DE102006046018A1

DE102006046018A1 - Piezoelectric multilayer actuator for driving an electromechanical motor

Info

Publication number: DE102006046018A1
Application number: DE102006046018A
Authority: DE
Inventors: Armin Dietz; Bernhard Dr. Gottlieb; Andreas Dr. Kappel; Harald Johannes Kastl; Roland Keller; Andreas Dr. Lenk; Carsten Dr. Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-10
Also published as: WO2008037667A1

Abstract

Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechanischen Motors, bei dem eine angetriebene Welle von einem in Achslängsrichtung betrachtet im Querschnitt innen runden, an die Welle angepassten Ring umgeben ist, zwei Kraftrichtungen auf jeweils zwei benachbarten Außenflächen definiert sind, die durch den Mittelpunkt des Innenringes verlaufen und entlang jeder der Kraftlinien mindestens ein Piezomehrschichtaktor kraftschlüssig an jeweils einer Ringaußenseite ansetzt, wobei der Piezomehrschichtaktor einen lang gestreckten rechteckigen Querschnitt aufweist und jeweils symmetrisch zu einer Kraftrichtung positioniert ist.Piezoelectric multilayer actuator for driving an electromechanical motor, in which a driven shaft is surrounded by a ring which is round in cross-section, adapted to the shaft, as viewed in the axial longitudinal direction, two directions of force are respectively defined on two adjacent outer surfaces which run through the center of the inner ring and along each the force lines at least one Piezomehrschichtaktor frictionally attaches to a respective ring outer side, wherein the Piezomehrschichtaktor has an elongated rectangular cross-section and is each positioned symmetrically to a direction of force.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechanischen Motors.The The invention relates to a piezoelectric multilayer actuator for driving a electromechanical motor.

Ein elektromechanischer Motor setzt elektrische Energie in mechanische bzw. Bewegungsenergie um. Wird in einem elektromechanischen Motor ein piezoelektrischer Aktor eingesetzt, so kann man dies als einen piezoelektrischen Motor bezeichnen. Eine andere Bezeichnung wäre beispielsweise "Piezoelektrischer Aktuatorantrieb/Piezoelectric Actuator Drive/PAD". Ein PAD besteht beispielsweise aus einer Welle mit umgreifendem Ring, welcher von außen mit zwei um 90° gegeneinander angestellten Piezoaktoren in Verschiebebewegungen versetzt wird. In einer anderen Form kann eine Hohlwelle mit innen liegenden mindestens zwei Piezoaktoren, die ebenfalls 90° gegeneinander versetzt sind, angetrieben werden.One Electromechanical motor converts electrical energy into mechanical or kinetic energy. Will be in an electromechanical engine piezoelectric actuator used, so you can do this as a piezoelectric Designate engine. Another name would be, for example, "Piezoelectric Actuator Drive / Piezoelectric Actuator Drive / PAD "For example, a PAD is made a wave with encompassing ring, which from the outside with two at 90 ° to each other employed piezo actuators is displaced in displacement movements. In another form may be a hollow shaft with internal at least two piezoactuators, which are also offset by 90 °, are driven.

Zur Erzeugung der Verschiebebewegungen des Ringes werden entlang zweier um 90° gegeneinander versetzter, durch den Mittelpunkt des Ringes laufender Zentrallinien/Kraftlinien, Hubbewegungen erzeugt. Dies geschieht mittels der jeweiligen Piezoaktoren. Die bekannten und hierfür bisher eingesetzten PADs, die aus der Serienherstellung für Diesel-Einspritzsysteme stammen, weisen auf deren bisherigem Einsatzgebiet, der Injektion von unter Druck stehendem Kraftstoff in Verbrennungskammern, entsprechende Merkmale auf.to Generation of the displacement movements of the ring are along two 90 ° against each other staggered center lines / lines of force passing through the center of the ring, Hubbewegungen generated. This is done by means of the respective piezoelectric actuators. The well-known and for this Previously used PADs from serial production for diesel injection systems come, point to their previous field of application, the injection of pressurized fuel in combustion chambers, corresponding Features on.

Brennstoff-Injektoren sind heutzutage lang gestreckt und zylinderförmig im Querschnitt ausgebildet. Die lang gestreckte Form weist Durchmesser von wenigen Zentimetern auf und ist beispielsweise 10–20 cm lang. Ein Injektor besteht aus der eigentlichen Einspritzdüse und einer in Reihe geschalteten Piezoaktoreinheit. Daraus ist ersichtlich, dass die Form von bisher verwendeten oder bekannten PADs in Längsrichtung im Querschnitt rund, und entlang ihrer Achse lang gestreckt ausgeführt ist. Die Piezoaktoren sind als piezokeramische Multilager/Vielschichtaktoren ausgebildet und bestehen aus alternierend angeordneten Schichten aus Piezokeramik und Innenelektroden-Material. Das Innenelektroden-Material muss den im Verlauf des Herstellungsprozesses der Aktoren, auch bezeichnet als Stack, stattfindenden thermischen Behandlungen wie Entbinderungsprozesse bis ca. 500°C, Sinterung bis ca. 1100°C, standhalten und besteht daher entweder aus teuren Edelmetall-Legierungen wie beispielsweise AgPd, oder aber aus Kupfer, was eine wesentlich aufwändigere und damit kostenintensivere Herstellung nach sich zieht. Die Piezokeramik weist selbst zumindest im Bereich der Einspritzventile wegen des dort geforderten großen Arbeitstemperaturbereiches von –40 bis +150°C eine sehr hohe Curie-Temperatur, 300°C oder mehr, auf. Dies bedeutet für die zur Verfügung stehende nutzbare Dehnung der Piezokeramik eine starke Einschränkung. Die Dicke der aktiven Keramikschichten liegen für kommerziell verfügbare Serienaktoren bei ca. 80–100 μm. Entsprechende Ansteuerspannungen sind im Bereich von 160–230 V möglich. Normalerweise weisen die beschriebenen Aktoren quasi runde Querschnitte auf, was bei vielen Anwendungen, insbesondere bei Kraftstoff-Injektoren den verfügbaren Bauraum unter Berücksichtigung von Kostengesichtspunkten optimal ausnutzt.Fuel injectors are now stretched long and cylindrical in cross-section. The elongated shape has a diameter of a few centimeters on and is for example 10-20 cm long. An injector consists of the actual injector and one in series piezoelectric actuator unit. It can be seen from this that the shape of previously used or known PADs in the longitudinal direction round in cross section, and elongated along its axis. The piezo actuators are as piezoceramic multilayer / multilayer actuators formed and consist of alternately arranged layers made of piezoceramic and internal electrode material. The internal electrode material must be in the course of the manufacturing process of the actuators, too referred to as stack, thermal treatments taking place Debinding processes up to about 500 ° C, Sintering to about 1100 ° C, resist and therefore consists either of expensive precious metal alloys such as AgPd, or copper, which is a significant more elaborate and thus more costly production. The piezoceramic even at least in the area of the injectors because of There required large Working temperature range of -40 up to + 150 ° C a very high Curie temperature, 300 ° C or more. this means for the to disposal standing usable elongation of the piezoceramic is a strong limitation. The Thickness of the active ceramic layers are for commercially available series actuators at about 80-100 microns. Corresponding control voltages are in the range of 160-230 V possible. Normally, the described actuators have quasi round cross sections on what happens in many applications, especially fuel injectors the available Space under consideration optimally exploited from cost point of view.

Insgesamt sind bisher serienmäßig gefertigte Piezoaktoren entlang ihrer Wirkungsachse extrem lang gestreckt ausgeführt, mit einem großen Arbeitstemperaturbereich verbunden, weisen sehr hohe Lade- und Entladungsströme im Spitzenbereich auf und müssen entsprechend mit hoher Qualität gefertigt werden, um eine ausreichende Standzeit zu gewährleisten.All in all are previously produced as standard Piezoactors carried along their axis of action extremely long stretched, with a big one Working temperature range, have very high charging and discharging currents in the peak range on and have to accordingly with high quality be manufactured to ensure a sufficient service life.

Die Entwicklung bei Piezoaktoren zum Antrieb eines piezomechanischen Motors ist mit Ausgestaltungen verbunden gewesen, die anstelle von zwei Aktoren vier oder mehr eingesetzt haben. Ziel war eine allgemeine Leistungssteigerung, wobei nach wie vor lediglich zwei Richtungen, die 90° gegeneinander versetzt sind, mit Hubbewegungen bedient werden.The Development of piezo actuators for driving a piezo-mechanical Motors has been associated with configurations that instead of two Actuators have used four or more. The goal was a general one Performance increase, with only two directions, the 90 ° against each other are offset, operated with lifting movements.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde unter Beibehaltung von Auslenkung und Steifigkeit eines Piezomehrschichtaktors eine auf einen Piezoelektrischen Antrieb angepasste Form eines Piezomehrschichtaktors bereit zu stellen dessen Bauvolumen wesentlich verringert ist und dessen Verlustwärme bei vergleichbaren Verhältnissen wesentlich reduziert ist.Of the Invention is based on the object while maintaining deflection and stiffness of a Piezomehrschichtaktors one on a piezoelectric Drive adapted form a Piezomehrschichtaktors ready to provide whose volume is significantly reduced and its heat loss at comparable conditions is significantly reduced.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Kombination der Merkmale des Anspruches 1.The solution This task is done by combining the features of the Claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.advantageous Embodiments can the dependent claims be removed.

Um den bei einem PAD Motor gegebenen Bauraum optimal auszunutzen wird die grundlegende Querschnittsform des Piezomehrschichtaktors nicht quadratisch oder rund dargestellt sondern in rechteckiger lang gestreckter Form. Gleichzeitig wird entlang einer Kraftrichtung lediglich ein Piezomehrschichtaktor eingesetzt. Dies ergibt eine Bestückung mit insgesamt zwei Piezomehrschichtaktoren.Around optimally exploit the space available for a PAD engine the basic cross-sectional shape of Piezomehrschichtaktors not square or round but in rectangular elongated Shape. At the same time, only one force along a direction of force Piezoelectric multilayer actuator used. This results in a fitting with a total of two Piezomehrschichtaktoren.

Dabei wird das Verhältnis zwischen aktiver Fläche und inaktivem Kontaktierungsbereich wesentlich verbessert.there will the ratio between active area and inactive contacting area significantly improved.

Im Folgenden werden anhand der begleitenden schematischen die Erfindung nicht einschränkenden Figuren im Ausführungsbeispiel beschrieben.In the following, the invention is not restricted by the accompanying schematic kenden figures described in the embodiment.

1 zeigt eine Aufsicht auf einen Piezomehrschichtaktor, 1 shows a plan view of a piezoelectric multilayer actuator,

2 zeigt eine Frontansicht im Schnitt eines Piezomehrschichtaktors mit entsprechend positionierten Elektroden, 2 shows a front view in section of a Piezomehrschichtaktors with appropriately positioned electrodes,

3 zeigt eine Seitenansicht eines Piezomehrschichtaktors mit Kontaktierungsschicht, 3 shows a side view of a Piezomehrschichtaktors with contacting layer,

4 zeigt einen PAD mit pro Kraftrichtung jeweils einem Piezomehrschichtaktor, dessen Grundfläche rechteckig und lang gestreckt ist und der sowohl auf die Kraftlinie entsprechend ausgerichtet, als auch an den Ring des Aktuators angepasst ist, 4 FIG. 2 shows a PAD with one piezoelectric layer actuator per force direction, the base area of which is rectangular and elongated, and which is aligned both on the force line and on the ring of the actuator.

5 zeigt einen PAD mit pro Kraftrichtung jeweils einem Piezomehrschichtaktor, dessen Grundfläche rechteckig und lang gestreckt ist und der sowohl auf die Kraftlinie entsprechend ausgerichtet, als auch an den Ring des Aktuators angepasst ist. 5 shows a PAD with each direction of force Piezomehrschichtaktor whose base is rectangular and elongated and aligned both aligned to the line of force, as well as adapted to the ring of the actuator.

Bei einem beschriebenen neu gestalteten Piezomehrschichtaktor 6 kann durch den geringen notwendigen Arbeitstemperaturbereich des Piezostacks von ca. –40 bis +80°C eine effektivere Piezokeramik mit niedrigerer Curietemperatur eingesetzt werden. Aufgrund der relativ kurzzeitigen Ansteuerungsdauer bei intermittierendem Betrieb des Motors wie z. B. bei einem Autofenster und der damit nur in geringem Maße zu berücksichtigenden Eigenerwärmung durch Verlustwärme des Piezostacks kann die Ansteuerfrequenz höher gewählt werden, was eine gesteigerte Leistungsabgabe des Stacks zu Folge hat.In a described newly designed piezoelectric multilayer actuator 6 Due to the low working temperature range of the piezostack of approx. -40 to + 80 ° C, a more effective piezoceramic with a lower Curie temperature can be used. Due to the relatively short-term driving time in intermittent operation of the engine such. B. in a car window and thus to be considered only to a small extent self-heat loss heat of the piezo stack, the drive frequency can be selected higher, resulting in an increased power output of the stack result.

Mit den bereits beschriebenen Maßnahmen kann das für gleiche Auslenkung und Steifigkeit notwendige Bauvolumen um ca. 25% verringert werden, woraus wiederum Material und Prozesskosten eingespart werden können. Es ergeben sich somit Stack-Abmessungen von beispielsweise 3,5·20 mm² im Querschnitt mit beispielsweise 30 mm Bauhöhe.With the measures already described, the construction volume required for equal deflection and rigidity can be reduced by approximately 25%, which in turn can save material and process costs. This results in stack dimensions of, for example, 3.5 × 20 mm ² in cross section with, for example, 30 mm overall height.

Aufgrund der Maßnahmen an der Bauform ist ein Mehrschichtkondensatordesign der Innenelektroden vorteilhaft. Dies ist verbunden mit einer vollflächigen inaktiven Kontaktierungszone an den Stack-Schmalseiten. Die Prozesstoleranzen hinsichtlich Bedruckungsgenauigkeit der Innenelektroden, dem Trennen im Grünzustand, dem Schleifen des gesinterten Bauteiles sowie der Aufbringung der Außenmetallisierung können damit aufgeweitet werden was insgesamt günstig ist.by virtue of the measures on the design is a multi-layer capacitor design of the internal electrodes advantageous. This is associated with a full-surface inactive contacting zone on the stack narrow sides. The process tolerances with regard to printing accuracy the internal electrodes, the separation in the green state, the grinding of the sintered Components as well as the application of the outer metallization can thus be widened which is favorable overall.

Da die elektrische Ansteuerung des Piezostacks mit einem sinusförmigen Ansteuerimpuls von weniger als 1 kHz erfolgt, beispielsweise bei 300 Hz, treten nur Lade-/Entladeströme im Spitzenbereich von < 5A auf.There the electrical control of the piezo stack with a sinusoidal drive pulse of less than 1 kHz occurs, for example at 300 Hz, only occur Charge / discharge in the peak range of <5A on.

Zur Darstellung der unterschiedlichen Verhältnisse sei auf einen Piezomultilayer-Stack in einem Einspritzsystem verwiesen, der Spitzenströme von ca. 30A aufweisen kann. In Verbindung mit der größeren zur Verfügung stehenden Kontaktierungsfläche kann die Außenkontaktierung des Piezostacks daher wesentlich einfacher gehalten werden. Somit können Kettenbonds, Leitkleber, und planare Strukturen verwendet werden. Die Außenkontaktierung ist einfacher gegen die aktiven Seitenflächen des Stacks zu passivieren, da es insgesamt keinerlei bauraumbedingte Notwendigkeit für beispielsweise entlang der aktiven Seitenflächen des Stacks liegende Kontaktgins auf den aktiven Seiten gibt. Aufgrund der geringen Spitzenströme kann die Innenelektrode eine geringere Leitfähigkeit aufweisen, was ermöglicht, dass das Innenelektrodenmaterial mit Keramikpartikeln verdünnt werden kann. Das Volumen würde sich dabei um beispielsweise 20% verringern. Die Innenelektrode könnte andererseits eine geringere Schichtdicke aufweisen.to Representation of the different conditions is on a piezomultilayer stack in an injection system, the peak currents of approx. 30A. In conjunction with the larger available contacting surface can the external contact The piezo stack therefore be kept much easier. Thus, chain bonds, Conductive adhesive, and planar structures are used. The external contact is easier to passivate against the active side surfaces of the stack, because there is no overall space-related need for example along the active side surfaces of the stack lying contact gins on the active pages. Due to the low peak currents the inner electrode can have a lower conductivity, which makes it possible to the inner electrode material is diluted with ceramic particles can. The volume would be up reduce by, for example, 20%. The inner electrode could otherwise have a lower layer thickness.

Die Einzelschichtdicke wird vergrößert, beispielsweise auf 160 μm, um die Anzahl an Innenelektroden pro Bauhöhe zu reduzieren. Beispielsweise werden unterschiedliche Prozesse vereinfacht, wie der im Bedruckungsprozess für die Innenelektrode oder die Anzahl benötigter Grünfolien. Die Ansteuerspannung steigt zwar gleichzeitig um den gleichen Betrag auf ca. 460 Volt, man verbleibt jedoch im Spannungsbereich für relativ kostengünstige Elektronikbauelemente. Anders ausgedrückt lässt sich eine höhere Ansteuerungsspannung mit den anderen Betriebsparametern hinnehmen. Die niedrigere Arbeitstempera tur ermöglicht den Einsatz einfacherer Passivierungsmaterialien anstelle von Silikon-Elastomeren.The Single layer thickness is increased, for example to 160 μm, to reduce the number of internal electrodes per construction height. For example simplifies different processes, such as those in the printing process for the Internal electrode or the number of required green sheets. The drive voltage increases at the same time by the same amount to about 460 volts, However, one remains in the voltage range for relatively inexpensive electronic components. In other words let yourself a higher one Control voltage with the other operating parameters accept. The lower working temperature allows the use of simpler Passivation materials instead of silicone elastomers.

Die im Vergleich zur dominierenden Anwendung im Bereich der Kraftstoffeinspritzsysteme deutlich unterschiedlichen Umgebungsbedingungen sowie Performance- und Zuverlässigkeitsanforderungen an den Piezostack sind eingehend analysiert worden. Aufbauend darauf wurde ein neuer Stack entwickelt, der sich durch entscheidende Einsparungen hinsichtlich Material- und Prozessaufwand auszeichnet, was den Weg freimacht für eine Serienherstellung des Piezomehrschichtaktors 6 für den Einsatz an einem piezoelektrischen Motor.The significantly different environmental conditions and the performance and reliability requirements of the piezo stack compared to the dominant application in the area of fuel injection systems have been analyzed in detail. Based on this, a new stack was developed, which is characterized by significant savings in terms of material and process costs, which paves the way for mass production of the piezo multi-layer actuator 6 for use on a piezoelectric motor.

Mit den beschriebenen lang gestreckten Piezoaktoren 6 lassen sich Aktoren mit erhöhter Hubkraft herstellen, die auch eine verbesserte Sicherheit gegen Ausknicken aufweisen.With the described elongated piezoelectric actuators 6 can be produced actuators with increased lifting force, which also have improved security against buckling.

In 1 ist eine Aufsicht auf einen Piezomehrschichtaktor 6 dargestellt, wobei jeweils ein inaktiver Kontaktierungsbereich 1, eine Außenmetallisierung/-kontaktierung 2, ein aktiver Stackbereich 5 bezeichnet sind.In 1 is a plan view of a piezoelectric multilayer actuator 6 shown, each one in active contact area 1 , an outer metallization / -kontaktierung 2 , an active stack area 5 are designated.

2 zeigt eine Frontansicht mit einem Schnitt eines Piezomehrschichtaktors 6 mit entsprechend positionierten Elektroden, wobei inaktive Kontaktierungsbereiche 1, Innenelektroden 3 und Außenmetallisierung/-kontaktierung 2 am aktiven Piezomehrschichtaktor 6 bezeichnet sind. 2 shows a front view with a section of a Piezomehrschichtaktors 6 with appropriately positioned electrodes, wherein inactive contacting areas 1 , Internal electrodes 3 and outer metallization / bonding 2 on the active piezoelectric multilayer actuator 6 are designated.

3 zeigt eine Seitenansicht eines Piezomehrschichtaktors 6, die zur Ansicht nach 2 um 90° gedreht ist und somit die Außenmetallisierung/-kontaktierung 2, zur Front hat. 3 shows a side view of a Piezomehrschichtaktors 6 to the point of view 2 rotated by 90 ° and thus the outer metallization / -kontaktierung 2 , to the front has.

In 4 stellt einen PAD mit pro Kraftrichtung jeweils einem Piezomehrschichtaktor 6 dar, dessen Grundfläche rechteckig und lang gestreckt ist, hier in Seitenansicht zu sehen, der sowohl auf die Kraftlinie entsprechend ausgerichtet als auch an den Ring des Aktuators angepasst ist. Der Antriebskörper 8 des PAD ist außen quadratisch ausgebildet. Die inne re Öffnung zur Aufnahme der Welle 9 passt mit der Bohrung im Antriebskörper 8 zusammen.In 4 provides a PAD with each force direction each Piezomehrschichtaktor 6 is, whose base is rectangular and elongated, seen here in side view, which is aligned both in accordance with the line of force and adapted to the ring of the actuator. The drive body 8th of the PAD is square on the outside. The inner re opening for receiving the shaft 9 fits with the hole in the drive body 8th together.

Claims

Piezoelectric multilayer actuator for driving an electromechanical motor, in which a shaft ( 9 ) by a drive body surrounding them in a ring-like manner on a passage ( 8th ), which is transverse axial displaceable, can be driven by at least two piezomehrschichtaktoren offset by about 90 ° to each other ( 6 ) with corresponding directions of force ( 12 ) whose lines of action through the center of the passage of the drive body ( 8th ), frictionally attach to corresponding outer ring sides, wherein piezomehrschichtaktoren have an elongated rectangular cross section and are each positioned symmetrically to a direction of force.

Piezoelectric multilayer actuator for driving an electromechanical motor, in which an outer hollow shaft ( 11 ) by an internal hollow shaft ( 10 ), which is transverse axial displaceable, can be driven by at least two piezomehrschichtaktoren offset by about 90 ° to each other ( 6 ) with corresponding directions of force ( 12 ), whose lines of action extend through the center of the inner hollow shaft, frictionally at corresponding positions of the inner ring side ( 13 ), wherein piezomehrschichtaktoren have an elongated rectangular cross section and are each positioned symmetrically to a direction of force.

Piezoelectric multilayer actuator according to claim 1 or 2, at at the Aktorschmalseiten least to an inactive contacting zone is available.

Piezoelectric multilayer actuator according to claim 1, 2 or 3, in which the internal electrodes have a layer thickness of about 160 μm.

Piezoelectric multilayer actuator according to one of claims 1 to 4, in which material from internal electrodes with ceramic particles added is.

Piezoelectric multilayer actuator according to one of claims 1 to 5, in which for optimization with the working temperature range of Piezoelectric multilayer actuator of approx. -40 up to + 80 ° C a piezoceramic with correspondingly low Curie temperature available is.

Piezoelectric multilayer actuator according to one of claims 1 to 6, in which the external contact of Piezomehrschichtaktors in the form of chain bonds, by conductive adhesive or planar structures is shown.