DE10126918A1 - Hochleistungspiezoaktuator - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochleistungspiezoaktuator, der insbesondere für einen dynamischen Leistungsbetrieb geeignet ist. DOLLAR A Aufgabe ist es hierbei, einen derartigen Aktuator zu schaffen, der auf einfache Weise und mit geringem technischen Aufwand die von dem Aktuator erzeugte Wärme effektiv abführt. DOLLAR A Der Hochleistungspiezoaktuator umfasst eine Vielzahl von stapelförmigen, piezoelektrischen Teilaktuatoren, die als Schichtverbund aus piezoelektrischem und leitfähigem Material ausgebildet sind, und zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Teilaktuatoren (10a, 10b, 10c...) in Stapelrichtung angeordnet und miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei zwischen den einzelnen Teilaktuatoren (10a, 10b, 10c...) jeweils ein wärmeleitfähiges Material (20a, 20b, 20c...) vorgesehen ist, das in wärmeleitendem Kontakt mit den jeweils zu beiden Seiten des wärmeleitfähigen Materials angeordneten Teilaktuatoren steht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochleistungspiezoaktuator, der insbesondere für einen dynamischen Leistungsbetrieb geeignet ist.

Piezoelektrische Keramiken weisen bekanntlich den Effekt auf, dass sie sich unter Einwir­ kung von mechanischem Druck bzw. Zug aufladen und andererseits bei elektrischer Aufla­ dung sich ausdehnen bzw. zusammenziehen. Zur Verstärkung dieses Effekts werden mono­ lithische Vielschichtaktuatoren verwendet, die aus einem gesinterten Stapel dünner Folien aus Piezokeramik (z. B. Bleizirkonattitanat) mit eingelagerten metallischen Innenelektroden bestehen. Hierbei werden typischerweise bis zu einigen hunderten Einzelschichten alternie­ rend mit Elektrodenmaterial zu einem Stapel angeordnet und gemeinsam zu einem monolit­ hischen Verbund von bis zu typischerweise 5 mm laminiert und gesintert. Größere Aktuato­ ren mit größerer absoluter Auslängung können beispielsweise durch Verkleben mehrerer solcher Stapel erhalten werden.

Zur elektrischen Kontaktierung solcher Piezoaktuatoren in Vielschichtbauweise können die Innenelektroden beispielsweise wechselseitig aus dem Stapel herausgeführt und über Au­ ßenelektroden elektrisch parallel geschaltet werden. Die Außenelektroden können als Me­ tallisierungsstreifen an der Außenseite des Piezoaktuators ausgebildet sein. Damit eine Elektrodenschicht für die beiden benachbarten Piezokeramikschichten als Elektrode dient, erfolgt die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschicht innerhalb des Stapels vorzugs­ weise in alternierender Polarität.

Derartige Piezoelemente in Form von Stapelaktuatoren, die auch als Vielschichtaktuatoren oder Piezostacks bezeichnet werden, sind beispielsweise aus DE 196 46 676 C1 und DE 199 12 272 A1 bekannt.

Ein Nachteil derartiger Vielschichtaktuatoren liegt darin, dass die im Betrieb des Aktuators auftretende Wärme kaum oder nur schlecht abgeleitet werden kann. Dadurch sind derarti­ ge Piezostacks nur bis zu einer maximalen Temperatur von typischerweise 150°C einsetz­ bar, so dass ein Hochleistungsbetrieb in der Regel nicht möglich ist. Die bei dynamischem Betrieb auftretenden Wärmeverluste können bei herkömmlichen Piezostacks aufgrund der geringen thermischen Leitfähigkeit des keramischen Materials nur ungenügend abgeführt werden.

Zum Abführen dieser Wärmeentwicklung werden üblicherweise Kühlsysteme verwendet, die auf einer Konvektionskühlung durch Umgebungsluft oder durch separat angeordnete Kühlkreisläufe realisiert werden. Bei den zuletzt genannten wird ein Kühlmittel möglichst nahe am Ort der generierten Wärme vorbeigeführt. Derartige Kühlsysteme haben jedoch wiederum den Nachteil, dass sie den Aufbau vergrößern und die Anordnung meist klobig und unhandlich machen.

Aus der Druckschrift DE 198 26 339 A1 bzw. aus DE 198 26 341 A1 ist ferner bekannt, zu­ sätzliche Kompensationselemente vorzusehen, die einer wärmebedingten Längenänderung eines herkömmlichen Piezoelementes entgegenwirken. Als Kompensationselement kann beispielsweise ein Peltier-Element dienen. Auch ein derartiges Anbringen von Kompensati­ onselementen hat einen komplexen Aufbau zur Folge.

Ferner ist aus der Druckschrift DE 17 73 200 A1 eine piezoelektrische Messeinrichtung be­ kannt, die zum Abführen der Wärme Kühlrippen vorsieht. Die Kühlrippen sind hierbei am Mantel eines Wandlergehäuses angebracht, in dem sich ein herkömmliches piezoelektri­ sches Messelement befindet. Alternativ können die Kühlrippen am Messwandlergehäuse selbst angeordnet werden. Auch eine Ausgestaltung gemäß dieser Druckschrift weist in der Regel große Abmessungen auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Piezoaktuator, insbe­ sondere einen Hochleistungspiezoaktuator zu schaffen, bei dem die im Inneren des Piezoaktuators anfallende Wärme einfach und effektiv abgeleitet werden kann, so dass der Piezo­ aktuator auch für einen dynamischen Leistungsbetrieb geeignet ist.

Die Aufgabe wird durch einen Hochleistungspiezoaktuator mit einer Vielzahl von stapelför­ migen, piezoelektrischen Teilaktuatoren, die als Schichtverbund aus piezoelektrischem und leitfähigem Material ausgebildet sind, gelöst, und zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Teilaktuatoren in Stapelrichtung angeordnet und miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei zwischen den einzelnen Teilaktuatoren jeweils ein wärmeleitfähiges Material vorgesehen ist, das in wärmeleitendem Kontakt mit den jeweils zu beiden Seiten des wärmeleitfähigen Materials angeordneten Teilaktuatoren steht.

Zentraler Gedanke ist hierbei, dass die im Betrieb des Piezoaktuators erzeugte Wärme durch Anordnen eines sehr gut wärmeleitfähigen Materials, das jeweils zwischen den einzelnen Teilaktuatoren angeordnet ist, direkt abgeführt wird. Hierbei ist für eine gute Wärmeablei­ tung darauf zu achten, dass das wärmeleitfähige Material jeweils in direktem Kontakt mit den benachbarten Teilaktuatoren steht.

Durch das meist in Form von Kühlblechen ausgebildete wärmeleitende, blechförmige Mate­ rial kann die Wärme vom Entstehungsort unmittelbar abgeführt werden, so dass eine effek­ tive und wirksame Kühlung erfolgt.

Somit hat die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Hochleistungspiezoaktuators den Vor­ teil, die Wärme mit einfachen Mitteln, die lediglich geringen Platz benötigen, effektiv abzu­ führen. Der Platzbedarf der Kühlbleche ist minimal und auch die Herstellung ist einfach und bedarf keines aufwendigen Arbeitsschrittes sondern kann bereits in den üblichen Herstel­ lungsprozess derartiger Vielschichtaktuatoren auf einfache Art und Weise integriert wer­ den.

Vorteilhafterweise ragt das wärmeleitfähige Material ganz oder teilweise über den Quer­ schnitt der einzelnen Teilaktuatoren. Dies hat zur Folge, dass bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Aktuators keine exakte Positionierung erforderlich ist oder präzise Abmes­ sungstoleranzen eingehalten werden müssen.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn der überstehende Bereich des wärmeleitenden Materials mit einer Wärmesenke verbunden ist. Auf diese Weise kann die Wärme direkt abgeleitet werden. Gleichzeitig kann dadurch eine Art von Befestigung des Aktuators bewerkstelligt werden.

Dabei ist es möglich, dass das der überstehende Bereich bzw. der Endbereich des wärme­ leitenden Materials die von den Teilaktuatoren generierte Wärme an die Umgebungsluft abgibt oder mit einem Flüssigkeitskühlkreislauf verbunden ist. Bei ersterem ist die Wär­ meabfuhr zwar nicht so effektiv, jedoch handelt es sich hierbei um eine besonders einfache Ausgestaltung. Die Anbindung an einen Kühlkreislauf ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Hochleistungspiezoaktuators in ein bestehendes System integriert wird, das einen derartigen Kreislauf bereits aufweist.

Vorzugsweise besteht das wärmeleitfähige Material aus thermisch sehr gut leitenden Werk­ stoffen mit mechanisch ausreichender Festigkeit wie Kupfer, Aluminium, Kupferberyllium und Beryllium. Diese Materialien zeichnen sich insbesondere durch einen hohen Wärme­ leitfähigkeitkoeffizienten aus und sind somit für den geschilderten Einsatz besonders geeig­ net.

Der erfindungsgemäße Hochleistungspiezoaktuator findet zweckmäßigerweise bei der Steuerung eines Injektors in Einspritzsystemen Anwendung. Er kann aber ebenso zur Klap­ pensteuerung bei Tragflächen und Rotorblättern oder zur Vibrationserfassung und/oder Vibrationskompensation in Fahr-, Flugzeugen und Hubschraubern eingesetzt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Abbildungen in näheren Einzel­ heiten erläutert. In denen zeigt:

Fig. 1 einen Piezoaktuator in Vielschichtbauweise gemäß dem Stand der Technik, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Hochleistungspiezoak­ tuators mit entsprechend ausgestalteten Kühlblechen.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Vielschichtaktuator nach dem Stand der Technik. Der piezo­ elektrische Aktuator 1 besteht aus einer Vielzahl von Schichten 2 aus piezoelektrischem Material, die in Form eines Stapels übereinander angeordnet sind. Zwischen den aufeinan­ derfolgenden Schichten 2 aus piezoelektrischem Material sind jeweils Innenelektroden 5 bzw. 6 angeordnet. Die Innenelektroden 5 bzw. 6 kontaktieren wechselseitig auf der Au­ ßenseite des Stapels der Schichten 2 aus piezoelektrischem Material angeordnete Außen­ elektroden 3 bzw. 4. Die Außenelektroden 3 bzw. 4 sind jeweils mit einem Anschluss 11a bzw. 11b einer Steuerspannungsquelle 10 elektrisch verbunden. Die Innenelektroden 5 bzw. 6 sind somit über die Außenelektroden 3 bzw. 4 alternierend mit den Anschlüssen 11a bzw. 11b der Steuerspannungsquelle 10 verbunden.

Das piezoelektrische Material für die Scheiben 2 kann beispielsweise Quarz, Turmalin, Bari­ umtitanat oder eine PZT-Kerämik (Bleizirkonat-Bleititanatkeramik) sein. Die Elektroden­ schichten sind regelmäßig Metalle, die einen Schmelzpunkt aufweisen, der oberhalb der Sintertemperatur der verwendeten piezoelektrischen Materialien liegt (z. B. Platin, Silber, Kupfer, Silber-Palladiumlegierungen etc.). Die Elektroden können durch bekannte her­ kömmliche Verfahren wie Siebdruck, Sputtern, Aufdampfen etc. auf die Scheiben aus pie­ zoelektrischem Material aufgebracht werden. Die Elektrodenschichten können zusätzliche oxydische Zuschläge zur besseren Haftung auf den Piezokeramikschichten 2 sowie andere Metalle allein oder als weiteren Zusatz enthalten. Der in Fig. 1 dargestellte Stapel 1 wird abschließend durch gemeinsames Sintern, ggf. unter erhöhtem Druck, zu einem festen Verbund vereinigt. Die typische maximale Höhe des Piezostapels 1 beträgt ca. 5 mm.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung den erfindungsgemäßen Hochleistungspiezoaktu­ ator 10. Der Aktuator 10 besteht aus einer Vielzahl von Teilaktuatoren. In Fig. 2 sind der Einfachheit halber lediglich vier solcher Teilaktuatoren dargestellt, die mit den Bezugsziffe­ ren 10a, 10b, 10c und 10d bezeichnet sind. Jeder der einzelne Teilaktuatoren 10a bis 10d kann dabei einen Vielschichtaufbau gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Stand der Technik aufweisen. Selbstverständlich kann jede andere Piezo/Elektroden-Anordnung gleicherma­ ßen verwendet werden. Zwischen den einzelnen Teilaktuatoren 10a bis 10d ist jeweils ein wärmeleitfähiges Material 20a, 20b bzw. 20c angeordnet. Dieses wärmeleitende Material, das der Kühlung der Teilaktuatoren dient, ist vorzugsweise blechförmig ausgebildet und besteht aus Materialien mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. (Bem: Bitte Materialien angeben!)).

Das hoch wärmeleitfähige Kühlblech 20a, 20b, 20c ragt über den Querschnitt der jeweils benachbarten Teilaktuatoren 10a, 10b, 10c, 10d. In Fig. 2 stehen die Kühlbleche 20a, 20b und 20c lediglich in x-Richtung über die Teilaktuatoren 10a bis 10d. Die Kühlbleche können jedoch in gleicher Weise in y-Richtung überstehen oder sowohl in x- als auch in y-Richtung. Die Endbereiche der in Fig. 2 dargestellten Kühlbleche ist gebogen. Dadurch kann bei­ spielsweise eine geeignete Anbindung mit entsprechenden (nicht dargestellten) Wärme­ senken bewirkt werden. Die Kühlbleche können an den Enden aber beliebig geformt sein, um so beispielsweise eine Kühlung durch Konvektionskühlung zu verbessern oder für einen Anschluss an Kühlmittelkreislauf speziell ausgebildet zu sein.

Die Kühlbleche 20a, 20b, 20c werden zwischen den einzelnen Teilaktuatoren 10a bis 10d entweder durch Verkleben oder durch einfaches Einlegen befestigt. Bei letzterem kann auf die Endflächen der jeweils am äußeren Ende des Hochleistungspiezoaktuators angeordne­ ten Teilaktuatoren eine Druckkraft in entgegengesetzter Richtung einwirken, so dass die Kühlbleche durch eine Klemmwirkung ihre Position beibehalten. Die Klemmwirkung ist schematisch in Fig. 2 durch Pfeilrichtungen P₁ und P₂ angedeutet.

Beim Anbringen der Kühlbleche ist darauf zu achten, dass das Kühlblech 20a, 20b bzw. 20c jeweils mit den zu beiden Seiten angeordneten Teilaktuatoren in Kontakt ist, um ein gutes Abführen der durch die Piezoteilaktuatoren erzeugten Wärme zu gewährleisten. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der verwendete Kleber mit Partikeln hoher Leitfähigkeit ergänzt werden oder es wird zusätzlich eine wärmeleitfähige Paste aufgetragen.

Die im Zusammenhang mit der Fig. 2 beschriebene Anordnung weist somit den Vorteil auf, dass auf einfache Weise die von den einzelnen piezoelektrischen Teilaktuatoren erzeugte Wärme effektiv nach außen abgeführt wird. Gleichzeitig wird der Aufbau durch Verwen­ dung der erfindungsgemäß angeordneten Kühlbleche kaum verändert, so dass sowohl eine einfache Herstellung als auch eine einfache Integration in bestehende Systeme möglich ist. Der erfindungsgemäße Hochleistungspiezoaktuator zeichnet sich insbesondere durch seine Anwendbarkeit im dynamischen Hochleistungsbetrieb aus.

Derartige erfindungsgemäße Hochleistungspiezoaktuatoren finden beispielsweise bei der Steuerung von Injektoren in Einspritzsystemen Anwendungen. Daneben kann der Aktuator auch zur Steuerung von Servoklappen an Rotorblättern oder Tragflächen angewendet wer­ den, sowie zur Vibrationskontrolle in Fahrzeugen, Flugzeugen, Hubschraubern und derglei­ chen. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Hochleistungspiezoaktuators ist jedoch nicht auf die genannten Beispiele beschränkt.

Claims (9)

1. Hochleistungspiezoaktuator, umfassend eine Vielzahl von stapelförmigen, piezo­ elektrischen Teilaktuatoren (10a, 10b, 10c. . .), die als Schichtverbund aus piezoelektrischem und leitfähigem Material ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilaktuato­ ren (10a, 10b, 10c. . .) in Stapelrichtung angeordnet und miteinander elektrisch leitend ver­ bunden sind, wobei zwischen den einzelnen Teilaktuatoren (10a, 10b, 10c. . .) jeweils ein wärmeleitfähiges Material (20a, 20b, 20c. . .) vorgesehen ist, das in wärmeleitendem Kontakt mit den jeweils zu beiden Seiten des wärmeleitfähigen Materials (20a, 20b, 20c. . .) ange­ ordneten Teilaktuatoren (10a, 10b, 10c. . .) steht.

2. Hochleistungspiezoaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitfähige Material (20a, 20b, 20c..) blechfömig ist und in Form eines Kühlbleches ausgebildet ist.

3. Hochleistungspiezoaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material (20a, 20b, 20c. . .) über den Querschnitt der einzelnen Teilaktu­ atoren (10a, 10b, 10c. . .) ganz oder zumindest teilweise ragt.

4. Hochleistungspiezoaktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der überstehende Bereich des wärmleitenden Materials (20a, 20b, 20c. . .) mit einer Wärme­ senke verbunden ist.

5. Hochleistungspiezoaktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der überstehende Bereich des wärmeleitenden Materials (20a, 20b, 20c. . .) die von den Teilaktuatoren (10a, 10b, 10c. . .) generierte Wärme an die Umgebungsluft abgibt oder mit einem Kühlkreislauf verbunden ist.

6. Hochleistungspiezoaktuator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das wärmeleitfähige Material (20a, 20b, 20c. . .) aus Kupfer, Kupferberyllium, Aluminium, Beryllium oder dergleichen besteht.

7. Verwendung des Hochleistungspiezoaktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Steuerung eines Injektors in Einspritzsystemen.

8. Verwendung des Hochleistungspiezoaktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Steuerung von Servoklappen in Hubschraubern, Flugzeugen und dergleichen.

9. Verwendung des Hochleistungspiezoaktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Vibrationssteuerung und/oder Vibrationskontrolle in Fahrzeugen, Flugzeugen und ins­ besondere in Hubschraubern.