DE102005008363B4 - Antriebseinheit mit einem eingebauten piezoelektrischen Stapelaktor mit verbesserter Wärmeableitung - Google Patents

Abstract

Antriebseinheit mit einem eingebauten piezoelektrischen Stapelaktor (10) mit einer Vielzahl von über einander geschichteten Piezo-Keramikscheiben (7), mit elektrisch leitenden Innenelektroden (3) wobei die Innenelektroden (3) mit Außenelektroden (5) verbunden sind, über die eine Steuerspannung für den Stapelaktor (10) zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (6) des Stapelaktors (10) zur Verbesserung der Wärmeableitung wenigstens teilweise mit einer unebenen, vergrößerten Oberfläche ausgebildet sind, wobei die Oberfläche der Seitenflächen (6) des eingebauten Stapelaktors (10) die bei einem Sinterprozess aufwachsenden Keramikkörner (12) aufweist,
wobei auf dem piezokeramische Stapelaktor (10) vor oder nach dem Sinterprozess eine gut wärmeleitenden Beschichtung (8) aufgebracht ist und
wobei die gut wärmeleitende Beschichtung (8) einen Aluminiumoxid-Schlicker aufweist, der durch einen Sinterprozess aufgebracht wird.

Description

• Die Erfindung betrifft entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs einen piezoelektrischen Stapelaktor (Aktorstack), der aus einer Vielzahl von über einander geschichteten Piezo-Keramikscheiben zusammengesetzt ist. Zwischen jeweils zwei Piezo-Keramikscheiben ist eine Innenelektrode angeordnet, über die die Piezo-Keramikscheiben mit einer elektrischen Spannung unter Ausnutzung des Piezo-Effektes mechanisch steuerbar sind und dabei eine reversierbare Höhenänderung erzeugen. Die Spannungszufuhr erfolgt über zwei Außenelektroden, an die die Innenelektroden wechselweise angeschlossen sind. Auf diese Weise kann durch Anlegen von Gleichspannungsimpulsen an die beiden Außenelektroden die Länge des Stapelaktors gesteuert werden, um beispielsweise das Öffnen und Schließen eines Kraftstoffinjektors eines Einspritzsystems für eine Brennkraftmaschine zu steuern.
• Es ist bekannt, dass sich insbesondere bei höherfrequenter elektrischer Ansteuerung im Großsignalbereich der piezoelektrische Stapelaktor auf Grund von intrinsischen Verlustmechanismen in seinem Inneren deutlich erwärmt. Hinzu kommt, dass durch die Erwärmung des Stapelaktors die ohnehin sehr geringe nutzbare Längenänderung weiter verringert wird, da Depolarisationseffekte zunehmen und die Piezoeffektivität bei Annäherung an die Curietemperatur abnimmt. Des weiteren bilden sich höhere thermische Gradienten aus, durch die sich die Kennwerte der Piezo-Keramik, der thermische Ausdehnungskoeffizient und andere relevanten Parameter verschlechtern. Die Verwendung eines piezoelektrischen Stapelaktors ist daher auf spezifische Applikationen begrenzt.
• Bisher wurde versucht, die oben genannten Probleme durch Verwendung von Umhüllungs- und Passivierungsmaterialien zu lö sen. Dabei wurden Materialien mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit verwendet, insbesondere hochgefüllte Silikon-Elastomere.
• Des Weiteren ist bekannt, durch Verwendung von flüssigen Kühlmedien wie Kraftstoff oder flüssiges Silikonöl die Verlustwärme des piezoelektrischen Stapelaktors nach außen abzuführen. Diese Lösungen sind jedoch sehr aufwändig und lassen neue Probleme, insbesondere der Abdichtung, der elektrischen Isolierung usw. entstehen.
• Aus DE 196 48 545 A1 ist ein monolithischer Vielschichtaktor mit einer Außenelektrode bekannt. Die Außenelektrode kann in Form eines Metallschaums ausgebildet sein und als Kühlkörper wirken.
• Aus DE 196 13 158 ist ein piezoelektrischer Antrieb bekannt, der in Form von mehreren Doppelstapelantrieben ausgeführt sein kann, wobei bei gleichem Leistungsumsatz eine verbesserte Kühlung durch die Vergrößerung der Gesamtstapeloberfläche erreicht wird.
• Aus DE 101 54 635 A1 ist ein gattungsgemäßer monolithischer Vielschichtaktor bekannt, an dessen Seitenfläche zumindest teilweise eine unbearbeitete Sinterhaut beibehalten wird, um Isolationseigenschaften zu verbessern.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ableitung der beim Betrieb eines piezoelektrischen Stapelaktors entstehenden Verlustwärme an die äußere Umgebung zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
• Als erfindungsgemäße Lösung wird angesehen, dass nach dem Sinterprozess die Seitenwände des Stapelaktors nicht geschliffen werden. Vielmehr wird die Rauhigkeit der Keramikkörper beibehalten, die sich beim Sinterprozess auf der Oberfläche des Stapelaktors ausbildet. Durch diese einfache Maßnahme kann die Oberfläche erhöht und damit der Wärmeübergangskoeffizient reduziert werden.
• Bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Stapelaktor wird vorgeschlagen, die Wärmeableitung an die Umgebung dadurch zu verbessern, dass die Oberfläche der Seitenflächen des Stapel aktors vergrößert ist, indem die Oberfläche nicht plan, sondern uneben ausgebildet ist. Die Vergrößerung der Oberfläche lässt sich in vorteilhafter Weise mit sehr einfachen Maßnahmen durchführen, ohne dass aufwändige zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich sind. Als vorteilhaft wird auch angesehen, dass durch die Vergrößerung der Oberfläche der Seitenwände des Stapelaktors die Wärmeenergie praktisch gleichmäßig verteilt abgegeben werden kann, so dass einseitig auftretende mechanische Spannungen weitgehend vermieden werden können. Des weiteren wird der Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Stapelaktor und dem umgebenden Kühlmedium verbessert. Vorteilhaft ist auch, dass praktisch kein zusätzlicher Raumbedarf benötigt wird. Insgesamt gesehen kann somit die Kühlwirkung ohne Eingriff in die mechanische Umgebung des piezoelektrischen Stapelaktors deutlich verbessert werden.
• Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Antriebseinheit gegeben.
• Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Oberfläche besteht darin, in die Seitenflächen vertikal angeordnete Längsrillen einzubringen. Die Längsrillen werden dabei vorzugsweise in die inaktiven Flächen der Keramikschichten nur soweit eingebracht, dass sie die homogene Ansteuerung des Stapelaktors durch die vielen Innenelektroden nicht beeinträchtigen können.
• Des weiteren ist zur Vergrößerung der Oberfläche vorgesehen, auf den Seitenflächen Querrillen einzubringen. Die Querrillen können vorzugsweise in dem Bereich der Keramikschichten angeordnet werden, der durch zwei benachbarte Innenelektroden begrenzt wird. Dadurch werden die Innenelektroden nicht beschädigt oder in ihrer Funktion beeinträchtigt.
• Eine besonders einfache Methode zum Einbringen der Längs- oder Querrillen auf den Seitenflächen kann beispielsweise durch einfaches Schleifen erfolgen. Dabei können die Rillen durch Profilschleifen beispielsweise rund oder profiliert so ausgebildet werden, dass eine möglichst große zusätzliche Oberfläche entsteht. Des weiteren können die Rillen durch chemisches Ätzen, beispielsweise durch Nassätzen oder Plasmaätzen nachgearbeitet werden.
• Zur weiteren Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und auch zum Schutz gegen elektrische Überschläge ist vorgesehen, auf die Oberfläche eine gut wärmeleitende Beschichtung aufzutragen. Diese Beschichtung wird vorzugsweise im Grünzustand vor dem Sinterprozess aufgebracht und anschließend zusammen mit den Piezo-Keramikscheiben gesintert. Alternativ kann die Beschichtung auch nach dem Sinterprozess aufgebracht und anschließend gesintert werden. Durch die Beschichtung wird ein besserer elektrischer Schutz für den Stapelaktor erreicht, de die aktiven Piezo-Keramikscheiben mit den Innenelektroden üblicherweise bis zu den Seitenflächen des Stapelaktors ausgebildet sind und sich hier die Überschläge ausbilden können.
• Als gut wärmeleitende Beschichtung wird ein Aluminiumoxid-Schlicker vorgeschlagen, der einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie die Piezo-Keramikscheiben.
• Zur weiteren Verbesserung der Wärmableitung ist vorgesehen, die Beschichtung mit einer vorgegebenen Porosität auszubilden. Durch die Porosität wird der Wärmeübergangskoeffizient deutlich verbessert, so dass die Wärme des Stapelaktors noch besser abgeführt werden kann.
• Der piezoelektrische Stapelaktor wird vorzugsweise als Antriebseinheit in einem Kraftstoffinjektor eingebaut. Der Stapelaktor lässt sich sehr schnell schalten, so dass trotz seines geringen Hubes in vorteilhafter Weise nicht nur große Einspritzmengen, sondern insbesondere auch sehr kleine Einspritzmengen bemessen werden können.
• Mehrere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Schnittbild eines bekannten piezoelektrischen Stapelaktors,
• 2 zeigt ausschnittsweise eine ebene, geschliffene Oberfläche des bekannten Stapelaktors gemäß 1,
• 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer vergrößerten Oberfläche,
• 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem auf der Oberfläche Querrillen aufgebracht sind,
• 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem auf der Oberfläche Längsrillen aufgebracht sind und
• 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst an Hand von 1 der Aufbau eines bekannten piezoelektrischen Stapelaktor 10 näher erläutert, der beispielsweise als Aktoreinheit in einen Kraftstoffinjektor für die Diesel- oder Benzineinspritzung eingebaut werden kann.
• Der Stapelaktor 10 besteht aus mehreren hundert Piezo-Keramikscheiben 7 mit einer Dicke von z.B. 80 μm, die übereinander liegend zu einer Säule aufgeschichtet sind. Zwischen jeweils zwei Piezo-Keramikscheiben 7 ist eine Elektrode (Innenelektrode 3) angeordnet, die wechselweise nach Außen geführt sind und später nach einem Sinterprozess mit zwei außen angeordneten, vertikal verlaufenden Außenelektroden 5 verbunden werden. In 1 wurde aus Übersichtlichkeitsgründen nur eine Außenelektrode 5 dargestellt. Zwei Kopfteile 1 sind am oberen beziehungsweise unteren Ende des Stapelaktors 10 angeordnet. An ihnen kann die bei Ansteuerung auftretende re lative Längenänderung des so gefertigten Aktorstacks 10 abgegriffen werden.
• Zum Schutz und zur einfacheren Handhabung wird der Stapelaktors 10 in einem Gehäuse angeordnet, mit einem Silikon vergossen und mit einer Rohrfeder ummantelt und vorgespannt. Diese Teile wurden aus Übersichtlichkeitsgründen in 1 nicht näher dargestellt.
• Über die beiden Außenelektroden 5 kann zur Steuerung der Längenänderung des Stapelaktors 10 eine gepulste Gleichspannung angelegt werden.
• Die Querschnittsfläche des piezoelektrischen Stapelaktor 10 ist in der Regel quadratisch ausgebildet. Dadurch entstehen vier Seitenflächen 6, die nach dem Sinterprozess geschliffen werden. Zu Schutz u.a. gegen elektrische Überschläge werden die geschliffenen Seitenflächen 6 mit einer Isolierschicht 2 abgedeckt. Da die einzelnen Piezo-Keramikscheiben 7 nur etwa 80 μm dick sind und der Stapelaktors 10 an den Außenelektroden mit ca. 160V angesteuert wird, bildet sich zwischen jeweils zwei benachbarten Innenelektroden 3 eine sehr hohe Feldstärke aus, die insbesondere durch Feuchteeinfluß und andere Effekte an den Seitenflächen 6 leicht zu Überschlägen führen und damit den Stapelaktor 10 schädigen kann. Dieses soll durch die Isolierschicht 2 verhindert werden.
• 2 zeigt ausschnittweise den zu 1 beschriebenen piezoelektrischen Stapelaktors 10 im Zustand nach dem Sinterprozess. Hier wurden die in der Regel vier Seitenflächen 6 geschliffen, um eine möglichst ebene Oberfläche zu erzeugen. Auf die geschliffenen Seitenflächen 6 werden dann die beiden Außenelektroden, beispielsweise als Silber-Metallisierungsbahnen und die Isolierschicht aufgebracht und dabei wechselweise mit den Innenelektroden verbunden. Die beiden Außenelektroden sind vorzugsweise symmetrisch an zwei gegenüber liegenden Seitenflächen 6 des piezoelektrischen Stapelaktor 10 angeordnet.
• 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der prinzipielle Aufbau des piezoelektrischen Stapelaktor 10 ist der gleiche, wie er zuvor zu den 1 und 2 näher erläutert wurde. Erfindungsgemäß wird jedoch vorgeschlagen, die Seitenflächen 6 des piezoelektrischen Stapelaktors 10 – im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik – nach dem Sinterprozess nicht zu schleifen. Durch den Sinterprozess wachsen auf den Seitenflächen 6 des piezoelektrischen Stapelaktors 10 die auf der Oberfläche befindlichen einzelnen Keramikkörner 12 als quasi halbkugelförmiges, erhabenes Gebilde frei auf. Die Oberfläche dieses Stapelaktors 10 im so genannten as-fired-Zustand ist etwa doppelt so groß als bei einer geschliffenen, ebenen Oberfläche nach dem bekannten Stand der Technik. Auf einen zeitaufwändigen Schleifprozess kann in vorteilhafter Weise verzichtet werden. Die im Innern des Stapelaktors 10 gebildete Verlustwärme kann – ohne weitere Maßnahmen treffen zu müssen – schneller und besser an die Umgebung abgeführt werden, da der Wärmeübergangswiderstand deutlich verringert wurde.
• 4 zeigt in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. 4 zeigt ähnlich wie zuvor beschrieben einen piezoelektrischen Stapelaktor 10 mit seinen Piezo-Keramikscheiben 7, zwischen denen die Innenelektroden 3 angeordnet sind. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 3 wurden hier jedoch in die Seitenflächen 6 Querrillen 13 eingebracht. Die Querrillen 13 können profiliert sein und beispielsweise einen rechteckigen, dreieckigen oder halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. Die Querrillen 13 werden zum Beispiel durch Schleifen oder dergleichen eingebracht und sind vorzugsweise parallel zu den Innenelektro den 3 geführt. Die Oberfläche kann durch Sandstrahlen, chemisches Ätzen oder Plasmaätzen u.a. nachgearbeitet werden, um den elektrischen Isolierwiderstand zu erhöhen. Insgesamt vergrößert sich auch durch die vorgeschlagenen Querrillen 13 die Oberfläche der Seitenflächen 6. Dadurch tritt eine ähnliche Verbesserung der Wärmeableitung auf, wie sie zuvor zu 2 beschrieben wurde.
• 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung. Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich ausgebildet, wie es zuvor zu 4 näher erläutert wurde. Allerdings sind bei dieser Ausführungsform an Stelle der Querrillen in die Seitenflächen 6 Längsrillen 14 eingebracht worden. Die Längsrillen 14 sind vorzugsweise parallel zur Längsachse des piezoelektrischen Stapelaktor 10 ausgebildet und können in beliebiger Anzahl angeordnet werden, soweit es die Platzverhältnisse erlauben.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 6 dargestellt. Auf die Oberflächen der Seitenflächen 6 des piezoelektrischen Stapelaktors 10 wird eine gut wärmeleitende Beschichtung 8 aufgebracht. Die Beschichtung 8 ist nach außen hin mit einer großen spezifischen Oberfläche ausgebildet. Als Beschichtung 8 kann ein Aluminiumoxid-Schlicker aufgecoatet werden, der anschließend gesintert wird. Die Beschichtung 8 kann im Grünzustand des piezoelektrischen Stapelaktor 10 oder nach dem ersten Sinterprozess aufgebracht werden. Der Aluminiumoxid-Schlicker bildet gleichzeitig eine gute elektrische Passivierung für die Piezo-Keramikscheiben, die normalerweise bis zu den Seitenflächen 6 als aktive Keramikscheiben ausgebildet sind.
• Alternativ ist vorgesehen, in die Beschichtung 8 eine gezielte Porosität einzubringen, um die wirksame Oberfläche und da mit den Gradienten für den Wärmeübergangskoeffizienten deutlich zu verbessern.
• Als weitere alternative Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, als Beschichtung 8 nanostrukturierte Schichten oder Schichten aus Nanokomponenten zu verwenden.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, auch mehrere der vorgeschlagenen Maßnahmen miteinander zu kombinieren, um einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand zu erzielen.

Claims (8)

1. Antriebseinheit mit einem eingebauten piezoelektrischen Stapelaktor (10) mit einer Vielzahl von über einander geschichteten Piezo-Keramikscheiben (7), mit elektrisch leitenden Innenelektroden (3) wobei die Innenelektroden (3) mit Außenelektroden (5) verbunden sind, über die eine Steuerspannung für den Stapelaktor (10) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (6) des Stapelaktors (10) zur Verbesserung der Wärmeableitung wenigstens teilweise mit einer unebenen, vergrößerten Oberfläche ausgebildet sind, wobei die Oberfläche der Seitenflächen (6) des eingebauten Stapelaktors (10) die bei einem Sinterprozess aufwachsenden Keramikkörner (12) aufweist, wobei auf dem piezokeramische Stapelaktor (10) vor oder nach dem Sinterprozess eine gut wärmeleitenden Beschichtung (8) aufgebracht ist und wobei die gut wärmeleitende Beschichtung (8) einen Aluminiumoxid-Schlicker aufweist, der durch einen Sinterprozess aufgebracht wird.
2. Antriebsainheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Seitenflächen (6) vertikal angeordnete Längsrillen (14) aufgebracht sind.
3. Antriebsainheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Seitenflächen (6) waagerecht angeordnete Querrillen (13) aufgebracht sind.
4. Antriebsainheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querrille (13) zwischen zwei benachbarten Innenelektroden (3) angeordnet ist.
5. Antriebsainheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längs- und/oder Querrillen (14, 13) durch Schleifen, insbesondere durch Profilschlei fen und/oder zur Nachbearbeitung durch Sandstrahlen, chemisches Ätzen oder Plasmaätzen aufgebracht werden.
6. Antriebsainheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8) mit einer vorgegebenen Porosität ausgebildet ist.
7. Antriebsainheit nach Aspruch 1 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8) nanostrukturierte Schichten oder Nanokomponenten aufweist.
8. Verwendung einer Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen Kraftstoffinjektor.