DE19906468B4

DE19906468B4 - Piezoelektrischer Aktor

Info

Publication number: DE19906468B4
Application number: DE19906468A
Authority: DE
Inventors: Patrick Dr. Mattes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2019-02-17
Also published as: KR20010042666A; JP2002537531A; DE19906468A1; WO2000049666A1; US6326717B1; EP1076918A1

Abstract

Piezoelektrischer Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen mit einem in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten gebildeten Aktorkörper (10), der an seinen Stirnseiten zwischen einer ventilseitigen Bodenplatte (11) und einer gegenüberliegenden Kopfplatte (12) durch zwei in Längsrichtung an gegenüberliegenden Seiten des Aktorkörpers liegende Federbänder (13, 14; 33, 34) elastisch vorgespannt ist, deren Vorspannkraft durch Einstellmittel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel eine in ein an einem zentrischen axialen Verlängerungsbolzen (18) der Kopfplatte (12) vorgesehenes Außengewinde (15) schraubbeweglich eingreifende Einstellmutter (16) aufweisen, welche abhängig von ihrer Schraubstellung die Vorspannkraft der Federbänder (13, 14; 33, 34) einstellt, dass die Federbänder (13, 14) durch eine außerhalb der Einstellmutter (16) liegende kippbewegliche Ausgleichswippe (20) mit der Einstellmutter (16) kraftschlüssig verbunden sind, und dass die Ausgleichswippe (20) die von den Federbändern (13, 14) ausgeübte und von der...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen, mit einem in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten gebildeten Aktorkörper, der an seinen Stirnseiten zwischen einer ventilseitigen Bodenplatte und einer gegenüberliegenden Kopfplatte durch zwei in Längsrichtung an gegenüberliegenden Seiten des Aktorkörpers liegende Federbänder elastisch vorgespannt ist, deren Vorspannkraft durch Einstellmittel einstellbar ist.
Ein derartiger piezoelektrischer Aktor ist zum Beispiel bekannt aus der DE 196 50 900 A1 der Robert Bosch GmbH. Ein derartiger, in Form eines laminierten Stapels aus piezoelektrischen Schichten mit dazwischenliegenden Elektrodenschichten gebildeter piezoelektrischer Mehrlagen Aktor muß unter einer Vorspannung eingebaut werden, da er sonst bei einer Betätigung auseinanderreißen würde. Die Größenordnung dieser Vorspannungskraft hängt von der Ansteuergeschwindigkeit und den Massen am Aktorkörper ab. Je nach Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktorkörpers beträgt die Vorspannungskraft 500-1000 N.
In der beiliegenden 1 ist ein solcher aus der obigen Druckschrift bekannter piezoelektrischer Aktor mit einem mehrlagigen Aktorkörper 3 dargestellt. Bei der Herstellung des bekannten piezoelektrischen Aktors wird der Aktorkörper 3 stirnseitig jeweils mit einer Bodenplatte 7 und einer Deckplatte 8 verklebt. Die benötigte Vorspannung wird durch Federbänder 4a und 4b aufgebracht, die in Längsrichtung zu beiden Seiten des Aktorkörpers 3 liegen. Um die durch Fertigungsungenauigkeiten bei der Herstellung des Aktorkörpers auftretenden Toleranzen zu kompensieren, sind hochgenaue Ausgleichsscheiben 1, 2 und 5 nötig. Die Vorratshaltung solcher Ausgleichsscheiben und deren Montage verteuern die Herstellungskosten des piezoelektrischen Aktors.
Aus den entgegengehaltenen Druckschriften US 30 66 232 , GB 14 63 195 und US 47 69 569 A sind verschiedenen Anordnungen von Piezoaktoren bekannt, bei den die Vorspannung mit Hilfe eines Gewindes eingestellt wird. Aus keiner dieser Druckschriften ist eine Ausgleichswippe bekannt, die eine gleichmäßige Belastung beider Federbänder gewährleistet.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen in der Herstellung kostengünstigeren piezoelektrischen Mehrlagen-Aktor mit verbesserten Einstell- und Ausgleichselementen zu ermöglichen, mit denen sich die von den Federbändern auf den Aktorkörper aufgebrachte Vorspannungskraft beliebig einstellen oder nachjustieren läßt.
Wie bei der bekannten Lösung, wird der Aktorkörper über seitlich desselben liegende Federbänder elastisch vorgespannt. Im Unterschied zu der bekannten Lösung wird die Federkraft aber durch Verdrehen einer Einstellmutter eingestellt.
Um eine einseitige Krafteinleitung durch toleranzbehaftete Federbänder zu vermeiden, dient eine zentrisch in eine pfannenförmigen Vertiefung der Einstellmutter eingreifende Ausgleichswippe, die einen axial ragenden Zentrierbolzen aufweist, dessen sphärische Kontur sich in der pfannenartigen Vertiefung der Einstellmutter bewegen kann. Dadurch wird bei einer Verdrehung der Einstellmutter die Vorspannung gleichmäßig aufgebracht, d. h., zentriert. Toleranzen in den Federsteifigkeiten werden durch Verkippen der Ausgleichswippe kompensiert. Auf diese Weise können beliebige Vorspannkräfte in einem gewünschten Kraftbereich stufenlos eingestellt oder während der Lebensdauer des piezoelektrischen Aktors bzw. des mit ihm ausgerüsteten Ventils nachgestellt werden. Gleichzeitig vereinfacht und verbilligt sich die Montage, da nur an einer Stelle mit der Einstellmutter eine Korrektur vorgenommen werden muß.
Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung eines piezoelektrischen Aktors werden insbesondere folgende Vorteile erzielt:

– Eine einseitige Krafteinleitung wird durch Verwendung der Ausgleichswippe vermieden. Dies bedeutet, daß der Piezoaktor eine höhere Lebensdauer hat, da die Wahrscheinlichkeit von Rißbildungen verringert ist.
– Die Montage des piezoelektrischen Aktors ist durch die Verwendung vorgefertigter Teile und der Krafteinstellung an einer einzigen Stelle, d. h. an der Einstellmutter vereinfacht und dadurch billiger.
– Die Vorspannkraft läßt sich während der Lebensdauer des piezoelektrischen Aktors nachstellen. Dies trägt vorteilhafterweise einer Ermüdung der die Vorspannkraft bewirkenden Federbänder Rechnung.

Die obigen Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors werden durch die nachfolgende, zwei Ausführungsbeispiele beschreibende Beschreibung noch deutlicher, wenn diese bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung gelesen wird.
Zeichnung
1 zeigt in Form eines schematischen Längsschnitts den bereits beschriebenen bekannten piezoelektrischen Aktor.
2A und 2B zeigen in Form eines schematischen Längsschnitts und einer Draufsicht auf die Kopfseite ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Aktors, und
3 zeigt in Form eines schematischen Längsschnitts ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Aktors.
Ausführungsbeispiele
Gemäß der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors in Form eines schematischen Längsschnitts darstellenden 2A ist ein mehrlagiger Aktorkörper 10, der aus einem vielschichtigen Laminat aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten besteht, an seinen Stirnseiten zwischen einer ventilseitigen Bodenplatte 11 mit einem zentrischen, axial zum (nicht gezeigten) Ventil hin ragenden, Druckstößel 19 und einer gegenüberliegenden Kopfplatte 12 durch zwei einzelne in Längsrichtung des Aktorkörpers liegende Federbänder 13 und 14 elastisch vorgespannt.
Wenn eine pulsierende elektrische Spannung an die (nicht gezeigten) Elektroden des Aktorkörpers 10 angelegt wird, führt dieser analog pulsierende Hübe unter Änderung des Abstandes zwischen seinen durch die Federbänder 13 und 14 vorgespannten Stirnseiten aus. Dabei bewegt sich die Bodenplatte 11 mit dem Druckstößel 19 entgegen der von den Federbändern 13 und 14 ausgeübten Federkraft in axialer Richtung. Die Kopfplatte 12 weist einen mit einem Außengewinde 15 versehenen axialen Verlängerungsbolzen auf. In das Außengewinde 15 des Verlängerungsbolzens 18 greift das Innengewinde einer Einstellmutter 16 ein. Durch Verdrehen der Einstellmutter 16 läßt sich die Federkraft der beiden Federbänder 13 und 14 einstellen.
Bei dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel geschieht dies dadurch, daß die Einstellmutter 16 auf ein als Ausgleichswippe 20 gestaltetes Verbindungselement einwirkt, welches mit Hilfe von Fixierstiften 23 und 24 die durch Bohrungen am oberen Ende der beiden Federbänder 13 und 14 gesteckt sind, die beiden Federbänder 13 und 14 so verbindet, daß ein gewisses Spiel zum Verkippen der Ausgleichswippe 20 bleibt. Zum Ausgleich und zur Zentrierung der von der Einstellmutter 16 eingestellten Vorspannkraft auf die beiden Federbänder 13 und 14 hat die Ausgleichswippe 20 einen zentrisch in axialer Richtung zur Einstellmutter 16 hin ragenden Zentrierbolzen 21 mit sphärischem Ende, der zentrisch in einer sphärischen Zentrierpfanne 17 der Einstellmutter 16 beweglich ist. Der Radius dieser Zentrierpfanne 17 ist wesentlich größer als der Radius am Ende des Zentrierbolzens 21 der Ausgleichswippe 20. Auf diese Weise und durch die gewählte axiale Länge des Zentrierbolzens 21 bleibt zwischen dem oberen Außenrand der Einstellmutter 16 und der Unterseite der Ausgleichswippe Spielraum, so daß die Ausgleichswippe 20 etwas kippen kann. Auf diese Weise werden Toleranzen in den Federsteifigkeiten der Federbänder 13 und 14 durch Verkippen der Ausgleichswippe kompensiert, so daß bei Verdrehung der Einstellmutter 16 die Vorspannung gleichmäßig und in axialer Richtung auf die Stirnseiten des Aktorkörpers 10 einwirkt. Somit können beliebige Vor spannkräfte stufenlos eingestellt, bzw. während der Lebensdauer des piezoelektrischen Aktors und des damit ausgerüsteten Ventils nachgestellt werden. Gleichzeitig vereinfacht sich die Montage, da nur an einer Stelle, d. h. an der Einstellmutter 16 eine Korrektur vorgenommen werden muß und keine hochgenauen Ausgleichsscheiben zur Einstellung der Vorspannkraft benötigt werden.
Wie besonders die in 2B gezeigte Draufsicht auf den in 2A dargestellten piezoelektrischen Aktor zeigt, sind die in der Ausgleichswippe 20 vorgesehenen Bohrungen 27 und 28 derart gestaltet, daß die Federbänder 13 und 14 mit Spiel darin sitzen. Die Fixierung der Federbänder 13 und 14 erfolgt bei der Montage durch Fixierstifte 23 und 24, die durch die Bohrungen am oberen Endabschnitt der Federbänder 13 und 14 gesteckt sind. Die Fixierstifte 23 und 24 können mit einer Einkerbung oder mit Ringnuten versehen sein, damit die Stifte 23 und 24 sicher in den Bohrungen der Federbänder 13 und 14 sitzen und beim Betrieb des piezoelektrischen Aktors nicht herausfallen können.
3 zeigt in Form eines schematischen Längsschnitts ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Aktors. Hier sind keine einzelnen Federbänder 13 und 14 vorgesehen, sondern das Vorspannelement ist ein einziger U-förmig gebogener Federbügel 30, dessen lange Schenkel zwei gegenüberliegende Federbänder 33 und 34 an den Längsseiten des Aktorkörpers 10 bilden. Die Einstellung der Vorspannungskraft geschieht genau wie bei dem in 2A gezeigten ersten Ausführungsbeispiel mit Hilfe einer Einstellmutter 16, deren Innengewinde in das Außengewinde 15 des axial ragenden Verlängerungsbolzens 18 der Kopfplatte 12 eingreift, wodurch die Einstellung der auf die Stirnseiten des Aktorkörpers 10 einwirkende Vorspannungskraft mit einem einzelnen Einstellorgan, nämlich durch Verschrauben der Einstellmutter 16 geschieht. Der flache Bodenteil 31 des Federbügels 30 ist über eine Ausgleichswippe 20 geführt, die, was den Zentrierbolzen 21 angeht, dieselbe Form haben kann, wie die Ausgleichswippe 20 gemäß 2A. Zusätzlich kann die in 3 dargestellte Ausgleichswippe 20 eine in 3 nicht dargestellte Vertiefung oder Nut an ihrer Oberseite haben, in der der flache Bodenteil 31 des Federbügels 30 sitzt.
Auch bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Einstellmutter 16 vorteilhafterweise eine zentrische sphärische Zentrierpfanne 17, in der der Zentrierbolzen 21 der Ausgleichswippe 20 beweglich ist.
Zu erwähnen ist noch, daß sich die beiden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele grundsätzlich für eine runde, rechteckige oder quadratische Querschnittsform des Aktorkörpers eignen.

Claims

Piezoelektrischer Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen mit einem in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten gebildeten Aktorkörper (10), der an seinen Stirnseiten zwischen einer ventilseitigen Bodenplatte (11) und einer gegenüberliegenden Kopfplatte (12) durch zwei in Längsrichtung an gegenüberliegenden Seiten des Aktorkörpers liegende Federbänder (13, 14; 33, 34) elastisch vorgespannt ist, deren Vorspannkraft durch Einstellmittel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel eine in ein an einem zentrischen axialen Verlängerungsbolzen (18) der Kopfplatte (12) vorgesehenes Außengewinde (15) schraubbeweglich eingreifende Einstellmutter (16) aufweisen, welche abhängig von ihrer Schraubstellung die Vorspannkraft der Federbänder (13, 14; 33, 34) einstellt, dass die Federbänder (13, 14) durch eine außerhalb der Einstellmutter (16) liegende kippbewegliche Ausgleichswippe (20) mit der Einstellmutter (16) kraftschlüssig verbunden sind, und dass die Ausgleichswippe (20) die von den Federbändern (13, 14) ausgeübte und von der Einstellmutter eingestellte Vorspannungskraft auf die Längsachse (A) des Aktorkörpers (10) zentriert.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federbänder (33, 34) parallele Schenkel eines einzigen, etwa U-förmigen Federbügels (30) sind, an dessen Boden die Einstellmutter (16) angreift.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federbänder (13, 14) zwei einzelne Bänder sind.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichswippe (20) einen zentrischen, axial zur Einstellmutter (16) ragenden Zentrierbolzen (21) aufweist, der an einer äußeren Stirnwand der Einstellmutter (16) anliegt und dessen Ende eine sphärische Kontur hat.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Stirnwand der Einstellmutter (16) eine zentrische, sphärische Zentrierpfanne (17) bildet, deren Radius wesentlich größer ist als der des darin liegenden Zentrierbolzens (21) der Ausgleichswippe (20).
Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federbänder (13, 14) Bohrungen an ihren Endabschnitten aufweisen und dort mit durch die Bohrungen gesteckten Fixierstiften (23, 24, 25, 26) jeweils an dem Verbindungselement bzw. der Ausgleichswippe (20) und der Bodenplatte (11) fixiert sind.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierstifte (23-26) mit einer Kerbe oder Umfangsnut versehen sind, in die die Endabschnitte der Federbänder (13, 14) formschlüssig eingreifen.