonders hoch ist und bei diesem Impuls die größte Gefahr eines Spannungsdurchschlags besteht.Especially appears to be an advantage, the voltage increase of the first pulse to form so that the predetermined limit is not exceeded becomes. Because the main polarity of the piezo ceramic layers is carried out according to experience in the increase of the first voltage pulse, so that here the polarity current particularly is high and at this impulse the greatest danger of voltage breakdown consists.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Several embodiments The invention are illustrated in the drawings and will be described in the following Description closer explained.

1 zeigt einen Stapelaktor, 1 shows a stack actuator,

2 zeigt ein erstes Diagramm, bei dem der zeitliche Verlauf eines Strom- und Spannungsimpulses dargestellt ist, 2 shows a first diagram, in which the time course of a current and voltage pulse is shown,

3a, 3b zeigen zwei weitere Diagramme mit dem Verlauf der Spannung und dem Polungsstrom bei mehreren Impulsen, 3a . 3b show two more diagrams with the course of the voltage and the polarity current at several pulses,

4 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Widerstandsteiler und 4 shows a circuit arrangement with a resistor divider and

5 zeigt ein Diagramm mit einem angepassten Spannungsverlauf des ersten Impulses und 5 shows a diagram with an adapted voltage waveform of the first pulse and

6 zeigt zwei weitere Diagramme für den Polungsstrom bei verschiedenen Pulsformen für die Spannung. 6 shows two more diagrams for the polarity current at different voltage waveforms.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst an Hand von 1 der Aufbau eines Stapelaktors näher erläutert. Der Stapelaktor 10 gemäß 1 weist eine Vielzahl von übereinander angeordneten, beispielsweise mehrere hundert Piezo-Keramikschichten 11 auf. Zwischen den einzelnen Piezo-Keramikschichten 11 sind Metallelektroden 12 angeordnet. Die Metallelektroden 12 weisen an zwei gegenüberliegenden Ecken abwechselnd Aussparungen 13 auf, so dass nur jede zweite Metallelektrode 12 abwechselnd mit einer der beiden vertikal verlaufenen Metallisierungsbahnen 14 verbunden werden kann. An die beiden Metallisierungsbahnen 14 wird an Anschlüsse +,– eine elektrische Spannung zum Polarisieren der Domänen der Piezo-Keramikschichten 11 angeschlossen. Der Pfeil A zeigt die verlängernde Wirkung des Stapelaktors 10 beim Anlegen der Spannung an. Der Pfeil B gibt den Bereich ohne Metallelektroden an. Hier können bei der Polarisierung wegen der auftretenden Zugspannungen Polungsrisse auftreten. Die Ruhelänge des Stapelaktors 10 ist mit h angegeben. PZ ist eine nur während der Polarisierung wirkende Zusatzkraft.For a better understanding of the invention is first on hand of 1 the structure of a stack actuator explained in more detail. The stack actuator 10 according to 1 has a plurality of superimposed, for example, several hundred piezo ceramic layers 11 on. Between the individual piezo ceramic layers 11 are metal electrodes 12 arranged. The metal electrodes 12 have at two opposite corners alternately recesses 13 on, leaving only every second metal electrode 12 alternately with one of the two vertical metallization paths 14 can be connected. To the two metallization tracks 14 is connected to terminals +, - an electrical voltage for polarizing the domains of the piezo ceramic layers 11 connected. The arrow A shows the prolonging effect of the Stapelaktors 10 when applying the voltage. The arrow B indicates the area without metal electrodes. Here polarization cracks can occur during polarization because of the tensile stresses that occur. The resting time of the stack actuator 10 is specified with h. PZ is an additional force acting only during polarization.

Beim Polarisieren (Polen) sollen sich die einzelnen Domänen der Piezo-Keramikschichten 11 mehrheitlich so ausrichten, dass später beim Anlegen einer (Gleich)-Spannung an den Stapelaktor (Aktor) ein nutzbarer Hub entsteht, der zum Steuern beispielsweise eines Ventilkörpers in einem Kraftstoffinjektor genutzt werden kann. Derartige Injektoren werden in einem Common Rail Einspritzsystem zur Hochdruckeinspritzung von Benzin oder Diesel benötigt.When polarizing (Poland), the individual domains of the piezo ceramic layers 11 Align the majority so that later when creating a (DC) voltage to the stack actuator (actuator) creates a usable hub, which can be used to control, for example, a valve body in a fuel injector. Such injectors are needed in a common rail injection system for high pressure injection of gasoline or diesel.

2 zeigt ein erstes Diagramm, bei dem der zeitliche Spannungs- und Stromverlauf aufgezeichnet ist, der sich bei der Polarisierung des Stapelaktors 10 beim ersten Anlegen der Spannung U an den Klemmen +,– ergibt. In diesem Beispiel wurde eine dreieckförmige Spannung U mit sehr niedriger Frequenz angelegt und die Amplitude langsam gesteigert. Wie der Kurve für den Polungsstrom I entnehmbar ist, steigt der Strom ab einer gewissen Spannung U beziehungsweise der daraus resultierenden Feldstärke stark an. In diesem Bereich beginnen die Domänen, sich zu polarisieren. Damit verbunden ist eine remanente Dehnung des Stapelaktors 10, die einen nutzbaren Hub ergeben würde. Bei weiterem Anstieg der Spannung U sinkt jedoch der Polungsstrom I wieder, da nun der überwiegende Anteil der Domänen bereits polarisiert ist. 2 shows a first diagram in which the temporal voltage and current waveform is recorded, resulting in the polarization of the stack actuator 10 at the first application of the voltage U at the terminals +, - results. In this example, a very low frequency triangular voltage U was applied and the amplitude slowly increased. As can be seen from the curve for the polarity current I, the current rises sharply above a certain voltage U or the resulting field strength. In this area, domains begin to polarize. Associated with this is a remanent stretching of the stack actuator 10 that would yield a usable hub. With further increase of the voltage U, however, the polarity current I decreases again, since now the vast majority of the domains is already polarized.

Im rechten Teil von 2 ist der Strom I relativ klein. In diesem Bereich fließt praktisch nur noch der Entladestrom für den Stapelaktor 10, der hier wie eine Ersatzkapazität wirkt. Dieser Verlauf entsteht durch den Verlauf des abfallenden Astes der Spannung U. Der Polungsstrom übertrifft den Ladestrom um ein Mehrfaches. Die Polung erfolgt somit im wesentlichen in der Phase mit dem starken Stromanstieg während des ersten Spannungsanstiegs. Des weiteren korreliert der Anstieg des Polungs- und des Ladungsstromes mit der Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung. Bei einem zu großen Stromanstieg kann dies zu vermehrten Polungsrissen führen und damit den Stapelaktor 10 schädigen oder unbrauchbar machen. Auch kann eine zu große Feldstärke zu unerwünschten Durchschlägen in den Piezo-Keramikschichten 11 führen.In the right part of 2 the current I is relatively small. In this area practically flows only the discharge of the stack actuator 10 who acts like a spare capacity here. This course is caused by the course of the falling branch of the voltage U. The polarity current exceeds the charging current by a multiple. The polarity is thus in the we significantly in the phase with the strong current increase during the first voltage rise. Furthermore, the increase of the poling and charging current correlates with the rate of rise of the voltage. If the current increase is too high, this can lead to increased poling cracks and thus the stacking factor 10 damage or render us unusable. An excessive field strength can also lead to undesired breakdowns in the piezo ceramic layers 11 to lead.

Die beiden Diagramme der 3a und 3b zeigen den Fall, wenn an Stelle der Dreieckspannung eine verschobene Sinusspannung verwendet wird. Die Sinusspannung U wird dabei in den positiven Bereich verschoben, so dass keine Umpolung am Stapelaktor 10 auftreten kann. Der Stromanstieg ist – ähnlich wie zu 2 beschrieben wurde – bei ersten Spannungsanstieg besonders hoch, während er danach entsprechend abfällt und mit dem weiteren Spannungsverlauf mitläuft. Der steile Stromanstieg entspricht wieder dem Polungsstrom I, wie er zuvor beschrieben wurde. Der niedrige Stromverlauf entspricht wieder dem Entladestrom. Sehr deutlich ist hier in 3b erkennbar, dass praktisch nur beim ersten Spannungsimpuls der hohe Polungsstrom I auftritt.The two diagrams of 3a and 3b show the case when a shifted sinusoidal voltage is used instead of the triangle voltage. The sine voltage U is thereby shifted in the positive range, so that no polarity reversal at the stack actuator 10 can occur. The current increase is - similar to 2 described at the first voltage increase particularly high, while it then drops accordingly and runs along with the further voltage curve. The steep increase in current again corresponds to the polarity current I, as previously described. The low current curve again corresponds to the discharge current. Very clear here is in 3b recognizable that practically only at the first voltage pulse, the high polarity current I occurs.

Um die oben genannten Gefahren zu vermeiden und dennoch eine gleichmäßige Polarisierung in kürzester Zeit zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Polungsstrom I zu begrenzen. Eine sehr einfache Möglichkeit besteht entsprechend 4 darin, den Polungsstrom mit einer Schaltungsanordnung zu begrenzen, die einen Spannungsteiler R1,R2 aufweist. Dabei wird dem Stapelaktor 10 der Widerstand R1 vorgeschaltet und der Widerstand R2 parallel geschaltet. An die Eingangsklemmen 1-1 wird die Spannung U1 angelegt, deren Amplitude stetig steigt und als Sinusspannung, Dreieckspannung oder mit modifiziertem Verlauf ausgebildet sein kann. Die Frequenz ist sehr langsam, vorzugsweise im Bereich 0,1 bis 10 Hz. Am Stapelaktor 10 entsteht dann die Polungsspannung U2, deren Amplitude durch das Widerstandsverhältnis R1/R2 bestimmt ist.In order to avoid the above-mentioned dangers and nevertheless to achieve uniform polarization in the shortest possible time, it is proposed according to the invention to limit the polarity current I. A very simple option exists accordingly 4 in limiting the poling current with circuitry having a voltage divider R1, R2. This is the stack actuator 10 the resistor R1 connected upstream and the resistor R2 connected in parallel. At the input terminals 1-1, the voltage U1 is applied, the amplitude of which increases steadily and can be designed as a sine voltage, triangular voltage or with a modified curve. The frequency is very slow, preferably in the range 0.1 to 10 Hz. At the Stapelaktor 10 Then, the polarity voltage U2, the amplitude of which is determined by the resistance ratio R1 / R2.

Die Wirkungsweise ist wie folgt: Die Spannungsamplitude U1 ist um den Faktor (R1+R2)/R1 höher als die Polungsspannung U2. Das Teilerverhältnis wird so gewählt, dass der Ladestrom I nur gering beeinflusst wird. In dem Spannungsbereich, in dem der Polungsstrom zunimmt, steigt auch der Spannungsabfall über den Widerstand R1 an. Dadurch wird die Polungsspannung U2 begrenzt und damit der Spannungsanstieg am Stapelaktor 10 verlangsamt und somit für den Aktor unschädlich. Gleichzeitig wird während der Polarisierungsphase die Zusatzkraft PZ aufgebracht, die nur während der Polarisierungsphase zusätzlich zu der durch eine Rohrfeder aufgebrachten Druckkraft wirkt. Der optimale Wert für die Zusatzkraft wird unter dem Ge sichtspunkt stabiler Parameterwerte vorzugsweise experimentell ermittelt.The mode of action is as follows: The voltage amplitude U1 is higher than the polarity voltage U2 by the factor (R1 + R2) / R1. The divider ratio is chosen so that the charging current I is only slightly affected. In the voltage range in which the polarity current increases, the voltage drop across the resistor R1 also increases. As a result, the polarity voltage U2 is limited and thus the voltage increase at the stack actuator 10 slows down and thus harmless to the actor. At the same time the additional force PZ is applied during the polarization phase, which acts only during the polarization phase in addition to the pressure applied by a Bourdon tube pressure force. The optimum value for the additional force is preferably determined experimentally from the point of view of stable parameter values.

Wie schon in den 3a und 3b dargestellt wurde, ist die Begrenzung des Polungsstromes I insbesondere beim ersten Spannungsimpuls erforderlich, da hier bereits die größte Anzahl der Domänen polarisiert wird. 5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem der Spannungsverlauf beim ersten Puls zur Begrenzung des Polungsstromes genutzt werden kann. An einer Folge von sinusförmigen Spannungspulsen wird nur beim ersten Spannungspuls der normale Spannungsanstieg im oberen Bereich abgeflacht. Die Abflachung beginnt in dem Bereich, in dem ein starker Anstieg des Polungsstromes zu erwarten ist. Wegen der in diesem Bereich langsamer ansteigenden Spannung wird der Polungsstrom automatisch begrenzt. Dadurch läuft die Polarisierung langsamer ab, so dass die Domänen genügend Zeit haben, ihre Dipole auszurichten. Dadurch wird eine gleichmäßige Polarisierung erreicht.As in the 3a and 3b has been shown, the limitation of the polarity current I is required in particular at the first voltage pulse, since already the largest number of domains is polarized here. 5 shows a further embodiment of the invention, in which the voltage waveform in the first pulse can be used to limit the polarity current. On a series of sinusoidal voltage pulses, the normal voltage increase in the upper region is only flattened during the first voltage pulse. The flattening begins in the area where a strong increase of the poling current is expected. Because of the slower rising voltage in this area, the polarity current is automatically limited. This slows down the polarization so that the domains have enough time to align their dipoles. This achieves a uniform polarization.

In den beiden Diagrammen von 6 sind verschiedene Spannungspulse mit ihren dazugehörenden Polungsströmen dargestellt. In dem oberen Diagramm sind fünf verschieden ausgebildete Pulsformen für die Polungsspannung U2 dargestellt. Sie unterscheiden sich insbesondere durch die unterschiedlichen Ausformungen ihrer Anstiegsflanken. Des weiteren weisen sie bei gleichen Amplituden eine unterschiedliche Periodendauer auf.In the two diagrams of 6 different voltage pulses are shown with their associated polarity currents. In the upper diagram, five differently shaped pulse shapes for the polarity voltage U2 are shown. They differ in particular by the different shapes of their rising edges. Furthermore, they have the same amplitudes on a different period duration.

Im unteren Diagramm von 6 sind die entsprechenden Stromkurven für den Polungsstrom I aufgetragen, die sich aus den einzelnen Spannungspulsen U2 ergeben. Man erkennt, wie der Stromverlauf durch die Flankenform der verschiedenen Spannungspulse U2 beeinflusst werden können. Insbesondere am rechten Spannungspuls U2, bei dem die aufsteigende Flanke abgeflacht ist, ergibt sich ein langsamerer Stromanstieg mit geringerer maximaler Amplitude. Diese Maßnahmen können somit verwendet werden, die Polarisierung in der Weise zu optimieren, dass eine gleichmäßige Polung mit stabilen Parametern entsteht, die auch zu einer geringeren Fehlerquote bei der Herstellung des Stapelaktors führt.In the lower diagram of 6 the corresponding current curves for the polarity current I, which result from the individual voltage pulses U2, are plotted. It can be seen how the current profile can be influenced by the edge shape of the different voltage pulses U2. In particular, at the right voltage pulse U2, in which the rising edge is flattened, results in a slower current increase with a lower maximum amplitude. These measures can thus be used to optimize the polarization in such a way that a uniform polarity with stable parameters is produced, which also leads to a lower error rate in the production of the stack actuator.

Claims

Method for polarizing a piezoelectric actuator ( 10 ), in particular a stack actuator having a multiplicity of piezo ceramic layers arranged one above the other ( 11 ) and intervening metal electrodes ( 12 ), wherein the metal electrodes ( 12 ) is applied an electrical voltage (U) and wherein the polarization in an electric field under the influence of one of the expansion direction of the actuator ( 10 ) counteracting pressure force and / or carried out at elevated temperature, characterized in that during the polarization phase on the actuator ( 10 ) an additional force (PZ) is applied and that the polarity current (I) resulting from the electrical voltage (U) is limited to a predetermined limit value.

Method according to claim 1, characterized in that that the electrical voltage (U) is pulsed with a continuous course, for example, is formed with a shifted sinusoidal shape.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical voltage (U) is at least ten Having pulses.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the frequency of the electrical voltage (U) in the range of 0.1 to 10 Hz.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the polarity current (I) is determined with the aid of a resistance divider (R1, R2) is limited, wherein the stack actuator, a first resistor (R1) upstream and a second resistor (R2) connected in parallel becomes.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the voltage increase of the first pulse in such a way is shaped such that a predetermined limit value for the polarity current (I) is not exceeded becomes.

Stacking actuator with a polarization according to a method of the preceding claims, characterized in that the stacking actuator ( 10 ) is used in a fuel injector in particular for actuating a valve body.