DE10048430A1 - Piezoelectric actuator, e.g. for control valves in vehicles, has piezoelectric material and metal or electrical conducting layers forming actuator body and gap provided between body and enclosing jacket is filled with liquid medium - Google Patents
Piezoelectric actuator, e.g. for control valves in vehicles, has piezoelectric material and metal or electrical conducting layers forming actuator body and gap provided between body and enclosing jacket is filled with liquid mediumInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a piezoelectric Actuator, in particular for actuating control valves or Injectors on internal combustion engines in motor vehicles according to the preamble of claim 1.
Ein derartiger piezoelektrischer Aktor ist beispielsweise aus der DE 196 50 900 bekannt. Im Allgemeinen können piezo elektrische Aktoren z. B. für Einspritzventile eines Kraft fahrzeugmotors sowie in Bremssystemen mit Antiblockiersy stem und Antischlupfregelungen eingesetzt werden. Da der Hub des piezoelektrischen Aktors in der Regel sehr klein ist, wird der Hub mittels mechanischen oder hydraulischen Übersetzern übersetzt, um ein Ventil zu betätigen. Im Ver gleich mit elektromagnetisch betätigten Einspritzventilen können piezoelektrische Aktoren schneller schalten. Aller dings muss beim Aufbau eines piezoelektrischen Aktors be achtet werden, dass durch innere Verluste im piezoelektri schen Körper des Aktors eine Verlustwärme entsteht, die ab geführt werden muss, um eine Überhitzung des Aktors zu ver meiden. Da beispielsweise Keramikmaterialien, welche für eine Piezokeramik verwendet werden, eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, ist die Ableitung innerhalb des im Wesentlichen aus Keramikmaterial bestehenden Aktorkörpers ungünstig. Die durch den Aktor erzeugte Wärme staut sich im Aktor selber.Such a piezoelectric actuator is for example known from DE 196 50 900. In general, piezo electrical actuators z. B. for a fuel injectors vehicle engine and in braking systems with anti-lock braking stem and anti-slip regulations are used. Since the The stroke of the piezoelectric actuator is usually very small is the stroke by means of mechanical or hydraulic Translator translates to operate a valve. In Ver same with electromagnetically operated injection valves can switch piezoelectric actuators faster. all Things must be when building a piezoelectric actuator care should be taken that internal losses in the piezoelectric body of the actuator, a heat loss is generated, which must be performed in order to prevent the actuator from overheating avoid. For example, since ceramic materials used for a piezoceramic can be used, poor thermal conductivity have the derivative within the im Essentially made of ceramic material actuator body unfavorable. The heat generated by the actuator builds up in the Actuator itself.
Aus der WO 00/34700 ist ein piezoelektrischer Aktor be kannt, bei dem ein Zwischenraum zwischen dem Aktorkörper und der Modulwand mit einem elastischen oder plastischen, elektrisch isolierenden Stoff mit guter Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt ist. Dabei ist der isolierende Stoff zumindest im Temperaturbereich unter der Betriebstemperatur des Ak tors fest. Als isolierender Stoff wird dabei ein im unver netzten Zustand niedrigviskoses Elastomer verwendet, wel ches einen wärmeleitfähigen Füllstoff wie z. B. Al2O3 verwen det. Hierbei ist jedoch die Stoffaufbereitung der zweikom ponentigen Vergussmaße relativ aufwendig. Weiterhin ist es aus herstellungstechnischer Sicht relativ schwierig, derar tige Stoffe in beengte Räume, wie sie bei Aktoren vorhanden sind, einzuführen.From WO 00/34700 a piezoelectric actuator is known, in which an intermediate space between the actuator body and the module wall is filled with an elastic or plastic, electrically insulating material with good thermal conductivity. The insulating material is solid, at least in the temperature range below the operating temperature of the actuator. As an insulating material, a low-viscosity elastomer is used in the uncrosslinked state, which is a thermally conductive filler such. B. Al 2 O 3 used det. However, the stock preparation of the two-component potting dimensions is relatively complex. Furthermore, from a manufacturing point of view, it is relatively difficult to introduce such substances in confined spaces, such as those found in actuators.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor mit den Merkma len des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die im Stand der Technik bekannte langwierige Herstel lung eines wärmeleitfähigen Elastomervergusses entfällt. Erfindungsgemäß wird in einen Zwischenraum zwischen dem Ak torkörper und einer Hülse ein elektrisch isolierendes, flüssiges Medium gefüllt, welches über den gesamten Be triebstemperaturbereich des Aktors flüssig ist. Somit er folgt durch die erfindungsgemäße Verwendung des flüssigen Mediums eine Wärmeübertragung sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Konvektion. Dabei kann es zu einer freien Kon vektion infolge von durch Temperaturunterschiede hervorgerufenen Dichteunterschiede kommen. Weiterhin kommt es in Folge des Schaltvorganges zu erzwungenen Strömungen. Da das flüssige Medium zur Wärmeübertragung über den gesamten Be triebstemperaturbereich des piezoelektrischen Aktors flüs sig bleibt, wird somit auch über den gesamten Betriebstem peraturbereich eine Kühlung des Aktorkörpers erreicht. Wei terhin kann durch die Verwendung des flüssigen Mediums als Kühlmedium auch die Herstellung des erfindungsgemäßen pie zoelektrischen Aktors vereinfacht werden, da aufgrund der relativ niedrigen Viskosität des Mediums das Medium einfach in den relativ beengten Zwischenraum zwischen dem Aktorkör per und der Hülse eingefüllt werden kann. Hinsichtlich der Herstellung sei angemerkt, dass das flüssige Medium auch in die Hülse eingeführt werden kann und dann bei der Montage des Aktorkörpers dieser in das Medium eintaucht und durch sein Volumen das Medium verdrängt.The piezoelectric actuator according to the invention with the features len of claim 1 has the advantage over the other that the lengthy manufacture known in the prior art There is no need for thermally conductive elastomer casting. According to the invention in a space between the Ak gate body and a sleeve an electrically insulating, filled liquid medium, which over the entire loading drive temperature range of the actuator is fluid. So he follows through the use of the liquid according to the invention Medium a heat transfer through both heat conduction also by convection. It can lead to a free con vection due to temperature differences Differences in density come. Furthermore it comes in Follow the switching process to forced currents. Since that liquid medium for heat transfer over the entire load drive temperature range of the piezoelectric actuator flux remains sig, is thus also over the entire operating time temperature range achieved cooling of the actuator body. Wei terhin can by the use of the liquid medium as Cooling medium also the manufacture of the pie according to the invention zoelectric actuator can be simplified because of the relatively low viscosity of the medium, the medium simply in the relatively narrow space between the actuator body by and the sleeve can be filled. With regard to the Manufacturing it should be noted that the liquid medium also in the sleeve can be inserted and then during assembly of the actuator body which is immersed in the medium and through its volume displaces the medium.
Vorzugsweise wird als elektrisch isolierendes, flüssiges Medium Silikonöl verwendet. Dieses ist aufgrund seiner me chanischen und thermischen Eigenschaften besonders zur Küh lung des piezoelektrischen Aktors geeignet. Es sei ange merkt, dass als flüssiges Medium auch ähnliche Stoffe wie das Silikonöl verwendet werden können, welche ähnliche me chanische und thermische Eigenschaften aufweisen.Is preferably used as an electrically insulating, liquid Medium silicone oil used. This is due to its me mechanical and thermal properties especially for cooling suitable for the piezoelectric actuator. It is said notes that as a liquid medium, similar substances such as the silicone oil can be used, which similar me have mechanical and thermal properties.
Um eine Leckage des flüssigen Mediums aus dem piezoelektri schen Aktor zu verhindern, ist an den stirnseitigen Enden des piezoelektrischen Aktors vorzugsweise eine Abdichtung mittels Schweißen vorgesehen.To leak the liquid medium from the piezoelectric Preventing the actuator is at the front ends the piezoelectric actuator preferably a seal provided by welding.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorlie genden Erfindung erfolgt eine Abdichtung an den stirnseiti gen Enden des piezoelektrischen Aktors mittels eines Kunst stoffs oder Klebstoffs. According to another preferred embodiment of the present Invention there is a seal on the end face ends of the piezoelectric actuator by means of an art fabric or adhesive.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorlie genden Erfindung ist der Aktorfuß aus Stahl hergestellt. Die elektrischen Zuleitungen werden zusammen mit dem Aktor fuß umspritzt und sind dicht. Alternativ werden die Zulei tungen im Fuß in Glas eingeschmolzen.According to a further preferred embodiment of the present The invention is the actuator base made of steel. The electrical leads are together with the actuator molded around the foot and are tight. Alternatively, the Zulei melts in the foot melted into glass.
Um eine gute Wärmeübertragung vom piezoelektrischen Aktor nach außen zu gewährleisten, ist die Hülse vorzugsweise als eine Metallhülse ausgebildet.To ensure good heat transfer from the piezoelectric actuator to ensure the outside, the sleeve is preferably as formed a metal sleeve.
Um Vorteile hinsichtlich der Herstellung und der Montage zu erhalten, weist der piezoelektrische Aktor vorzugsweise ei nen Aktorkopf und einen Metallbalg auf, welche mit der Hül se eine Baugruppe bilden, die als Schweißkonstruktion aus gestaltet ist. Somit kann diese Baugruppe im Voraus vormon tiert werden.To take advantage of manufacturing and assembly benefits received, the piezoelectric actuator preferably egg NEN actuator head and a metal bellows, which with the sleeve se form an assembly that consists of a welded structure is designed. This means that this module can be installed in advance be animals.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorlie genden Erfindung weist der piezoelektrische Aktor einen Ak torfuß auf, welcher mit dem Aktorkörper eine Baugruppe bil det. Dadurch können ebenfalls Vorteile hinsichtlich der Herstellung und der Montage erhalten werden.According to a further preferred embodiment of the present ing invention, the piezoelectric actuator has an Ak gate foot, which bil with the actuator body an assembly det. This can also have advantages in terms of Manufacturing and assembly can be obtained.
Somit wird erfindungsgemäß ein piezoelektrischer Aktor be reitgestellt, welcher die durch die Betätigung im Aktor entstehende Wärme über ein flüssiges Medium, welches den Aktorkörper vollständig umgibt, zur Außenseite des piezo elektrischen Aktors übertragen kann. Dabei tritt während der Wärmeübertragung zwischen dem Aktorkörper und dem flüs sigen Medium sowohl Wärmeleitung als auch Konvektion auf. Somit kann erfindungsgemäß die im Aktor entstehende Wärme in sicherer Weise abgeführt werden, sodass keine Beschädi gungen am Aktor auftreten. Weiterhin kann der piezoelektrische Aktor einfach und kostengünstig hergestellt werden, da das flüssige Medium aufgrund seines Aggregatzustands auf einfache Weise in den Zwischenraum zwischen den Aktorkörper und der Hülse des Aktors eingebracht werden kann. Somit können insbesondere die im Stand der Technik notwendigen aufwendigen Verfahrensschritte zur Herstellung eines aus zwei Komponenten bestehenden Elastomers entfallen.Thus, according to the invention, a piezoelectric actuator will be provided by the actuation in the actuator generated heat over a liquid medium, which the Completely surrounds the actuator body to the outside of the piezo electrical actuator can transmit. This occurs during the heat transfer between the actuator body and the river medium both heat conduction and convection. According to the invention, the heat generated in the actuator can thus be removed in a safe manner so that no damage occur on the actuator. Furthermore, the piezoelectric Actuator can be manufactured easily and inexpensively because the liquid medium due to its physical state simple way in the space between the actuator body and the sleeve of the actuator can be introduced. Consequently can in particular those necessary in the prior art elaborate process steps to produce a two components of existing elastomer are eliminated.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung nä her erläutert.An embodiment of the invention is in the drawing shown and is nä in the following description ago explained.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Schnittansicht eines Piezoaktormoduls gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.The only figure in the drawing shows a schematic Sectional view of a piezo actuator module according to one embodiment Example of the present invention.
In der Figur ist ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Aktor 10 im Schnitt dargestellt.In the figure, a piezoelectric actuator 10 according to the invention is shown in section.
Wie in der Figur gezeigt, umfasst der piezoelektrische Ak tor 10 einen Aktorkörper 3, welcher rechteckig aufgebaut ist. Der Aktorkörper 3 ist in der Form eines vielschichti gen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelek trischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schich ten aufgebaut. An den Seiten des Aktorkörpers 3 ist jeweils eine Elektrode 4 angeordnet. Die Elektroden 4 sind über elektrische Anschlussdrähte 2 und eine nicht näher darge stellte Leitung mit einer Steuereinrichtung (nicht darge stellt) verbunden. As shown in the figure, the piezoelectric actuator 10 comprises an actuator body 3 , which is rectangular. The actuator body 3 is constructed in the form of a multi-layered laminate of layers of piezoelectric material and layers of metallic or electrically conductive intermediate layers serving as electrodes. An electrode 4 is arranged on each side of the actuator body 3 . The electrodes 4 are connected via electrical connecting wires 2 and a line (not shown in more detail) to a control device (not shown).
Weiter umfasst der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 10 einen Aktorfuß 1 und einen Aktorkopf 7. Eine Metallhülse 6 bildet die äußere Ummantelung des piezoelektrischen Ak tors 10. Um einen Hub des Aktorkörpers 3 zu ermöglichen, ist die Metallhülse 6 mit einem Metallbalg 8 verbunden, welcher seinerseits am Kopf 7 befestigt ist.Furthermore, the piezoelectric actuator 10 according to the invention comprises an actuator base 1 and an actuator head 7 . A metal sleeve 6 forms the outer casing of the piezoelectric actuator 10 . In order to enable a stroke of the actuator body 3 , the metal sleeve 6 is connected to a metal bellows 8 , which in turn is attached to the head 7 .
Wie in der Figur gezeigt, ist zwischen der Metallhülse 6 und dem Aktorkörper 3 ein Zwischenraum gebildet, welcher sich mantelförmig um den Aktorkörper 3 erstreckt. Dieser Zwischenraum ist mit einem flüssigen Medium 5, wie z. B. Si likonöl, gefüllt.As shown in the figure, an intermediate space is formed between the metal sleeve 6 and the actuator body 3 , which extends in a jacket-like manner around the actuator body 3 . This space is with a liquid medium 5 , such as. B. Si likonöl filled.
Das flüssige Medium 5 ist auch im Bereich zwischen dem Me tallbalg 8 und dem Aktorkopf 7 vorhanden. Um eine dichte Verbindung zwischen dem Metallbalg 8 und der Metallhülse 6 zu erreichen, sind diese beiden Teile im Bereich 12 vor zugsweise lasergeschweißt. Alternativ können der Metallbalg 8 und die Metallhülse 6 auch ein Teil bilden. Ebenfalls ist der Metallbalg 5 am Aktorkopf 7 vorzugsweise mittels Laser schweißen befestigt. Am fußseitigen Ende des piezoelektri schen Aktors 10 ist die Metallhülse 6 an einem Umfangsbe reich 11 des Aktorfußes 1 mittels Schweißen oder Bördeln fluiddicht befestigt. Somit ist der piezoelektrische Aktor 10 an seinen beiden stirnseitigen Enden fluiddicht abge dichtet, sodass das den Aktorkörper 3 umgebende flüssige Medium 5 nicht lecken kann.The liquid medium 5 is also present in the area between the tallow bell 8 and the actuator head 7 . In order to achieve a tight connection between the metal bellows 8 and the metal sleeve 6 , these two parts are preferably laser-welded in the region 12 . Alternatively, the metal bellows 8 and the metal sleeve 6 can also form a part. Likewise, the metal bellows 5 is attached to the actuator head 7, preferably by means of laser welding. At the foot end of the piezoelectric actuator's 10 , the metal sleeve 6 is attached to a rich area 11 of the actuator base 1 by means of welding or flanging in a fluid-tight manner. Thus, the piezoelectric actuator 10 is sealed in a fluid-tight manner at its two ends, so that the liquid medium 5 surrounding the actuator body 3 cannot leak.
Am Aktorkopf 7 ist ein Ringflansch 14 gebildet, an welchen der Aktorkörper 3 anliegt und dadurch den Hub des Aktorkör pers 3 auf den Aktorkopf 7 überträgt. Vom Aktorkopf 7 wird der Hub über einen mechanischen oder hydraulischen Überset zer auf ein Ventilglied, beispielsweise für ein Einspritz ventil oder ein Steuerventil, übertragen. On the actuator head 7 , an annular flange 14 is formed, on which the actuator body 3 rests and thereby transmits the stroke of the actuator body 3 to the actuator head 7 . From the actuator head 7 , the stroke is transmitted via a mechanical or hydraulic transmission to a valve member, for example for an injection valve or a control valve.
Wenn nun am Aktorkörper 3 in Folge seiner Betätigung Wärme entsteht, kann diese über das flüssige Medium 5, welches über den gesamten Betriebstemperaturbereich des piezoelek trischen Aktors 10 in einem flüssigen Aggregatzustand ist, vom Aktorkörper 3 fortgeleitet werden. Da das Medium zwi schen dem Aktorkörper 3 und der Metallhülse 6 flüssig ist, erfolgt die Wärmeübertragung sowohl über Konvektion als auch über Wärmeleitung. Eine Zirkulation und somit eine Konvektion des flüssigen Mediums 5 wird dabei durch die Temperaturunterschiede im Aktor 10 erreicht. Da das nieder viskose Medium 5 auf einfache Weise in den Bereich zwischen der Metallhülse 6 und dem Aktorkörper 3 eingebracht werden kann, ergeben sich insbesondere auch bei der Herstellung und der Montage des piezoelektrischen Aktors 10 erhebliche Vorteile, welche zu Kostensenkungen führen. Da die Hülse 6 und der Balg 8 sowie der Aktorfuß 1 vorzugsweise aus Metall hergestellt sind, kann eine Abdichtung in sicherer Weise beispielsweise mittels Laserschweißen erreicht werden.If heat is generated on the actuator body 3 as a result of its actuation, this can be conducted away from the actuator body 3 via the liquid medium 5 , which is in a liquid state of aggregation over the entire operating temperature range of the piezoelectric actuator 10 . Since the medium between the actuator body 3 and the metal sleeve 6 is liquid, the heat transfer takes place both via convection and via heat conduction. A circulation and thus a convection of the liquid medium 5 is achieved by the temperature differences in the actuator 10 . Since the low-viscosity medium 5 can be introduced into the area between the metal sleeve 6 and the actuator body 3 in a simple manner, considerable advantages result in particular in the manufacture and assembly of the piezoelectric actuator 10 , which lead to cost reductions. Since the sleeve 6 and the bellows 8 and the actuator foot 1 are preferably made of metal, sealing can be achieved in a safe manner, for example by means of laser welding.
Es sei angemerkt, dass als flüssiges Medium 5 insbesondere Silikonöl verwendet wird. Es können jedoch auch andere flüssige Medien verwendet werden, welche elektrisch isolie rend sind und ähnliche mechanische und thermische Eigen schaften wie Silikonöl aufweisen.It should be noted that in particular silicone oil is used as the liquid medium 5 . However, it is also possible to use other liquid media which are electrically insulating and have similar mechanical and thermal properties as silicone oil.
Somit wird erfindungsgemäß ein piezoelektrischer Aktor 10, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Ein spritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper 3, insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinanderge schichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwi schenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten vorgeschlagen. Eine der Stirnseiten des Aktorkörpers 3 ist an einem Aktorfuß 6 festgelegt und der Aktorkörper 3 ist unter Einhaltung eines Zwischenraums von einer Hülse 6 umgeben. Der Zwischenraum ist mit einem elektrisch isolierenden, flüssigen Medium 5 gefüllt, welches über den gesamten Betriebstemperaturbe reich des piezoelektrischen Aktors 10 im flüssigen Aggre gatszustand vorhanden ist.Thus, according to the invention, a piezoelectric actuator 10 , in particular for actuating control valves or an injection valves on internal combustion engines in motor vehicles, with a piezoelectric actuator body 3 , in particular in the form of a multi-layered laminate of layers of piezoelectric material and layers of metallic or electrically conductive therebetween as electrodes serving layers proposed. One of the end faces of the actuator body 3 is fixed to an actuator base 6 and the actuator body 3 is surrounded by a sleeve 6 while maintaining a gap. The gap is filled with an electrically insulating, liquid medium 5 , which is present in the liquid state over the entire operating temperature range of the piezoelectric actuator 10 in the liquid state.
Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels ge mäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfin dung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.The previous description of the embodiment ge according to the present invention is for illustrative purposes only Purposes and not for the purpose of limiting the inven dung. Various changes are within the scope of the invention and modifications possible without the scope of the invention as well as leaving their equivalents.
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