DE102004005447A1

DE102004005447A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE102004005447A1
Application number: DE102004005447A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schoor
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2005-08-25

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung (4) dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind. Aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesings der Innenelektroden (2, 3) ist eine wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) jeweils nach außen führbar. Die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) erfolgt jeweils über Kontaktelemente (5, 6) in einer inneren Ausnehmung des Piezoaktors (1) senkrecht zum Lagenaufbau zu einem Anschlusselement (7, 8) und die Anschlusselemente (7, 8) liegen in einem mit einem Dichtsitz versehenen separaten Aktorfuß (13) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, wobei die Kontaktelemente (7, 8) jeweils eingebettet in einschmelzbares Material in einer Ausnehmung (10, 11) des Aktorfußes (9) liegen und an der dem Piezoaktor (1) zugewandten Seite (14) dicht anliegend mit den Kontaktelementen (5, 6) kontaktiert sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Es ist beispielsweise aus der DE 199 28 189 A1 bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement zur Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.
Der Aufbau eines solchen Piezoaktors erfolgt beim Stand der Technik in mehreren Schichten als sogenannter Multilayer-Aktor, wobei Innenelektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils in Wirkrichtung zwischen den Schichten angeordnet werden und mittels Kontaktflächen, die außen an der Oberfläche liegen, in un terschiedlichen Anordnungen kontaktiert werden. Wegen möglicher Risse der Piezokeramik im Kontaktierungsbereich werden hier auch überbrückende Leiter eingesetzt, wie zum Beispiel Wellelektroden oder Siebe, Doppelsiebe oder Netze, die gut haften und die Dehnung während des Arbeitshubes des Piezoaktors mitmachen müssen.
Wenn beispielsweise Piezoaktoren, die als Injektoren in Kraftfahrzeug-Einspritzsystemen eingesetzt werden, einen innenliegenden Anschluss benötigen, werden häufig Fußteile aus Stahl mit entsprechender isolierter Leitungsführung verwendet, wobei die Dichtung des Systems besonders schwierig ist. Die Leitungsführung von der Piezoaktoraußenfläche nach innen zur Zentralbohrung benötigt verhältnismäßig viel Bauhöhe und ist bei höheren Drücken weniger geeignet.
Problematisch ist hier insbesondere die Dichtung des gesamten Piezoaktor-Systems, da die Piezoaktormodule in der Regel zwei Dichtungen benötigen, einerseits zur Abdichtung des Piezoaktors gegen das umgebende Medium und andererseits soll das Piezoaktormodul ein Dichtelement gegen den Austritt des Mediums aus einem Aggregat ins Freie darstellen. Daher ist eine äußere Leitungsführung nicht sinnvoll und es sollte eine Leiterführung auf engstem Raum im Aktorfuß integriert werden.
Vorteile der Erfindung
Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, weist einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden auf, die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind. Es ist weiterhin eine aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden nach außen führbar. In vorteilhafter Weise erfolgt erfindungsgemäß die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden jeweils über Kontaktelemente in einer inneren Ausnehmung des Piezoaktors senkrecht zum Lagenaufbau zu einem Anschlusselement und die Anschlusselemente liegen in einem mit einem Dichtsitz versehenen separaten Aktorfuß aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, wobei die Kontaktelemente jeweils eingebettet in einschmelzbares Material in einer Ausnehmung des Aktorfußes liegen und an der dem Piezoaktor zugewandten Seite dicht anliegend mit den Kontaktelementen kontaktiert sind.
Nach der Erfindung wird in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der Aktorfuß als ein Dichtelement aus einem isolierenden, steifen und kraftstofffesten Werkstoff mit integrierten Durchführungen für die Anschlusselemente vorgesehen wird, beispielsweise aus Keramik, bzw. Aluminiumoxyd, Zirkonoxyd etc.. Der Aktorfuß kann darüber hinaus an der äußeren mit den herausstehenden Anschlusselementen versehenen Seite einen abgerundeten oder kegelförmig abgestumpften Dichtsitz, gegebenenfalls mit einem zusätzlichen Absatz, aufweisen.
Wesentlich ist bei der Erfindung, dass eine dicht verschlossene Bohrung für die durchzuleitenden Anschlusselemente geschaffen wird, auf die einerseits mit Druckkontakten ein Verbraucher, hier der Piezoaktor mit seinen innenliegenden Kontaktelementen, aufgesetzt oder über Schmelzkontakten verbunden werden kann, und andererseits auch Drähte angeschlossen werden können.
Als Material für die Einbettung der Anschlusselemente wird vorzugsweise ein leitender Werkstoff verwendet, wie es von der Leiterplattentechnik her als Durchkontaktie rungen bereits bekannt ist. Alternativ können die Anschlusselemente in das Material für die Einbettung eingegossen werden oder nachträglich in das Material für die Einbettung eingebracht werden, wie zum Beispiel durch Stecken, Löten oder Kleben.
Bei einer anderen Ausführungsform ist das Material für die Einbettung der Kontaktelemente eine Glasschmelze und die Anschlusselemente sind bis an die Dichtfläche zwischen dem Aktorfuß und dem Piezoaktor geführt.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Ausnehmungen für die eingebetteten Anschlusselemente korrespondierend mit diesen eine kegelförmige Erweiterung in Richtung der Dichtfläche zum Piezoaktor aufweisen, um an der Dichtfläche auftretende Drücke besser abzuleiten. Auf einfache Weise können hier für die Bearbeitung der Oberfläche zum Aufstellen eines Piezoaktors ebene und geschlossene Flächen hergestellt werden und die Dichtfläche am Aktorfuß zum Piezoaktor ist auch über eine zusätzliche eingebrannte oder eingesinterte Schicht herstellbar.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Piezoaktor mit jeweils einem innenliegenden Kontaktelement für die Innenelektroden und einem dichtenden Aktorfuß mit eingebetteten Anschlusselementen,
2 eine Detailansicht des Aktorfußes mit eingebetteten Anschlusselementen, die eine kegelförmige Erweiterung im Bereich der Anlage an den Piezoaktor aufweisen,
3 eine Detailansicht des Aktorfußes mit eingebetteten Anschlusselementen, der in Abwandlung zur
2 eine Kontakthülse mit nachträglich einbringbaren Anschlusselementen aufweist,
4 eine Detailansicht des Aktorfußes mit einem abgerundeten Dichtsitz,
5 eine Detailansicht des Aktorfußes mit einem kegelförmig abgeschrägten Dichtsitz und
6 eine Detailansicht des Aktorfußes mit einem zusätzlichen Absatz am abgeschrägten Dichtsitz.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein als sogenannter Multilayer aufgebauter Piezoaktor 1 gezeigt, der in an sich aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannter Weise aus Piezofolien eines Quarzmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an hier nur beispielhaft mit Bezugszeichen versehene Innenelektroden 2 und 3 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Wirkrichtung 4 erfolgt.
Die wechselseitige Kontaktierungen der Innenelektroden 2 und 3 erfolgen bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Kontaktelementen, beispielsweise aus Metallfaserknäulen 5 und 6, die so eingebracht sind, dass sie mit den jeweiligen Innenelektroden 2 oder 3 kontaktieren und dabei senkrecht zum Lagenaufbau jeweils zu einem Anschlusselement 7 oder 8 für die äußere Kontaktierung geführt sind.
Die Anschlusselemente 7 und 8 liegen in einem Aktorfuß 9, der hier als ein Dichtelement zu einem nicht dargestellten Aggregat, in das der Piezoaktor 1 mit einem Deckel 18 eingefügt werden soll, wirkt und dazu aus einem isolierenden, steifen und kraftstofffesten Werkstoff, bei spielsweise aus Keramik, bzw. Aluminiumoxyd, Zirkonoxyd etc., mit integrierten Ausnehmungen 10, 11 zur Durchführungen der Anschlusselemente 7, 8 hergestellt ist. Als Material für die Einbettung 12 der Anschlusselemente 7, 8 wird vorzugsweise ein leitender Werkstoff als Durchkontaktierungen verwendet. Alternativ können die Anschlusselemente 7 und 8 in das Material für die Einbettung 12 eingegossen werden oder wie nach 3 nachträglich in das Material für die Einbettung 12 eingebracht werden, wie zum Beispiel durch Stecken, Löten oder Kleben. Hierzu müssen dann in der Einbettung 12 geeignete Löcher für die Anschlusselemente 7 und 8 vorgesehen werden. Aus der 1 ist als Ausnehmung 10 und 11 eine zylindrische Bohrung mit einem eingelegten Draht als Anschlusselemente 7 und 8 zu entnehmen, wobei eine Dichtfläche 14 an der Oberfläche entsprechend nachgearbeitet ist.
Die Ausnehmungen 10,11 für die eingebetteten Anschlusselemente 7 und 8 sind nach den 2 und 3 korrespondierend mit den Anschlusselementen 7 und 8 mit einer kegelförmigen Erweiterung 13 in Richtung der Dichtfläche 14 zum Piezoaktor 1 versehen.
Der Aktorfuß 9 kann darüber hinaus nach 4 an der äußeren mit den herausstehenden Anschlusselementen 7 und 8 versehenen Seite einen abgerundeten Dichtsitz 15 aufweisen. Aus 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel mit einem kegelförmig abgeschrägten Dichtsitz 16 zu entnehmen. Das Ausführungsbeispiel nach 6 zeigt einen ebenfalls abgeschrägten Dichtsitz 16a mit einem zusätzlichen Absatz 17.

Claims

Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen mit in Wirkrichtung dazwischen angeordneten Innenelektroden (2, 3), die alternierend mit einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar sind, und mit – einer aufgrund eines jeweils unterschiedlichen Elektrodendesigns der Innenelektroden (2, 3) wechselseitigen Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3), die jeweils nach außen führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden (2, 3) jeweils über Kontaktelemente (5, 6) in einer inneren Ausnehmung des Piezoaktors (1) senkrecht zum Lagenaufbau zu einem Anschlusselement (7, 8) erfolgt und dass – die Anschlusselemente (7, 8) in einem mit einem Dichtsitz versehenen separaten Aktorfuß (13) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff liegen, wobei die Anschlusselemente (7, 8) jeweils eingebettet in einschmelzbares Material in einer Ausnehmung (10, 11) des Aktorfußes (9) liegen und an der dem Piezoaktor (1) zugewandten Seite (14) dicht anliegend mit den Kontaktelementen (5, 6) kontaktiert sind.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Material für die Einbettung (12) der Anschlusselemente (7, 8) ein leitender Werkstoff ist.
Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Anschlusselemente (7, 8) in das Material für die Einbettung (12) eingegossen sind.
Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Anschlusselemente (7, 8) nachträglich in das Material für die Einbettung (12) eingebracht sind.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Material für die Einbettung (12) der Kontaktelemente (7, 8) eine Glasschmelze ist und die Anschlusselemente (7, 8) bis an die Dichtfläche (14) zwischen dem Aktorfuß (9) und dem Piezoaktor (1) geführt sind.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ausnehmungen (10, 11) für die eingebetteten Anschlusselemente (7, 8) korrespondierend mit diesen eine kegelförmige Erweiterung (13) in Richtung der Dichtfläche (14) zum Piezoaktor (1) aufweisen.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dichtfläche (14) am Aktorfuß (9) zum Piezoaktor (1) über eine zusätzliche eingebrannte oder eingesinterte Schicht herstellbar ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktorfuß (9) an der äußeren mit den herausstehenden Anschlusselementen (7, 8) versehenen Seite einen abgerundeten oder kegelförmig abgestumpften Dichtsitz (15; 16a), gegebenenfalls mit einem zusätzlichen Absatz (17), aufweist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontaktelemente (5, 6) aus einem Geflecht, Gewebe oder beliebigen Knäuel von leitenden Fasern gebildet sind, die jeweils in einer inneren Ausnehmung des Piezoaktors (1) mit den jeweiligen Innenelektroden (2, 3) und nach dem Anfügen des Aktorfußes (9) mit den jeweiligen Anschlusselementen (7, 8) und/oder deren Einbettung (12) kontaktiert sind.