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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem elektronischen Vielschichtbauelement und ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
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Elektronische Vielschichtbauelemente können beispielsweise als piezoelektrische Bauteile, wie Piezoaktoren, in Antrieben für Injektionsventile, beispielsweise für Kfz-Motoren, sowie in Stellgliedern zur Anwendung kommen. Ein Nachteil gewöhnlicher piezoelektrischer Bauteile betrifft ihr temperaturabhängiges Verhalten, so dass sie je nach Temperatur- oder Arbeitsbereich unterschiedlich ausgelegt oder ausgebildet werden müssen. Beispielsweise kann die mechanische Auslenkung des piezoelektrischen Bauteils von der Anzahl der piezoelektrischen Schichten abhängen und je nach Temperatur- oder Arbeitsbereich variieren.
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Speziell weist ein in Einspritzventilen eingesetztes piezoelektrisches Bauteil typischerweise einen Arbeitstemperaturbereich zwischen 80 °C und 120 °C auf. Um nun auch bei tiefen Temperaturen, beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von –40 °C, zuverlässig auslenken zu können, muss das piezoelektrisches Bauteil unter Umständen mit einer höheren Anzahl von Schichten oder Lagen ausgebildet sein, was bei vergleichbaren äußeren Abmessungen eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke bewirkt.
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Bei stark schwankenden Arbeitstemperaturen ist es also wünschenswert, die Temperaturabhängigkeit des jeweiligen piezoelektrischen Bauteils zu minimieren.
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Dafür können bei der gemessenen Umgebungstemperatur beispielsweise Ansteuersignale gemäß hinterlegten oder vorbestimmten Werten an das Bauteil angelegt werden.
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Eine zu lösende Aufgabe ist es, eine Vorrichtung anzugeben sowie ein Verfahren zu deren Betrieb, mit denen eine höhere oder verbesserte Temperaturstabilität des elektronischen Vielschichtbauelements erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Es wird eine Vorrichtung mit einem elektronischen Vielschichtbauelement angegeben. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Funktionseinheit, die ausgelegt ist, das elektronische Vielschichtbauelement auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen. Die Funktionseinheit kann steuer- und/oder regelbar sein. Die Funktionseinheit kann dem elektronischen Vielschichtbauelement inhärent, beispielsweise durch piezoelektrisches und/oder Elektrodenmaterial selbst gebildet, sein. Alternativ kann die Funktionseinheit eine von dem elektronischen Vielschichtbauelement externe Komponente darstellen.
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Bei der vorbestimmten Temperatur handelt es sich vorzugsweise um eine Arbeitstemperatur des elektronischen Vielschichtbauelements. Die vorbestimmte Temperatur liegt vorzugsweise in einem vorbestimmten Temperatur- oder Arbeitstemperaturbereich des elektronischen Vielschichtbauelements, in dem es vorzugsweise betrieben werden kann.
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Mit der Vorrichtung kann die Temperatur des elektronischen Vielschichtbauelements vorteilhafterweise an den vorbestimmten Temperaturbereich angepasst werden, so dass Funktion oder Verhalten, beispielsweise elektrisches und/oder mechanisches Verhalten, des elektronischen Vielschichtbauelements weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur des elektronischen Vielschichtbauelements ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das elektronische Vielschichtbauelement für einen Betrieb bei der vorbestimmten Temperatur ausgelegt. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil auf die Abstimmung oder Auslegung des elektronischen Vielschichtbauelements auf einen breiten Temperaturbereich, der über den vorbestimmten Temperaturbereich hinausgeht, verzichtet werden. Dies kann wiederum mit Vorteil einen geringeren Herstellungsaufwand für das elektronische Vielschichtbauelement bedeuten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Temperaturregelungseinrichtung auf, die mit der Funktionseinheit gekoppelt und ausgebildet ist, die Temperatur des elektronischen Vielschichtbauelements auf die vorbestimmte Temperatur zu regeln. Je nach Umgebungstemperatur wird das elektronische Vielschichtbauelement derart erwärmt, dass es die vorbestimmte Temperatur annimmt.
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Die Temperaturregelungseinrichtung kann eine PID-Regelung (PID: englisch: „proportional-integral-derivative“), also eine proportional, integral und differential wirkende Regelung aufweisen. Andere Regelungstypen sind ebenfalls denkbar.
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Durch die Temperaturregelung über die Temperaturregelungseinrichtung hat das elektronische Vielschichtbauelement vorzugsweise weitgehend die vorbestimmte Temperatur, das heißt, dass das elektronische Vielschichtbauelement vorzugsweise bis auf leichte Temperaturunterschiede, die der Temperaturregelung inhärent oder dabei unvermeidlich sind, die vorbestimmte Temperatur hat. Durch diese Ausgestaltung kann das elektronische Vielschichtbauelement mit Vorteil weitgehend bei der vorbestimmten Temperatur betrieben werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Temperaturregelungseinrichtung eine Temperaturmesseinrichtung auf, die ausgelegt ist, die Temperatur des elektronischen Vielschichtbauelements zu erfassen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das elektronische Vielschichtbauelement ein piezoelektrisches Bauelement. Piezoelektrische Bauelemente ermöglichen vorzugsweise die Ausnutzung des inversen Piezoeffekts, also das mechanische Auslenken oder Verformen des Bauelements unter Anlegen einer elektrischen Spannung. Das elektronische Vielschichtbauelement kann ein Piezoaktor oder ein Piezostapel sein.
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Das elektromechanische Verhalten eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements ist üblicherweise abhängig von einer Umgebungstemperatur des elektronischen Vielschichtbauelements.
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Eine elektrische Spannung und/oder eine elektrische Ladung kann, beispielsweise im Falle piezoelektrischer Bauelemente, bei konstanter mechanischer Auslenkung des elektronischen Vielschichtbauelements temperaturabhängig, dass heißt abhängig von der Umgebungstemperatur sein. Analog dazu kann die mechanische Auslenkung des elektronischen Vielschichtbauelements bei konstanter elektrischer Spannung und/oder Ladung temperaturabhängig sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die vorbestimmte Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 80 °C und 120 °C. Der vorbestimmte Temperaturbereich kann sich über Temperaturen zwischen 80 °C und 120 °C erstrecken.
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Durch diese Ausgestaltung kann das elektronische Vielschichtbauelement mit Vorteil insbesondere in Einspritzventilen für die Kraftstoffeinspritzung von Kfz-Motoren verwendet werden. Ein solcher Einsatz erfolgt zweckmäßigerweise in dem oben genannten Temperaturbereich.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Funktionseinheit eine Beheizungseinrichtung, beispielsweise ein PTC-Heizelement umfassend, auf. Das PTC-Heizelement kann ein selbstregelndes Heizelement sein. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Funktionseinheit weiterhin eine Steuerung oder Energieversorgung für die Beheizungseinrichtung aufweisen. Die Beheizungseinrichtung ist zweckmäßigerweise thermisch an das elektronische Vielschichtbauelement gekoppelt, um dieses zu erwärmen. Durch diese Ausgestaltung kann das elektronische Vielschichtbauelement mit Vorteil durch die Beheizungseinrichtung auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Beheizungseinrichtung einen Heizwiderstand auf. Durch diese Ausgestaltung kann das elektronische Vielschichtbauelement mit Vorteil widerstandsbeheizt werden. Diese Ausgestaltung erlaubt eine besonders einfache Form der Erwärmung des elektronischen Vielschichtbauelements auf die vorbestimmte Temperatur.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Beheizungseinrichtung einen Träger für den Heizwiderstand, beispielsweise ein Polymer oder Silikon umfassend, auf. Der Träger kann alternativ aus dem Polymer oder dem Silikon bestehen. Der Heizwiderstand ist vorzugsweise in oder an dem Träger angeordnet. Die Beheizungseinrichtung kann beispielsweise um das elektronische Vielschichtbauelement gewickelt sein. Der Träger ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass im Betrieb der Beheizungseinrichtung eine möglichst homogene Temperaturverteilung erzielt werden kann.
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In einer alternativen, bevorzugten Ausgestaltung ist die Funktionseinheit Teil des elektronischen Vielschichtbauelements. Die Funktionseinheit ist vorzugsweise ein integraler Bestandteil des elektronischen Vielschichtbauelements oder eines Grundkörpers von diesem.
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Die Vorrichtung weist weiterhin eine Ansteuereinheit auf. Die Ansteuereinheit ist derart ausgebildet, die Funktionseinheit derart anzusteuern, dass Verluste dieses auf die vorbestimmte Temperatur erwärmen. Bei den Verlusten handelt es sich vorzugsweise um dielektrische Verluste und/oder um thermische Verluste.
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Dabei kann die Ansteuereinheit an die Funktionseinheit innerhalb des elektronischen Vielschichtbauelements beispielsweise ein Erwärmungssignal anlegen. Das Erwärmungssignal kann ein Heizsignal sein. Das Erwärmungssignal kann beispielsweise als hochfrequentes Eingangssignal von der Ansteuereinheit angelegt werden, dessen Verluste im elektronischen Vielschichtbauelement dieses auf die vorbestimmte Temperatur erwärmen. Bei der geschilderten Ausgestaltung kann mit Vorteil auf eine separate Beheizungseinrichtung verzichtet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Funktionseinheit derart ausgebildet, dass ein Betrieb oder eine Anwendung des elektronischen Vielschichtbauelements nicht oder nicht signifikant durch die genannte Ansteuerung beeinflusst wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Steuereinheit oder Steuerung für das elektronische Vielschichtbauelement auf, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, das elektronische Vielschichtbauelement während eines Betriebs für die jeweilige Anwendung des elektronischen Vielschichtbauelements mit einem Steuersignal anzusteuern. Das Steuersignal erzeugt im Falle eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements vorzugsweise eine mechanische Auslenkung des Vielschichtbauelements.
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Die Ansteuerung mit dem Erwärmungssignal kann mit oder ohne Temperaturregelung, das heißt mit oder ohne Rückkopplung des Erwärmungssignals mit einem gemessenen Temperaturwert der Temperaturregelung erfolgen.
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Die Ansteuerung mittels des Steuersignals unterscheidet sich vorzugsweise von der Ansteuerung mittels des Erwärmungssignals. Bevorzugt weist das Erwärmungssignal eine geringere Amplitude, beispielsweise Spannungsamplitude, auf als das Steuersignal. Weiterhin weist das Erwärmungssignal vorzugsweise eine höhere Frequenz auf als das Steuersignal.
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Die Steuereinheit kann beispielsweise ein Verstärker sein oder einen Verstärker umfassen, beispielsweise um kapazitive Lasten des elektronischen Vielschichtbauelements tragen zu können.
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Die Steuereinheit kann beispielsweise eine Strom- und/oder Spannungsquelle sein oder umfassen, um das elektronische Vielschichtbauelement mit einem Strom und/oder einer Spannung ansteuern zu können.
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Die Ansteuerung des elektronischen Vielschichtbauelements mittels des Steuersignals ist vorzugsweise für den Betrieb des elektronischen Vielschichtbauelements in einer Einrichtung zur Anwendung, beispielsweise in Einspritzventilen für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kfz-Motor oder einem Stellglied, vorgesehen.
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Es wird weiterhin ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung angegeben. Die oben beschriebene Vorrichtung wird vorzugsweise mittels des hier beschriebenen Verfahrens betrieben. Insbesondere können sich sämtliche für das Verfahren offenbarte Merkmale auch auf die oben beschriebene Vorrichtung beziehen und umgekehrt.
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Das Verfahren umfasst das Bereitstellen der Vorrichtung mit dem elektronischen Vielschichtbauelement und mit der Funktionseinheit. Das elektronische Vielschichtbauelement wird vorzugsweise durch die Funktionseinheit auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Temperatur des elektronischen Vielschichtbauelements auf einen Sollwert geregelt, wobei der Sollwert der Temperaturregelung der vorbestimmten Temperatur entspricht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das elektronische Vielschichtbauelement durch die Verluste auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt. Die Verluste werden vorzugsweise durch das Erwärmungssignal verursacht. Vorzugsweise wird dabei die Funktion oder das Verhalten des elektronischen Vielschichtbauelements im Betrieb oder während der Anwendung des elektronischen Vielschichtbauelements nicht signifikant beeinflusst, um den Betrieb des elektronischen Vielschichtbauelements nicht zu stören.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das elektronische Vielschichtbauelement in einem Vorbetriebszustand ausgehend von einer Anfangstemperatur auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt. Bei der Anfangstemperatur kann es sich um die Umgebungstemperatur des elektronischen Vielschichtbauelements handeln. Die Anfangstemperatur kann zwischen –40 °C und +60 °C liegen.
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Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei einer Anwendung des elektronischen Vielschichtbauelements in Einspritzventilen von Kfz-Motoren vorteilhaft, da nach dem Start des Motorbetriebs, also während des Betriebs des elektronischen Vielschichtbauelements, höhere Temperaturen als die Anfangstemperatur durch Verluste im elektronischen Vielschichtbauelement und/oder durch die Motorabwärme vorhanden sind.
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Das elektronische Vielschichtbauelement wird vorzugsweise durch das Erwärmen von dem Vorbetriebszustand in einen Betriebszustand gebracht, in welchem das elektronische Vielschichtbauelement betrieben werden kann. Auf diese Weise kann das elektronische Vielschichtbauelement, beispielsweise bei niedrigen Umgebungstemperaturen auf einen Betrieb, beispielsweise bei höheren Einsatz- oder Arbeitstemperaturen „vorbereitet“ werden. Weiterhin kann das elektronische Vielschichtbauelement mit einem geringeren Aufwand, beispielsweise mit einer kleineren Anzahl von Lagen oder piezoelektrischen Schichten, hergestellt werden als dies bei gewöhnlichen elektronischen Vielschichtbauelementen der Fall wäre, deren Betrieb, wie oben beschrieben, beispielsweise auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine bestimmte Auslenkung erfordert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das elektronische Vielschichtbauelement während eines Betriebs in einem Betriebszustand erwärmt beziehungsweise beheizt. Diese Erwärmung beziehungsweise Beheizung kann permanent während des gesamten Betriebs erfolgen. Das elektronische Vielschichtbauelement kann dabei auch auf der vorbestimmten Temperatur und/oder einer Betriebstemperatur gehalten werden.
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Alternativ wird das elektronische Vielschichtbauelement zeitlich periodisch, in Intervallen, erwärmt. Diese Ausgestaltung kann weiterhin im Falle einer Temperaturregelung des elektronischen Vielschichtbauelements zweckmäßig sein. Dies kann insbesondere im Falle einer Temperaturregelung zweckmäßig sein.
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Das elektronische Vielschichtbauelement kann sowohl mit als auch ohne Temperaturregelung permanent als auch zeitlich periodisch erwärmt und/oder beheizt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zeigt das elektronische Vielschichtbauelement während des Betriebs keine signifikante Eigenerwärmung. Diese Ausgestaltung ist besonders zweckmäßig, da eine Eigenerwärmung des elektronischen Vielschichtbauelements das Erwärmen des elektronischen Vielschichtbauelements durch die Funktionseinheit auf die vorbestimmte Temperatur möglicherweise beeinflussen würde.
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Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit einem elektronischen Vielschichtbauelement.
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2A zeigt eine schematische Seitenansicht von Teilen eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung mit dem elektronischen Vielschichtbauelement.
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2B zeigt eine schematische Aufsicht auf Teile einer Vorrichtung mit dem elektronischen Vielschichtbauelement gemäß der 2A.
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3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer weiteren Vorrichtung mit dem elektronischen Vielschichtbauelement.
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4A zeigt in einem Diagramm den Spannungsverlauf eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements als Funktion der Temperatur.
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4B zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Ladung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements als Funktion der Temperatur.
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Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 weist ein elektronisches Vielschichtbauelement 1 auf. Das elektronische Vielschichtbauelement 1 ist vorzugsweise ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement. Das elektronische Vielschichtbauelement 1 kann BZT (Blei-Zirkonat-Titanat) umfassen oder daraus bestehen.
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Alternativ zu der piezoelektrischen Ausgestaltung des elektronischen Vielschichtbauelements können andere Bauelemente als elektronisches Vielschichtbauelement vorgesehen sein, beispielsweise Kondensatoren oder Varistoren.
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Die Vorrichtung 100 weist weiterhin eine Steuerung 4 auf. Die Steuerung 4 ist ausgebildet, das elektronische Vielschichtbauelement während eines Betriebs mit einem Steuersignal anzusteuern. Die Steuerung 4 ist im Falle eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements zweckmäßigerweise geeignet, das Vielschichtbauelement mechanisch auszulenken.
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Das elektronische Vielschichtbauelement 1 weist einen Stapel mit einer Vielzahl von Innenelektroden 2 auf. Die Innenelektroden 2 sind elektrisch durch piezoelektrische Schichten voneinander getrennt. Die Innenelektroden 2 sind entlang der Längsachse des Stapels alternierend von zwei Seiten des elektronischen Vielschichtbauelements 1 zumindest teilweise überlappend angeordnet.
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Dieses elektronische Vielschichtbauelement 1 ist für einen Betrieb bei einer vorbestimmten Temperatur oder in einem vorbestimmten Temperaturbereich ausgelegt oder ausgebildet.
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Die vorbestimmte Temperatur ist vorzugsweise eine Arbeitstemperatur des elektronischen Vielschichtbauelements 1. Vorzugsweise ist das elektronische Vielschichtbauelement 1 in seiner Konstruktion auf einen Betrieb bei der vorbestimmten Temperatur ausgelegt. Die Arbeitstemperatur hängt, im Falle eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements, von der Anzahl piezoelektrischer Schichten ab. Bei der Arbeitstemperatur ist das elektronische Verhalten des elektronischen Vielschichtbauelements vorzugsweise optimal für die jeweilige Anwendung. Dies kann bedeuten, dass das elektronische Vielschichtbauelement bei der Arbeitstemperatur besonders effizient arbeitet und/oder einfach und/oder kostengünstig hergestellt werden kann.
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Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Funktionseinheit 3, die ausgebildet ist, das elektronische Vielschichtbauelement zu beheizen und/oder zu erwärmen. Die Funktionseinheit 3 ist ausgelegt, das elektronische Vielschichtbauelement 1 auf die vorbestimmte Temperatur zu erwärmen. Die Funktionseinheit 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel an einer Seite (rechts in 1) des elektronischen Vielschichtbauelements 1 angeordnet und thermisch mit diesem gekoppelt.
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Die Vorrichtung 100 weist weiterhin eine Temperaturregelungseinrichtung 5 auf. Die Temperaturregelungseinrichtung 5 ist zweckmäßigerweise mit der Funktionseinheit 3 gekoppelt und ausgebildet, das elektronische Vielschichtbauelement 1 auf die vorbestimmte Temperatur zu erwärmen oder zu beheizen, um es auf dieser Temperatur zu halten.
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Der Sollwert der Temperaturregelung der Temperaturregelungseinrichtung 5 entspricht vorteilhafterweise der vorbestimmten Temperatur.
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Die vorbestimmte Temperatur kann in einem Temperaturbereich zwischen 80 °C und 120 °C liegen. Dies ist bei einer Anwendung des elektronischen Vielschichtbauelements in Kfz-Einspritzventilen besonders zweckmäßig, da dieser Temperaturbereich typischerweise dem entsprechenden Arbeitstemperaturbereich im Kraftfahrzeug entspricht.
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Die Temperaturregelungseinrichtung 5 kann eine PID-Regelung umfassen. Andere Regelungstypen sind jedoch ebenfalls denkbar. Weiterhin umfasst die Temperaturregelungseinrichtung 5 eine Temperaturmesseinrichtung, um die Temperatur des elektronischen Vielschichtbauelements zu messen oder zu erfassen. Die gemessene Temperatur kann dann von der Temperaturregelungseinrichtung 5 mit dem Sollwert verglichen werden, um in Abhängigkeit des Ergebnisses eine Ansteuerung der Funktionseinheit 3 vorzunehmen.
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2A zeigt das elektronische Vielschichtbauelement 1 gemäß einer ersten Ausführungsform, welches mit einer Beheizungseinrichtung 8 versehen ist. Die Beheizungseinrichtung 8 ist zumindest teilweise um das elektronische Vielschichtbauelement 1 herum angeordnet. Beispielsweise kann die Beheizungseinrichtung 8 um das elektronische Vielschichtbauelement 1 gewickelt sein.
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Die Beheizungseinrichtung 8 kann ein PTC-Heizelement sein oder ein solches aufweisen.
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Die Beheizungseinrichtung 8 umfasst einen Heizwiderstand 6. Der Heizwiderstand 6 ist zur Widerstandsbeheizung des elektronischen Vielschichtbauelements 1 vorgesehen. Dabei fließt zweckmäßigerweise ein Strom, beispielsweise von einer separaten Stromquelle (nicht explizit dargestellt) bereitgestellt, durch den Heizwiderstand 6.
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Die Beheizungseinrichtung 8 umfasst weiterhin einen Träger 7. Der Träger 7 kann zum Beispiel der Befestigung des Heizwiderstands 6 dienen und/oder die Anordnung des Heizwiderstands 6 erleichtern. Der Träger 7 kann ein Silikon oder ein Polymer umfassen oder daraus bestehen. Der Heizwiderstand 6 wird vorzugsweise von dem Träger 7 gehalten. Der Heizwiderstand 6 kann in dem Träger 7 eingebettet sein.
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Wenn beispielsweise ein elektrischer Strom durch den Heizwiderstand 6 fließt, wird das elektronische Vielschichtbauelement 1 von außen beheizt und auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt.
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2B zeigt eine schematische Aufsicht auf das elektronische Vielschichtbauelement 1 und die Beheizungseinrichtung 8 aus 2A. Es ist zu erkennen, dass die Beheizungseinrichtung 8 das elektronische Vielschichtbauelement lateral beziehungsweise seitlich umschließt.
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3 zeigt die Vorrichtung 100 gemäß einer zweiten Ausgestaltung. In dieser Ausgestaltung ist die Funktionseinheit 3 als integraler Bestandteil des elektronischen Vielschichtbauelements 1 oder eines Grundkörpers von diesem ausgebildet. Die Funktionseinheit 3 kann gemäß dieser Ausgestaltung ein bestimmtes Volumen des elektronischen Vielschichtbauelements 1 oder eines Grundkörpers von diesem definieren. Die Vorrichtung 100 weist weiterhin eine Ansteuereinheit 9 auf.
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Die Ansteuereinheit 9 ist ausgebildet, die Funktionseinheit 3 als Bestandteil des elektronischen Vielschichtbauelements 1 derart anzusteuern, dass Verluste des elektronischen Vielschichtbauelements 1 auf die vorbestimmte Temperatur erwärmen oder dieses beheizen.
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Bei den Verlusten handelt es sich vorzugsweise um dielektrische Verluste und/oder um thermische Verluste oder thermische Verlustleistung, welche durch Joulesche Wärme im Betrieb und/oder während einer Ansteuerung des elektronischen Vielschichtbauelements entsteht. Diese Verluste können beispielsweise im Betrieb und/oder während einer Ansteuerung durch kapazitive Lasten entstehen.
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Die Ansteuereinheit ist ausgebildet, an die Funktionseinheit 3 ein Erwärmungssignal anzulegen oder die Funktionseinheit 3 mit diesem zu beaufschlagen.
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Das Steuersignal der Steuerung 4 kann beispielsweise ein periodisches Signal, im Falle eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements vorzugsweise eine Wechselspannung, sein. Das Erwärmungssignal kann ebenfalls ein periodisches Signal, beispielsweise eine Wechselspannung, sein.
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Das Erwärmungssignal weist vorzugsweise eine wesentlich höhere Frequenz auf als das Steuersignal. Die Frequenz des Erwärmungssignals liegt vorzugsweise oberhalb von 100 kHz.
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Die Frequenz des Erwärmungssignals liegt vorzugsweise weit oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz oder Hauptresonanz des elektronischen Vielschichtbauelements 1. Im Falle eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements ist die mechanische Auslenkung, welche durch das Erwärmungssignal hervorgerufen wird, dann vernachlässigbar oder wesentlich kleiner als die mechanische Auslenkung, welche durch das Steuersignal hervorgerufen wird. Vorzugsweise wird das Steuersignal mit dem Erwärmungssignal daher, wie in 3 dargestellt, überlagert, das heißt, dass das Steuersignal und das Erwärmungssignal an den gleichen Elektroden des Vielschichtbauelements anliegen können und beispielsweise eine Spannung des Steuersignals mit einer wesentlich kleineren Spannung des Erwärmungssignals überlagert ist.
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Das Erwärmungssignal und das Steuersignal können zeitgleich oder zeitlich sequentiell an die Funktionseinheit 3 angelegt werden.
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Das Erwärmungssignal führt vorzugsweise zu keiner oder keiner signifikanten Auslenkung und/oder zu keiner signifikanten Depolarisation beziehungsweise Umpolung des elektronischen Vielschichtbauelements. Weiterhin ist die Vorrichtung vorzugsweise derart ausgebildet, dass durch die Beaufschlagung mit oder dem Anlegen des Erwärmungssignals das elektronische Vielschichtbauelement vorzugsweise in seiner eigentlichen Funktion nicht oder nicht signifikant beeinflusst, sondern lediglich erwärmt beziehungsweise beheizt, wird.
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In einem Betrieb der Vorrichtung 100 kann das elektronische Vielschichtbauelement 1 in einem Vorbetriebszustand ausgehend von einer Anfangstemperatur, beispielsweise der Umgebungstemperatur, auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt oder derart beheizt werden, dass das elektronische Vielschichtbauelement permanent die vorbestimmte Temperatur aufweist. Die Umgebungstemperatur kann in einem Temperaturbereich zwischen –40 °C und +60 °C liegen. Durch die Erwärmung kann das elektronische Vielschichtbauelement vorzugsweise von dem Vorbetriebszustand in den Betriebszustand gebracht werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das elektronische Vielschichtbauelement während seines Betriebs erwärmt werden. Vorzugsweise zeigt das elektronische Vielschichtbauelement dabei keine signifikante Eigenerwärmung, welche beispielsweise eine Temperaturregelung negativ beeinflussen und/oder erschweren könnte.
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Die Ansteuerung des elektronischen Vielschichtbauelements mittels des Steuersignals ist vorzugsweise für den Betrieb oder eine Anwendung des elektronischen Vielschichtbauelements in einer Einrichtung zur Anwendung (nicht explizit dargestellt), beispielsweise in Einspritzventilen für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kfz-Motor oder einem Stellglied, vorgesehen.
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Piezoelektrische Vielschichtbauelemente weisen üblicherweise eine Temperaturabhängigkeit ihrer elektromechanischen Eigenschaften und/oder ihrer elektrischen Spannung und Ladung auf.
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In 4A ist der Abfall der elektrischen Spannung eines 30 mm hohen piezoelektrischen Vielschichtbauelements bei einer konstanten Auslenkung von 40 µm als Funktion der Temperatur gezeigt. Bei einer Umgebungstemperatur von circa –40 °C entspricht die elektrische Spannung, beispielsweise zwischen zwei äußeren Elektroden (nicht explizit dargestellt), des elektronischen Vielschichtbauelements 160 V. Die elektrische Spannung fällt bei einer Erwärmung des piezoelektrischen Vielschichtbauelements von 150 °C auf etwa 130 V ab.
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4B zeigt das Verhalten der elektrischen Ladung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements als Funktion der Temperatur analog zu 4A. Es ist zu erkennen, dass die elektrische Ladung ebenfalls temperaturabhängig ist und bei –40 °C circa 0,85 mC beträgt und nach dem Erwärmen des piezoelektrischen Vielschichtbauelements auf 150 °C auf circa 1,27 mC anwächst.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektronisches Vielschichtbauelement
- 2
- Innenelektrode
- 3
- Funktionseinheit
- 4
- Steuerung
- 5
- Temperaturregelungseinrichtung
- 6
- Heizwiderstand
- 7
- Träger
- 8
- Beheizungseinrichtung
- 9
- Ansteuereinheit
- 100
- Vorrichtung