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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft allgemein piezoelektrische Aktoren
bzw. Piezoaktoren und piezoelektrisch betätigte Einrichtungen.
Insbesondere ist die vorliegende Offenbarung darauf gerichtet, Veränderungen
oder Schwankungen eines piezoelektrischen Aktors während
des Betriebs mit Hilfe eines sich bei Wärme ausdehnenden
Vorspannsteuerelements zu verringern oder sogar zu unterbinden.
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Hintergrund
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Piezoelektrische
Aktoren bzw. Piezoaktoren werden immer öfters bei verschiedensten
Anwendungen eingesetzt, insbesondere in Kraftstoffinjektoren. In
einer bekannten Ausführungsform wird ein piezoelektrischer
Aktor eingesetzt, um die Stellung eines Steuerventils zu steuern,
das zur Steuerung des Einspritzens von Kraftstoff unter Verwendung
eines Kraftstoffinjektors dient. Piezoelektrische Aktoren haben
bewiesen, dass sie gegenüber herkömmlichen Aktoren
wie z. B. Magnetaktoren einige Vorteile aufweisen. Insbesondere
können piezoelektrische Aktoren unter den herkömmlichen,
anspruchsvollen Bedingungen, die im Betrieb von Kraftstoffinjektoren auftreten,
relativ präzise sein und wiederholbare Betätigungsvorgänge
ausführen. Die oftmals überragenden Leistungen
von piezoelektrischen Aktoren haben dazu geführt, dass
sie in bestimmten Kraftstoffsystemen herkömmliche Aktoren
ersetzen.
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Trotz
der sich durch piezoelektrische Aktoren ergebenden Vorteile haben
sich besondere Herausforderungen bei der Implementierung von piezoelektrischen
Aktoren in kommerziell brauchbaren Kraftstoffeinspritzsystemen ergeben.
Beispielsweise kann es notwendig sein, eine Vorspannkraft auf die
in piezoelektrischen Aktoren eingesetzten Piezoelemente auszuüben,
damit die Aktoren einwandfrei funktionieren können. Mit
anderen Worten: Piezoelemente werden typischerweise innerhalb einer
Aktorbaugruppe bzw. Aktoreinheit oder dergleichen zusammengedrückt
gehalten und dehnen sich gegen die Zusammendrückkraft aus,
wenn ein elektrisches Potential an das Piezoelement angelegt wird.
Ingenieure bemühen sich, effektive Einrichtungen zur Ausübung
und Beibehaltung einer einwandfreien Vorspannung auf Piezoelemente
zu entwickeln. Piezoelektrische Aktoren neigen während
des Betriebs auch dazu, thermisch induzierten Abmessungsänderungen zu
unterliegen.
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Viele
beim Bau von piezoelektrischen Aktoren verwendete Materialien neigen
dazu, sich auszudehnen, wenn deren Temperatur ansteigt. Deswegen kann
sich eine über eine Feder etc. auf ein Piezoelement ausgeübte
Vorspannkraft ändern, wenn sich die Temperatur des piezoelektrischen
Aktors ändert. In vielen Fällen ist es wünschenswert,
die auf ein Piezoelement wirkende Vorspannung relativ präzise
einzustellen, um einen konstanten Betrieb zu gewährleisten.
Da Betriebsschwankungen eines Aktors die Fähigkeit eines
Kraftstoffinjektors, einwandfrei zu funktionieren, beeinflussen
können, wie möglicherweise, dass es zu potentiellen
Unterbrechungen oder Störungen bei den technisch sehr ausgefeilten
Einspritzvorgängen kommt, können Schwankungen
der Vorspannung, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen
werden können, die Gesamtmotorleistung beeinträchtigen.
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Das
für Augustine et al. erteilte
US-Patent Nr. 6,983,895 (nachfolgend „Augustine” genannt)
offenbart einen piezoelektrischen Aktor mit einer Kompensationseinrichtung.
Im Einzelnen wird in dem piezoelektrischen Aktor von Augustine eine
Kompensationseinrichtung eingesetzt, die sich ausdehnt, um eine
parallele Ausdehnung eines Aktorgehäuses auszugleichen.
Augustine erkennt zwar die Wichtigkeit, Einwirkungen von wärmebedingten Ausdehnungen
auf den Aktor zu minimieren und mag in bestimmten Anwendungen nützlich
sein, aber in anderen Fällen, insbesondere bei bestimmten
Temperaturbereichen oder wenn bestimmte Materialien für den
Aktor verwendet werden, ist die Lösung von Augustine möglicherweise
nicht erfolgreich.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem
Aspekt beinhaltet ein piezoelektrischer Aktor ein Gehäuse
und ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes Piezoelement,
das einen Betriebstemperaturbereich aufweist. Das Piezoelement beinhaltet
ein sich bei Wärme zusammenziehendes Material mit einem
negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten über einen
zweiten Temperaturbereich, der sich mit dem Betriebstemperaturbereich überlappt.
Der piezoelektrische Aktor beinhaltet ferner eine Vorspanneinrichtung,
die eine Vorspannkraft auf das Piezoelement ausübt, und
ein Vorspannsteuerelement, das mit dem Piezoelement gekoppelt ist und
ein sich bei Wärme ausdehnendes Material mit einem positiven
Wärmeausdehnungskoeffizienten über den zweiten
Temperaturbereich beinhaltet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt beinhaltet ein Kraftstoffinjektor einen Injektorkörper
und eine Steuerventilanordnung, die innerhalb des Injektorkörpers angeordnet
ist. Der Kraftstoffinjektor beinhaltet ferner eine Aktoreinheit
für die Steuerventilanordnung, wobei die Aktoreinheit ein
Gehäuse und ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes
Piezoelement beinhaltet, das ein sich bei Wärme zusammenziehendes Material
beinhaltet. Die Aktoreinheit beinhaltet ferner eine Vorspanneinrichtung,
die eine Vorspannkraft auf das Piezoelement ausübt, und
ein Vorspannsteuerelement, das ein sich bei Wärme ausdehnendes
Material beinhaltet, das dazu ausgebildet ist, entgegen einem Verkürzen
des Piezoelements sich in Reaktion auf einen Temperaturanstieg zu
verlängern.
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Gemäß noch
einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Verringern oder
Unterbinden von Schwankungen im Betrieb eines piezoelektrischen
Aktors mit einem Piezoelement den Schritt des Auswählens
von mindestens einem der Merkmale Größe, Zusammensetzung
und Wärmeausdehnungskoeffizient eines Vorspannsteuerelements,
wobei der Verfahrensschritt des Auswählens zumindest zum
Teil auf der Eigenschaft des Piezoelements basiert, sich bei Wärme
zusammenzuziehen. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt des
Ausdehnens des Vorspannsteuerelements entgegen einem Verkürzen
des Piezoelements in Reaktion auf einen Temperaturanstieg.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Kraftstoffinjektors
gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2a ist
ein Entwurfsschaubild einer Piezoaktoreinheit bei einer ersten Temperatur,
und
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2b ist
ein Entwurfsschaubild der Piezoaktoreinheit der 2a bei
einer zweiten, höheren Temperatur.
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Detaillierte Beschreibung
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Es
wird nun Bezug genommen auf die 1. Darin
ist ein Kraftstoffinjektor 40 gemäß einem
Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Kraftstoffinjektor 40 beinhaltet
einen Injektorkörper 42 mit einem ersten Gehäuseteil 43 und
einem zweiten Gehäuseteil 45. Eine Aktoreinheit 46 ist
an dem Injektorkörper 42 angebracht und zwischen
dem zweiten Gehäuseteil 45 und dem ersten Gehäuseteil 43 geschaltet.
In einer Ausführungsform kann die Aktoreinheit 46 mit
einer Steuerventilanordnung 68 mittels einer Stange 66 operativ
gekoppelt sein. Die Steuerventilanordnung 68 kann so ausgebildet
sein, dass ein auf eine Steuerfläche 74 einer
Auslassdüsennadel 74 des Kraftstoffinjektors 40 ausgeübter
Fluiddruck gesteuert wird. Kraftstoff mit einem relativ hohen Druck
kann über einen Kraftstoffeinlass 72, der mit
der Auslassdüsennadel 70 strömungstechnisch
verbunden ist, dem Kraftstoffinjektor 40 zugeführt
werden. In einer Ausführungsform kann der Kraftstoffeinlass 72 so
ausgebildet sein, dass er mit einer Hochdruck-Kraftstoffverteilerleiste
in einem Kraftstoffsystem (nicht gezeigt), die einen Kraftstoffinjektor 40 beinhaltet,
verbunden ist. Die Auslassdüsennadel 70 kann zwischen
einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung bewegbar sein,
um wahlweise eine Reihe von Düsenspritzöffnungen 76 mit
dem Einlass 72 zu verbinden, um so das Einspritzen von
Kraftstoff mittels des Kraftstoffinjektors 40 in einen
Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, wie beispielsweise ein
Dieselmotor mit Direkteinspritzung, zu steuern. Wie es aus der nachfolgenden
Beschreibung deutlich wird, mag die Aktoreinheit 46 eine
einzigartige Einrichtung sein, die gewährleistet, dass
durch Temperaturänderungen bedingte Betriebsschwankungen
minimiert werden. Indem Betriebsschwankungen verhindert oder zumindest
reduziert werden, werden wiederum Schwankungen der Steuerventilanordnung 44 während
des Betriebs verringt und ein zuverlässiger Betrieb des Kraftstoffinjektors 40 über
einen relativ breiten Temperaturbereich ermöglicht.
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Die
Aktoreinheit 46 kann einen ein Gehäuse 12 aufweisenden
piezoelektrischen Aktor 10 und ein innerhalb des Gehäuses 12 angeordnetes
Piezoelement 14 umfassen. Der Piezoaktor 10 kann
ferner eine Vorspanneinrichtung 16 beinhalten, die eine Vorspannkraft
auf das Piezoelement 14 ausübt. In einem Ausführungsbeispiel
kann das Piezoelement 14 einen Stapel von Piezoscheiben 20 umfassen,
die durch die Vorspanneinrichtung 16 zusammengedrückt
gehalten werden. Der Piezoaktor 10 kann ferner ein Vorspannsteuerelement 18 beinhalten,
das mit dem Piezoelement 14 gekoppelt und typischerweise
damit in Kontakt ist, um eine Vorspannung auf das Piezoelement aufrecht
zu erhalten oder zu steuern, wie es nachfolgend noch beschrieben
wird.
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In
einem Ausführungsbeispiel kann die Vorspanneinrichtung 16 eine
Multifunktionsfederanordnung 22 umfassen, die innerhalb
des Gehäuses 12 angeordnet ist und ein Bauteil
umfasst, das von dem Gehäuse 12 getrennt ist.
Die Federanordnung 22 kann erstes Segment 24 beinhalten,
das einen Kolben 26 umfasst, welches ein Kontaktelement 28 hierauf
aufweist, das dazu ausgebildet ist, die Stange 66 zur Steuerung
der Steuerventilanordnung 44 zu kontaktieren. Die Federanordnung 22 kann
ferner ein zweites Segment 30 beinhalten, das eine Feder 36, wie
beispielsweise eine Schraubenfeder, mit einem Piezoelement 14 umfasst,
das zumindest zum Teil darin angeordnet ist, und ein drittes Segment 32.
Die Feder 36 und weitere Teile der Federanordnung 22 können
innerhalb des Gehäuses 12 fluiddicht untergebracht
sein. In einem Ausführungsbeispiel kann das dritte Segment 32 ein
Einschraubgewinde 34 zum im Eingriff mit einem Verriegelungselement 35 zum
Festlegen oder Einstellen einer Vorspannung auf das Piezoelement 14,
indem die Feder 36 zusammengedrückt wird oder
sich mehr ausdehnen kann. Das Verriegelungselement 35 kann
in einem Ausführungsbeispiel eine Gewindemutter sein. Eine
vollständigere Erläuterung und Erklärung
der Merkmale und der prinzipiellen Funktionsweise einer Multifunktionsfederanordnung ähnlich
der Multifunktionsfederanordnung 22 kann aus der für
den vorliegenden Anmelder eingereichten und anhängigen
US-Patentanmeldung Nr. 11/998,642 entnommen werden.
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Der
piezoelektrische Aktor 10 kann ferner einen Raum 62 beinhalten,
beispielsweise wie er zum Teil durch die Feder 36, die
an das Piezoelement 14 angrenzt, begrenzt ist. Ein Wärmekompensationsmaterial 60,
wie beispielsweise ein wärmeleitendes Silikongel oder dergleichen
kann sich in dem Raum 62 befinden und mit dem Piezoelement 14 wärmeleitend
in Kontakt sein. Es kann eine flexible Membran 23 vorhanden
sein, die zwischen dem Kolben 26 und dem Gehäuse 12 angeordnet
und mit diesem gekoppelt ist, und sie kann dazu ausgebildet sein,
sich während der Aktivierung und Deaktivierung des Piezoelements 14 in
bekannter Weise zu verbiegen. Die Piezoaktoreinheit 46 kann
ferner einen Deckel 64, einen ersten elektrischen Anschluss
oder elektrische Anschlussklemme 52 und einen zweiten elektrischen Anschluss
oder elektrische Anschlussklemme 54 beinhalten, die sich
zur herkömmlichen Kontaktierung mit einem elektrischen
System eines Motors (nicht gezeigt) durch den Deckel 64 erstrecken.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Vorspannsteuerelement 18 eine
an einem Ende des Piezoelements 14 angeordnete erste Vorspannsteuerscheibe 18a und einen
an einem gegenüberliegenden Ende des Piezoelements 14 angeordnete
weitere Vorspannsteuerscheibe 18b beinhalten. Das Piezoelement 14 kann so
zwischen den Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b eingeklemmt
sein. Das Verriegelungselement 35 kann an der Vorspannsteuerscheibe 18a anschlagen,
und der Kolben 26 kann an die Vorspannsteuerscheibe 18b anliegen.
Eine Drehung des Verriegelungselements 35 kann die Zusammendrückkraft,
die die Vorspannung auf das Piezoelement 14 festlegt, durch
Zusammendrücken oder Ausdehnen der Feder 36 erhöhen
oder verringern. In anderen Ausführungsformen könnte
eine einzige Vorspannsteuerscheibe oder mehr als zwei Vorspannsteuerscheiben verwendet
werden. Oder die Vorspannsteuerscheiben könnten in der
Aktoreinheit 46 in einer sich von der gezeigten unterscheidenden
Ausgestaltung positioniert sein, wie beispielsweise, dass sie aneinander angrenzen.
In einer praktischen Implementierung werden die Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b mit
dem Piezoelement 14 in Reihe angeordnet sein und sie können
eine gemeinsame Mittelachse mit dem Piezoelement 14 und
mit dem Kraftstoffinjektor 40 aufweisen. Eine Längsachse
Z des Kraftstoffinjektors 40 ist in der 1 gezeigt
und umfasst die gemeinsame Mittelachse. In einem Ausführungsbeispiel
kann die Vorspannsteuerscheibe 18a ein erstes Loch 48 und
ein zweites Loch 50 aufweisen. Die elektrischen Anschlüsse 52 und 54 können
sich durch das Loch 48 bzw. 50 erstrecken und
ein erstes Dichtungselement 56 und ein zweites Dichtungselement 58,
wie beispielsweise O-Ringe, können eine Dichtung zwischen
dem Loch 48 bzw. 50 und den entsprechenden elektrischen
Anschlüssen 52 bzw. 54 bilden.
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Wie
zuvor erläutert, kann die Aktoreinheit 46 einzigartig
dazu ausgebildet sein, durch Temperaturschwankungen bedingte Betriebsschwankungen
des piezoelektrischen Aktors 10 zu unterbinden. Es ist nochmals
hervorzuheben, dass bestimmte Komponenten des piezoelektrischen
Aktors Abmessungsänderungen unterliegen, wenn sich deren
Temperatur ändert. Die vorliegende Offenbarung stellt ein
Verfahren zum Kompensieren derartiger Abmessungsänderungen
bereit, bei dem, basierend auf der Erkenntnis, wie sich die verschiedenen
Materialien bei bestimmten Temperaturen oder innerhalb bestimmter Temperaturbereiche
verhalten, bestimmte Materialien und Eigenschaften der Komponenten
bzw. Bauteile der Aktoreinheit 46 ausgewählt werden.
Obwohl einen Aktor betreffende Maßnahmen bekannt sind, wie
beispielsweise die zuvor beschriebene Veröffentlichung
von Augustine, die Abmessungsänderungen der Komponenten
in Reaktion auf Temperaturänderungen erkennt und ein Verfahren
zum Kompensieren derartiger Abmessungsänderungen vorschlägt, versagen
diese Maßnahmen dabei, das nichtlineare und relativ komplexe
thermische Verhalten bestimmter Materialien vollständig
zu berücksichtigen. Beispielsweise ist man bisher davon
ausgegangen, dass die meisten Materialien, die auch piezoelektrische Materialien
beinhalten, sich in Reaktion auf einen Temperaturanstieg ausdehnen,
was allerdings nicht immer der Fall ist. Man hat nun erkannt, dass
sich piezoelektrische Materialien in Reaktion auf einen Temperaturanstieg
zumindest über bestimmte Temperaturbereiche zusammenziehen
können. Somit kann man sagen, dass bestimmte piezoelektrische Materialien
die Eigenschaft haben, sich bei Wärme zusammenzuziehen,
was in Reaktion auf einen Temperaturanstieg zu einem axialen Verkürzen
führen kann. Die vorliegende Offenbarung nutzt diese Einsicht
dahingehend, dass eine Vorspannung auf ein Piezoelement 14 trotz
dessen Temperaturänderungen beibehalten wird, wie es nachfolgend
weiter beschrieben wird. Weitere Ausführungsformen mögen dahingehend
abgewandelt sein, dass eine Vorspannung auf eine Piezoelement in
Reaktion auf Temperaturänderungen basierend auf eine Zielvorspannung
geändert wird. Mit anderen Worten: Anstatt dass eine konstante
Vorspannung beibehalten wird, könnte die Aktoreinheit 46 so
ausgebildet sein, dass eine Vorspannung auf ein Piezoelement 14 in
Reaktion auf einen Temperaturanstieg zu- oder abnimmt, so dass eine
vorgegebene Sollvorspannung bei bestimmter Temperatur erzielt wird.
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Das
Piezoelement 14 kann einen Betriebstemperaturbereich haben,
beispielsweise einen mit einem oberen Ende bei ungefähr
150°C und einem unteren Ende bei ungefähr –40°C.
Das Piezoelement 14 kann ferner ein sich bei Wärme
zusammenziehendes Material beinhalten, das einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten über
einen zweiten Temperaturbereich hat, der zwischen ungefähr
90°C und ungefähr 120°C liegt und sich
somit mit dem Betriebstemperaturbereich überlappt. Mit
anderen Worten: Das Piezoelement 14 kann Materialien wie
beispielsweise piezoelektrische kristalline Materialien beinhalten,
die sich zusammenziehen, wenn ein Temperaturanstieg über
einen bestimmten Temperaturbereich erfahren wird, wobei der Temperaturbereich
einen Unterbereich umfasst oder sich teilweise mit dem Betriebstemperaturbereich überlappt.
Wie zuvor erwähnt, kann das thermische Verhalten des Piezoelements 14 relativ
komplex sein und dessen Wärmeausdehnungskoeffizient kann über
bestimmte Temperaturbereiche positiv und über andere Temperaturbereiche
negativ sein. Der zweite Temperaturbereich repräsentiert
einen optimalen Auslegungstemperaturbereich, könnte jedoch
in verschiedenen Aktoren oder in verschiedenen Aktoranwendungen
variieren.
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Bei
der Herstellung bestimmter piezoelektrischer Materialien wie beispielsweise
solche, die im Piezoelement 14 verwendet werden, wird beispielsweise
eine relativ hohe elektrische Spannung an die piezoelektrischen
Materialien angelegt, um die piezoelektrischen Kristalle in einer
gewünschten Ausrichtung anzuordnen und einen einwandfreien
Betrieb zu ermöglichen. Dieser Vorgang ist im Stand der
Technik als „Polen” bekannt. Zumindest bei manchen
piezoelektrischen Materialien können Temperaturanstiege
das Polen der während der Herstellung sich entwickelten
Kristalle gestört werden. Man hat entdeckt, dass Störungen
beim Polen der piezoelektrischen Kristalle in piezoelektrischen
Elementen, wie beispielsweise ein Piezoelement 14, tatsächlich
bewirken kann, dass sich das piezoelektrische Element zusammenzieht.
Die vorliegende Offenbarung berücksichtigt, dass eine Störung
des Polens der piezoelektrischen Kristalle in dem zweiten Temperaturbereich, der
beispielsweise innerhalb einer oberen Hälfte des Betriebstemperaturbereichs
liegen kann, bewirken kann, dass sich das Piezoelement 14 axial
verkürzt.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht somit in der Verwendung
der sich bei Wärme ausdehnenden Materialien wie beispielsweise
Aluminium und Aluminiumlegierungen in Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b,
um ein axiales Verkürzen des Piezoelements 14 in
dem zweiten Temperaturbereich zu kompensieren. Insbesondere kann
das Vorspannsteuerelement 18 ein sich bei Wärme
ausdehnendes Material umfassen, das einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten über
den zweiten Temperaturbereich aufweist. Dieses Merkmal ermöglicht, dass
sich die Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b entgegen
dem axialen Verkürzen des Piezoelements 14 in
Reaktion auf einen Temperaturanstieg axial verlängern.
In einer Ausführungsform kann eines oder mehrere der Merkmale
Größe, Zusammensetzung und Wärmeausdehnungskoeffizient
des Vorspannsteuerelements 18 zumindest zum Teil auf einer
wärmebedingten Kontraktionseigenschaft ausgewählt werden,
wie beispielsweise ein axiales Verkürzen des Piezoelements 14.
Wenn die Temperatur des piezoelektrischen Aktors 10 ansteigt,
kann sich während des Betriebs das Vorspannsteuerelement 18 einer
Verkürzung des Piezoelements 14 entgegenwirkend
ausdehnen oder verlängern, um eine Nettovorspannung auf
das Piezoelement 14 in gewünschter Weise beizubehalten
oder zu steuern.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Es
wird nun Bezug genommen auf die 2a und 2b.
Darin sind Konzeptschaubilder von piezoelektrischen Aktoren bzw.
Piezoaktoren 10 bei einer ersten Temperatur und einer zweiten,
höheren Temperatur gezeigt. Die in den 2a und 2b dargestellten
Temperaturen können eine erste Temperatur, siehe 2a,
an einem unteren Ende des zweiten Temperaturbereichs und eine zweite Temperatur,
siehe 2b, an einem oberen Ende des
zweiten Temperaturbereichs sein. In der 2a ist
das Gehäuse 12 mit einer Länge A1 gezeigt. Die erste Vorspannsteuerscheibe 18a ist
mit einer Länge B1 gezeigt, und
das Piezoelement 14 ist mit einer Länge C1 gezeigt. Die zweite Vorspannsteuerscheibe 18b hat
eine Länge D1, wohingegen die Federanordnung 22 eine
Länge E1 aufweist. Zusammengenommen
bilden die jeweiligen Längen die Länge L des piezoelektrischen
Aktors 10.
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In
der 2b, die die Anordnung bei einer höheren
Temperatur als in der 2a zeigt, sind verschiedene
Längen anders. Das Gehäuse 12 hat in der 2b eine
zweite Länge A2, die ungefähr
die Gleiche ist wie die Länge A1,
die in der 2a gezeigt ist. In einem Ausführungsbeispiel
kann das Gehäuse 12 aus Materialien mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sein, der nahe
oder gleich null ist, wie beispielsweise Materialien, die normalerweise
unter der Marke INVAR® verfügbar
sind. In einer spezifischen Ausführungsform kann der positive
Wärmeausdehnungskoeffizient des Gehäuses 12 über
den oder im Bereich des oben beschriebenen zweiten Temperaturbereichs
ungefähr 0,12 × 10–5 m/m
K betragen. In der 2b ist auch die relativ größere
Länge E2 der Federanordnung 22 gezeigt. In
einer Ausführungsform kann die Federanordnung 22 aus
Stahl hergestellt sein, der einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten
von ungefähr 1,2 × 10–5 m/m
K über den oder im Bereich des zweiten Temperaturbereichs
hat. Jede Vorspannsteuerscheibe 18a und 18b kann,
wie zuvor erläutert, Aluminium umfassen und kann parallel
zu dem Gehäuse 12 angeordnet sein. In einer Ausführungsform
besitzt jede der Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b in 2b eine
relative größere Länge B2 bzw.
D2. Ein absoluter Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Materials des Gehäuses 12 ist so bestimmt,
dass er kleiner ist als der absolute Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Materials des Vorspannsteuerelements 18, und er kann
auch so gewählt sein, dass es kleiner ist als der absolute
Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des
Piezoelements 14. Aluminium oder andere Materialien, aus denen
die Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b hergestellt
sein können, können einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten
von ungefähr 2,5 × 10–5 m/m
K über den zweiten Temperaturbereich haben. Das Piezoelement 14 kann
eine relativ kürzere Länge C2 bei
einer relativ höheren Temperatur, wie in 2b gezeigt,
besitzen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Piezoelement 14 ein
keramisches Material umfassen, das einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von ungefähr –0,3 × 10–5 m/m
K über den zweiten Temperaturbereich aufweist.
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In
den Darstellungen der 2a und 2b sind
die Abmessungsänderungen der verschiedenen Komponenten
etwas übersteigert. Es ist jedoch zu beachten, dass in
jedem Fall die Gesamtlänge L des Aktors 10 bei
den Temperaturbedingungen, die in den 2a und 2b dargestellt
sind, ungefähr gleich bleibt. Es ist zu berücksichtigen,
dass die Länge des Aktors 10 innerhalb des zweiten
Temperaturbereichs relativ konstant bleibt und in manchen Fällen
innerhalb des gesamten Betriebsbereichs gleich bleibt, was bestimmte
Vorteile mit sich bangt. Wir wenden uns nun wieder der 1 zu,
wo typischerweise ein relativ kleiner Luftspalt zwischen der Stange 66 und
dem Kolben 26 vorhanden sein wird. Allgemein ist es wünschenswert,
eine Größenänderung dieses Luftspalts
bei Temperaturänderungen zu minimieren. Somit mag das Beibehalten
der Länge des Aktors 10 über einen relativ
weiten Temperaturbereich verhindern, dass Änderungen oder
Schwankungen während des Betriebs des Aktors 10 auftreten,
die ansonsten aufgrund von einer Änderung der Größe
des Luftspalts zwischen dem Kolben 26 und der Stange 66 auftreten
würden. Durch die Implementierung der Lehren der vorliegenden
Offenbarung mag eine Nettoänderung des Luftspalts zwischen
der Stange 66 und dem Kolben 26 ungefähr
9 Mikrometer oder weniger betragen. Überdies mag die Vorspannung
auf das Piezoelement 14 unabhängig von der Temperatur
im Wesentlichen die Gleiche sein und auch die Schwankungen während
des Betriebs des Aktors 10 bei verschiedenen Temperaturen
verringern oder eliminieren sich.
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Ein
größerer Teil der voranstehenden Beschreibung
stellt das Konfigurieren der Wärmeausdehnungseigenschaften
des Vorspannsteuerelements 18 heraus, um das wärmebedingte
Zusammenziehen des Piezoelements 14 zu kompensieren. Es
ist aber offensichtlich, dass eine Vielzahl von Faktoren bei der
Auswahl geeigneter Materialien mit geeigneten Wärmeausdehnungs-
oder Wärmeschrumpfungseigenschaften zur Konstruktion des Aktors 10 und
anderer Komponenten der Aktoreinheit 46 herangezogen werden
können. Beispielsweise kann, wie zuvor erwähnt,
die Feder 36 eine Federkonstante haben, die mit dem Temperaturanstieg
negativ korreliert. Mit anderen Worten: Die mittels der Feder 36 zur
Vorspannung des Piezoelements 14 verfügbare Zusammendrückkraft
kann abnehmen, wenn die Temperatur der Feder 36 zunimmt.
Parallel zu den in den 2a und 2b dargestellten
Abmessungsänderungen können Änderungen
der Federkonstante der Feder 36 auftreten. Folglich könnte beim
Auswählen der Größe, der Zusammensetzung und/oder
des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Vorspannsteuerelements 18 auch
die Relativänderung der über die Feder 36 verfügbaren
Vorspannkraft berücksichtigt werden. Die Größe,
die Zusammensetzung und/oder der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Vorspannsteuerelements 18 könnten somit auf
der Federkonstanten der Feder 36 als auch der Eigenschaft
des Piezoelements 14, sich bei Wärme zusammenzuziehen,
basieren. In Fällen, in denen die Feder 36 bei
einem gegebenen Temperaturanstieg eine relativ große Abnahme
der Federkonstante erfährt, mag es wünschenswert
sein, für das Vorspannsteuerelement 18 ein Material
auszuwählen, das einen relativ großen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat,
zumindest in einem Temperaturbereich, der dem gegebenen Temperaturanstieg
entspricht. Der umgekehrte Fall kann ebenfalls zutreffen. Und in
Fällen, in denen eine Federkonstante der Feder 36 für
einen vorgegebenen Temperaturanstieg weniger anfällig für Änderungen
ist, könnte der Wärmeausdehnungskoeffizient des
Vorspannsteuerelements 18 für den gegebenen Temperaturanstieg
relativ gesehen kleiner gewählt werden.
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Die
vorliegende Beschreibung erörtert auch das Beibehalten
der Vorspannung auf das Piezoelement 14 und die Aufrechterhaltung
der Länge L des Aktors 10. Eine praktische Vorgehensweise
bei der Realisierung eines Aktors kann somit darin bestehen, den
Aktor 10 so zu gestalten, dass dessen Abmessungen und die
Vorspannung unabhängig von der Temperatur relativ konstant
bleiben. In anderen Beispielen könnte jedoch die Vorspannung
auf das Piezoelement 14 und sogar die Abmessungen des Aktors 10 in
Reaktion auf einen Temperaturanstieg absichtlich sich verändernd
gedacht sein. In einer Ausführungsform kann die Vorspannung
auf das Piezoelement 14 anfänglich niedriger als
eine Sollvorspannung festgelegt sein und die Materialien und Komponenten
des Aktors 10 könnten so ausgebildet und konfiguriert
sein, dass die Vorspannung auf das Piezoelement 14 zunimmt,
wenn die Temperatur ansteigt, und zwar in Richtung auf die Sollvorspannung. Die
folgende Offenbarung ist somit dahingehend zu verstehen, dass eine
Vielzahl von verschiedenen Systemen umfasst ist, in denen eine Vorspannung auf
ein Piezoelement bei bestimmten Temperaturen entsprechend einer
gewünschten Vorspannung gesteuert oder geregelt wird. Dies
kann der Fall sein unabhängig davon, ob eine konstante
Vorspannung gehalten werden soll oder die Vorspannung in Reaktion auf
einen Temperaturanstieg zunehmen oder abnehmen soll.
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Die
vorliegende Beschreibung ist lediglich zur Veranschaulichung gedacht
und sollte nicht dahingehend verstanden werden, den vorliegenden breiten
Offenbarungsgehalt in irgendeiner Weise zu schmälern. Somit
ist es für einen Fachmann offensichtlich, dass verschiedene
Modifikationen in den vorliegenden offenbarten Ausführungsbeispielen
gemacht werden könnten, ohne dass der tatsächliche und
angemessene Offenbarungsgehalt der vorliegenden Offenbarung verlassen
wird. Weitere Aspekte und Merkmale werden nach Studium der beigefügten
Zeichnungen und Ansprüche ersichtlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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