DE10237587A1

DE10237587A1 - Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10237587A1
Application number: DE10237587A
Authority: DE
Inventors: Michael Jupe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-08-17
Also published as: DE10237587B4

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, und ein Herstellungsverfahren vorgeschlagen, bei dem ein Piezoelement (2) zur Beaufschlagung eines Betätigungselements (9) mit einer Zug- oder Druckkraft vorhanden ist. Es ist ein Gehäuse (3) zur Aufnahme des Piezoelements (2) vorhanden, wobei zwischen dem Piezoelement (2) und dem Gehäuse (3) mindestens eine wärmeleitende Vergussmasse eingefügt ist. Das Gehäuse (3) ist im Bereich der inneren Gehäusewand mit einer festen Vergussmasse (4) versehen, die zum Piezoelement (2) hin an vorgegebenen Bereichen ein vorgegebenes geringes Spiel zur Geometrie des Piezoelements (2) aufweist und zwischen der festen Vergussmasse (4) und dem Piezoelement (2) ist eine flüssige Vergussmasse (5) eingefüllt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, beispielsweise für einen Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement 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.

Bei der Positionierung von Ventilen werden die zuvor genannten Piezoaktoren häufig eingesetzt. Dabei ist hier unter anderem zu beachten, dass ihr Hubvermögen zur Betätigung, beispielsweise eines Ventilstößels, relativ klein ist. Andererseits führt die unterschiedliche Wärmedehnung der Keramik des Piezoelements und des Gehäuses dadurch zu Problemen. Das Piezoelement hat eine sehr geringe Temperaturdehnung und das, in der Regel metallische Gehäuse, hat eine positive Temperaturdehnung, was zu einer Drift der Position des Ventilstößels ohne eine Ansteuerung des Piezoelements führen kann.

Bekannt ist aus der US 5,148,077 A1 , dass eine Wärmeabfuhr vom Piezoelement an das Gehäuse durch eine Einbettung des Piezoaktorstapels innerhalb des Gehäuses in Silikonöl erfolgt, das eventuell auch mit Quarzpartikel gefüllt sein kann. Diese oft auch zweikomponentige Vergussmasse für den Piezoaktor ist in der Aufbereitung, der Verarbeitung und dem anschließenden Vernetzen unter Temperatureinwirkung relativ kompliziert und zeitaufwendig.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, weist in vorteilhafter Weise ein Piezoelement zur Beaufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft auf. Es ist weiterhin ein Gehäuse zur Aufnahme des Piezoelements vorhanden, wobei zwischen dem Piezoelement und dem Gehäuse mindestens eine wärmeleitende Vergussmasse eingefügt ist.

Gemäß der Erfindung wird in vorteilhafter Weise das Gehäuse im Bereich der inneren Gehäusewand mit einer geformten festen Vergussmasse versehen. Diese weist zum Piezoelement hin an vorgegebenen Bereichen ein vorgegebenes geringes Spiel zur Geometrie des Piezoelements auf, zum Beispiel im Bereich von ca.0,2 mm.

Zwischen der festen Vergussmasse, beispielsweise ein Epoxydharz ev. auch mit Quarzpartikeln zur besseren Wärmeabfuhr, und dem Piezoelement ist dann eine flüssige Vergussmasse, z.B. ein Silikonöl oder Silikongel, eingefüllt. Hiermit ist gewährleistet, dass eine gute Wärmeabfuhr vom Piezoelement bis an das Gehäuse erfolgt, so dass sich das Piezoelement nicht zu stark erhitzt und sich dadurch eventuell selbst zerstört oder die eingangs erwähnten Fehlfunktionen auftreten.

Bei einem vorteilhaften, eine kurze Bearbeitungszeit aufweisenden Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Piezoaktors wird in einem ersten Arbeitsgang das zunächst innen mit einem Formstempel versehene Gehäuse mit der festen Vergussmasse ausgegossen. Dies führt zu einer Verbesserung der Stabilität des Gehäuses. In einem zweiten Arbeitsgang wird der Formstempel dann entfernt. In einem dritten Arbeitsgang wird das Piezoelement in das Gehäuse eingesetzt und fußseitig dicht verschweißt. In einem vierten Arbeitsgang wird die flüssige Vergussmasse unter Beseitigung jeglicher Lufteinschlüsse zwischen dem Piezoelement und dem Gehäuse eingefüllt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoaktors wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt durch ein in einer Hülse als Gehäuse angeordnetes Piezoelement zur Bildung eines Piezoaktors und

2 einen Querschnitt durch den Piezoaktor nach der 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der ein Piezoelement 2 aufweist, das in an sich 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 in dieser Figur nicht gezeigte Elektroden eine mechanische Betätigung mit dem Piezoaktor 1 bewirkt werden kann.

Der Piezoaktor weist ein Gehäuse 3 auf, das innen mit einer Vergussmasse 4 aus Epoxydharz versehen ist, deren Geometrie auch aus einem Querschnitt nach 2 zu erkennen ist. Die Vergussmasse 4 ist in einem separaten Herstellungsgang mittels eines Formteils bzw. Formstempels eingebracht worden. An einigen Stellen weist dann das anschließend eingefügte Piezoelement ein geringes Spiel von ca. 0,2 mm zu der Vergussmasse 4 auf.

Die verbleibenden Zwischenräume zwischen der Vergussmasse 4 und dem Piezoelement 2 sind dann mit einem Silikonöl oder einem Silikongel 5 derart ausgefüllt, dass keine Lufteinschlüsse zwischen dem Piezoelement und dem Gehäuse 3 entstehen.

Claims

Piezoaktor, mit – einem Piezoelement (2) zur Beaufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft und einem Gehäuse (3) zur Aufnahme des Piezoelements (2), wobei zwischen dem Piezoelement (2) und dem Gehäuse (3) mindestens eine wärmeleitende Vergussmasse eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Gehäuse (3) im Bereich der inneren Gehäusewand mit einer festen Vergussmasse (4) versehen ist, die zum Piezoelement (2) hin an vorgegebenen Bereichen ein vorgegebenes geringes Spiel zur Geometrie des Piezoelements (2) aufweist und dass – zwischen der festen Vergussmasse (4) und dem Piezoelement (2) eine flüssige Vergussmasse (5) eingefüllt ist.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die feste Vergussmasse ein Epoxydharz (4) ist.
Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das Epoxydharz (4) mit Quarzpartikeln versehen ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die flüssige Vergussmasse (5) ein Silikonöl oder ein Silikongel ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das vorgegebene geringe Spiel der festen Vergussmasse (4) zur Geometrie des Piezoelements (2) ca . 0 , 2 mm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Arbeitsgang das zunächst innen mit einem Formstempel versehene Gehäuse (3) mit der festen Vergussmasse (4) ausgegossen wird, – in einem zweiten Arbeitsgang der Formstempel entfernt wird, – in einem dritten Arbeitsgang das Piezoelement (2) in das Gehäuse (3) eingesetzt wird und fußseitig dicht verschweißt wird und dass – in einem vierten Arbeitsgang die flüssige Vergussmasse (5) unter Beseitigung jeglicher Lufteinschlüsse zwischen dem Piezoelement (2) und dem Gehäuse (3) eingefüllt wird.