-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit zwischen einem Aktorkopf
und einem Aktorfuß eingespannten Piezoelementen, nach den
gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
-
Ein
solcher Piezoaktor kann beispielsweise in einem Piezoinjektor zur
zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor
eingesetzt werden. Dieser Piezoinjektor besteht im Wesentlichen
aus einem Haltekörper und dem in dem Haltekörper
angeordneten Piezoaktor oder einem Aktormodul mit den Piezoelementen.
-
Es
ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten
Piezoaktors die Piezoelemente so eingesetzt werden können,
dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung
des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden
kann. Piezolagen der Piezoelemente sind aus einem Material mit einer
geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren
elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion der Piezoelemente
erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und
der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug
in eine vorgebbare Richtung darstellt. Derartige Piezoaktoren eignen
sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen
unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen
ablaufen.
-
Beispielsweise
ist ein solcher Piezoaktor als Bestandteil eines Piezoinjektors
in sogenannten Common Rail Einspritzsystemen (CR-Injektor) aus der
DE 10026005 A1 bekannt.
Auch bei diesem Piezoaktor ist ein Stapel mehrerer elektrisch und mechanisch
miteinander gekoppelter Piezoelemente so aufgebaut, dass diese über
einen Aktorfuß und einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen
zwei Anschlägen gehalten ist. Jede Piezolage der Piezoelemente
ist zwischen zwei Innenelektroden eingefasst, über die
von außen eine elektrische Spannung angelegt werden kann.
Aufgrund dieser elektrischen Spannung führen die Piezoelemente
dann jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potenzialgefälles
aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren. Dieser Gesamthub
ist über die Höhe der angelegten Spannung veränderbar
und kann auf ein mechanisches Stellglied übertragen werden.
-
Bei
dem zuvor erwähnten Piezoaktor wird zur Heranführung
der unterschiedlichen Potenziale eine wechselseitige seitliche Kontaktierung
der Innenelektroden über äußere Elektroden
vorgenommen, bei der leitende Flächen auf jeweils einer
Seitenfläche des Piezoaktors angebracht sind, die mit den
jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind.
-
Es
ist herbei auch üblich, dass Piezoaktoren für
sogenannte Common-Rail-Injektoren für Verbrennungsmotoren
in ein sogenanntes Aktormodul eingebaut werden. Dieses Aktormodul
besteht aus dem Piezoaktor selbst mit einem Aktorkopf, der die Aktorkraft
an das zu betätigende Bauteil weitergibt und einem Aktorfuß, über
den sich der Piezoaktor im Injektorkörper abstützt.
Diese Anordnung sitzt in einer Hülse, die mit dem Aktorfuß dicht
verschweißt ist und es ist in der Regel ein bewegliches
Dichtelement vorhanden, welche den Aktorkopf und die Hülse
dicht, aber gegeneinander verschiebbar verbindet.
-
Der
zuvor erwähnte Aktorfuß hat im wesentlichen die
Aufgabe, den Innenraum des Aktormoduls gegen den elektrischen Anschluss
des Injektors abzudichten, was beispielsweise durch einen O-Ring erfolgen
kann, sowie die elektrische Kontaktierung des Piezoaktors überhaupt
zu ermöglichen. Ferner ist der Zwischenraum zwischen dem
Piezoaktor und der Hülse in der Regel mit einer Vergussmasse
gefüllt.
-
Sowohl
der Aktorfuß als auch der Aktorkopf sind dadurch elektrisch
leitend und mit dem Injektorgehäuse verbunden, welches
wiederum elektrisch auf Massepotenzial liegt. Dagegen liegen sowohl
die Minus- als auch die Plus-Elektrode des Piezoaktors in Folge
der Ansteuerung aus der leistungselektronischen Endstufe eines Steuergeräts
jeweils aufspringendem Potenzial. Zwischen der jeweils untersten Innenelektrode
des Piezoaktors und dem Aktorfuß sowie zwischen der jeweils
obersten Innenelektrode des Piezoaktors und dem Aktorkopf bildet
sich hierbei je ein parasitärer Koppelkondensator aus,
dessen Kapazität von der Dielektrizitätskonstante ε der
Keramikschichten des Piezoaktors, der Querschnittsfläche
der jeweiligen Innenelektrode sowie von deren Abstand von der Ober-
bzw. Stirnfläche des Aktorfußes bzw. des Aktorkopfs
abhängt.
-
Die
Kapazitäten der beiden elektrisch parallel geschalteten
Koppelkondensatoren sollten so klein als möglich gehalten
werden, da jedes Mal, wenn das Potenzial einer Rand-Innenelektrode
des Piezoaktors sich ändert, über die parasitären
Kondensatoren ein Ausgleichsstrom mit sehr hochfrequenten Anteilen
fließt, der zu hochfrequenten elektromagnetischen Störungen
führen kann.
-
Beispielsweise
ist aus der
DE
10 2005 008 718 A1 bekannt, dass ein Piezoaktor in einem
Aktormodul so aufgebaut ist, dass der Aktorfuß und/oder der
Aktorkopf aus einem nichtleitenden Material besteht, zum Beispiel
ein Pulververbundmaterial aus gegeneinander isolierten Metallpartikeln,
die durch eine Kunststoff- oder Metalloxidbeimengung verbunden sind.
Hiermit ist dann für sich gesehen erreicht, dass störende
Koppelkapazitäten zwischen dem Piezoaktor und dem auf Masse
liegenden Gehäuse deutlich reduziert werden können,
ohne die Injektorfunktion zu beeinträchtigen.
-
Auch
bei weitergehenden Anwendungen des Piezoaktors, bei denen dieser
ohne ein umhüllendes Aktormodul direkt in den Hochdruck-
oder den Niederdruckbereich des Kraftstoffs eines Piezoinjektors eingebaut
ist, stützt sich der Piezoaktor an einer Stirnfläche
mechanisch gegen das Injektorgehäuse ab und ist an der
anderen Stirnfläche formschlüssig mit der zu betätigenden
Mechanik verbunden, wobei auch hier üblicherweise sowohl
das Injektorgehäuse als auch die Mechanik metallisch leitend
und elektrisch mit Masse verbunden sind.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Piezoaktor aus,
der mit mehreren übereinandergestapelten Piezoelementen
versehen ist, die jeweils aus Piezolagen und diese einschließende Innenelektroden
bestehen, wobei der Piezoaktor mit einem vorgegebenen Abstand zur
jeweils letzten elektrisch kontaktierten Innenelektrode zwischen
einem Aktorfuß und einem Aktorkopf elektrisch isoliert eingespannt
ist. Erfindungsgemäß sind in vorteilhafter Weise
die dem Aktorfuß und/oder dem Aktorkopf gegenüberliegenden
Stirnflächen des Piezoaktors und/oder die jeweils einfassende
Stirnfläche des Aktorfußes und/oder des Aktorkopfs
geometrisch so gestaltet, dass sich diese nur an vorgegebenen Punkten
oder Flächenbereichen also relativ wenig kontaktieren.
-
Mit
der Erfindung ist auf einfache Weise erreicht, dass die in der Beschreibungseinleitung
erwähnte Koppelkapazität zwischen dem Piezoaktor und
einem metallischen Gehäuse durch einfache Materialbearbeitung
deutlich reduziert werden kann, ohne die Funktion beispielsweise
eines Piezoinjektors zu beeinträchtigen und ohne zusätzliche
Bauelemente zu benötigen, die Kosten verursachen können.
Die Ursache der mit der Erfindung zu vermeidenden zu hohen Koppelkapazität
liegt vor allem in dem hohen relativen Dielektrizitätsbeiwert ε
r des Keramikmaterials der Piezolagen. Dieser
liegt üblicherweise im Bereich zwischen 1500 und 3000,
sodass bei den üblichen Abmessungen eines Piezoaktors über
dieses Dielektrikum eine Koppelkapazität in der Größenordnung
von 500 pF entsteht. Die zum Aktorkopf- bzw. zum Aktorfuß entstehende
Koppelkapazität C
k ergibt sich
dann im wesentlichen jeweils zu
mit i = 1, 2 für
den Aktorfuß und/oder den Aktorkopf.
-
Hierbei
bezeichnet Ai die jeweilige Kontaktfläche
zwischen dem Piezoaktor und dem Aktorfuß bzw. dem Aktorkopf
und di den jeweiligen Abstand zwischen der
letzten kontaktierten Innenelektrode des Piezoaktors und der Stirnfläche
des Aktorfußes bzw. des Aktorkopfs. Erfindungsgemäß werden
somit die beiden Koppelkapazitäten Ck1 und
Ck2 durch die erhebliche Reduktion der Kontaktflächen
A1 und A2 ebenfalls
stark reduziert.
-
Im
Detail erfolgt die Reduktion dieser Kontaktflachen A1 und
A2 in vorteilhafter Weise zum Beispiel dadurch,
dass die jeweils dem Piezoaktor gegenüberliegende Stirnfläche
des Aktorfußes und/oder des Aktorkopfs des konkav ausgestaltet
ist.
-
Gemäß einer
anderen ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform ist die
jeweils dem Piezoaktor gegenüberliegende Stirnfläche
des Aktorfußes und/oder des Aktorkopfs derart mit Aussparungen versehen,
dass nur Teile des Piezoaktors auf dem Aktorfuß und/oder
dem Aktorkopf aufliegen. Der Piezoaktor kann dabei einen rechteckigen
Querschnitt aufweisen, sodass beispielsweise die Aussparung kreisförmig
mit einem derartigen Durchmesser gestaltet ist, dass nur die Ecken
des rechteckigen Piezoaktors aufliegen.
-
Eine
bevorzugte Anwendung der Erfindung kann bei einem Piezoinjektor
erfolgen, der ein in einem Aktormodul mit einem Aktorfuß und
einem Aktorfuß und gegebenenfalls in einem weiteren Haltekörper
angeordneten Piezoaktor aufweist und der mit einer Düsennadel,
beispielsweise eines Kraftsftoffeinspritzsystems für einen
Verbrennungsmotor, in Wirkverbindung steht.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Aktormoduls werden anhand
der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
-
1 einen
Schnitt durch ein Aktormodul mit einem Piezoaktor aus einem Mehrschichtaufbau
von Lagen aus Piezokeramik und Innenelektroden in einem Anwendungsaufbau
nach dem Stand der Technik,
-
2 eine
Darstellung des Aktormoduls nach der 1 mit elektrischen
Ersatzschaltbildern,
-
3 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführung
des Aktorkopfes oder des Aktorfußes mit einer konkaven
Gestaltung der dem Piezoaktor gegenüberliegenden Stirnfläche,
-
4 einen
Schnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Ausführung
des Aktorkopfes oder des Aktorfußes mit einer Aussparung
an der dem Piezoaktor gegenüberliegenden Stirnfläche
und
-
5 eine
Draufsicht auf die kreisförmige Aussparung nach der 4 mit
dem rechteckigen Piezoaktor im Querschnitt.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist
ein Aktormodul mit einem Piezoaktor 1 nach dem Stand der
Technik gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezolagen 2 in
der Regel als Folien eines Keramikmaterials mit einer geeigneten
Kristallstruktur aufgebaut ist, sodass unter Ausnutzung des sogenannten
Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen
Spannung an Innenelektroden 3 und 4 über
Kontaktflächen 5 und 6 eine mechanische
Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt. Die äußere
Spannung wird über isolierte Zuleitungen 7 und 8 auf
die Kontaktflächen 5 und 6 geführt.
-
Ferner
ist aus der 1 der in einer Hülse 9 des
Aktormoduls gehaltene Aktorfuß 10 und der Aktorkopf 11 zu
erkennen, die jeweils den Piezoaktor 1 in der Betätigungsrichtung
einfassen. Bei einer Beaufschlagung des Piezoaktors 1 mit
der elektrischen Spannung kann dann eine Kraft oder eine mechanische
Bewegung auf eine hier nicht näher erläuterte mechanische
Anordnung, zum Beispiel eine zu steuernde Düsennadel eines
eingangs erwähnten Piezoinjektors, ausgeübt werden,
wobei das Aktormodul mit den zuvor beschriebenen Bauelementen gemäß der 1 über
einen isolierenden O-Ring 12 dicht in einem Injektorkörper 13 für
den Piezo- bzw. Common-Rail-Injektor gehalten ist.
-
Aus 2 ist
ergänzend zu der Darstellung nach der 1 zu
erkennen, dass der Injektorkörper 13 elektrisch
auf Masse liegt und dass der aus dem Stand der Technik bekannte
Aktorfuß 10 und der Aktorkopf 11 in der
Regel spanend aus elektrisch leitendem Material hergestellt sind.
Dadurch entsteht zwischen den jeweils letzten dem Aktorfuß 10 und
dem Aktorkopf 11 gegenüberliegenden elektrisch
kontaktierten Innenelektroden 3 eine Koppelkapazität
Ck1 (zum Aktorfuß 10)
und Ck2 (zum Aktorkopf 11), über welche
die in der Beschreibungseinleitung erwähnten Ausgleichsströme
mit hochfrequenten Anteilen fließen können.
-
Ein
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Aktorfußes oder Aktorkopfes
20 ist in
3 gezeigt.
Der Aktorfuß
20 und/oder der Aktorkopf
20 sind
hierbei im Unterschied zum Stand der Technik mit einer konkaven
Ausnehmung mit dem Radius R versehen, sodass sich ausgehend von
der eingangs erwähnten Formel
eine Reduktion der Kontaktflächen
und eine Vergrößerung des Abstandes d
i entstanden
ist. Wenn der Piezoaktor
1 am Aktorfuß und/oder
Aktorkopf
20 nur im Bereich der Ecken seiner Grundfläche
aufliegt, ergibt sich beispielsweise bei einer mit einem Radius
R von 60 mm ausgeführt konkaven Stirnfläche bei
einer Kantenlänge D des Piezoaktors
1 von 7 mm
im Scheitelpunkt ein Abstand von 0,1 mrn zwischen dem Piezoaktor
1 und
dem Aktorfuß und/oder dem Aktorkopf
20, wodurch
die Koppelkapazität C
ki erheblich reduziert
wird.
-
Statt
der konkaven Ausführung der Stirnflächen nach
der 3 können die Stirnflächen von
Aktorkopf und/oder Aktorfuß 21 nach 4 auch
weiterhin plan ausgeführt werden. Hier ist der Aktorkopf und/oder
Aktorfuß 21 jedoch mit einer oder mehreren Aussparungen 22 versehen.
-
In
der 4 ist dies am Beispiel einer kreisförmigen
Aussparung 22 dargestellt und in 5 ist eine
Draufsicht auf die Aussparung 22 mit dem Piezoaktor 1 im
Querschnitt gezeigt. Beispielsweise kann mit einer Aussparung 22 im
Durchmesser DA von 8,5 mm und einer Tiefe
von s gleich 0,1 mm sowie einem Piezoaktor 1 mit einer
Kantenlänge D von 7 mm auch hier über weitere
Bereiche, bis auf die aufliegenden Ecken 23 des Piezoaktors 1,
ein Abstand von 0,1 mm zwischen dem Piezoaktor 1 und dem
Aktorfuß und/oder dem Aktorkopf 22 herbeigeführt
werden, wodurch auch hier die Koppelkapazität Cki erheblich reduziert wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10026005
A1 [0004]
- - DE 102005008718 A1 [0010]
