DE19909482A1 - Piezoelektrischer Aktor - Google Patents

Piezoelektrischer Aktor

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuer- oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem kreiszylindrischen piezoelektrischen Aktorkörper (1) in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden einander abwechselnden ersten und zweiten Elektrodenschichten (10, 11), wobei diese ersten und zweiten Elektrodenschichten (10, 11) jeweils abwechselnd durch einen ersten und zweiten elektrisch leitenden gemeinsamen Elektrodenanschluß (12, 13) kontaktiert sind. Der piezoelektrische Aktorkörper (1) hat entweder eine Innenlängsbohrung (2) und wenigstens der erste gemeinsame Elektrodenanschluß (12) ist an der durch die Innenlängsbohrung (2) gebildeten Innenwand (3) des Aktorkörpers (1) vorgesehen und steht dort mit jeder ersten Elektrodenschicht (10) in Kontakt. Alternativ weist der Aktorkörper (1) keine Innenlängsbohrung auf, und die ersten und zweiten Elektrodenschichten (10, 11) liegen jeweils an zueinander winkelversetzten Stellen an der Zylinderaußenwand (4) des Aktorkörpers (1) frei und stehen dort jeweils mit dem ersten und zweiten Elektrodenanschluß (12, 13) in Kontakt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen insbesondere zur Betätigung von Steuer- oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen geeigneten piezoelektrischen Aktor mit einem kreiszylindrischen piezoelektrischen Aktorkörper in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden einander abwechselnden ersten und zweiten Elektrodenschichten, wobei diese ersten und zweiten Elektrodenschichten jeweils abwechselnd durch einen ersten und zweiten elektrisch leitenden gemeinsamen Elektrodenanschluß kontaktiert sind.
Allgemein sind piezoelektrische Hochvoltaktoren in zylindrischer Bauform bekannt, die als Keramik- Einzelscheiben mit festen Elektroden zu einem Zylinder übereinandergestapelt werden (siehe z. B. US-Patent 4 460 842). Für die äußeren Elektrodenanschlüsse sind Elektrodenbleche zur Mantelfläche des Zylinderstapels geführt und dort im rechten Winkel so abgebogen, daß gegeneinander winkelversetzte streifenförmige Elektrodenanschlüsse entstehen, die jeweils einander zugeordnete Elektroden kontaktieren können.
Für den Einsatz eines piezoelektrischen Aktors zur Betätigung von Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen ist ein zylindrischer Aktor von Vorteil, da er den vorhandenen Bauraum in einem Injektorkörper und in einer kreisrunden Bohrung im Zylinderkopf des Verbrennungsmotors optimal ausnutzt. Dann kann in dem Injektorkörper oder -gehäuse neben dem Aktor auch eine Hochdruckbohrung geführt werden.
Die kreisrunde Kontur des Aktorkörpers erfordert eine spezielle Elektrodenstruktur, um eine elektrisch und mechanisch günstige Kontaktierung der Elektroden mit zugeordneten Elektrodenanschlüssen ausführen zu können.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Nach dem oben gesagten ist es Aufgabe der Erfindung einen piezoelektrischen Aktor, der sich insbesondere zur Betätigung von Steuer- oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eignet und der einen kreiszylindrischen piezoelektrischen Aktorkörper in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden, einander abwechselnd vorgesehenen ersten und zweiten Elektrodenschichten hat, so zu ermöglichen, daß eine mechanisch stabile, platzsparende und elektrisch sichere Kontaktierung der Elektrodenschichten mit den zugeordneten Elektrodenanschlüssen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
Die Lösung läßt sich in zwei erfindungsgemäße Aspekte gliedern:
  • - Bei dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt weist der kreiszylindrische Aktorkörper eine Innenbohrung auf, wobei der erste Elektrodenanschluß innen und der zweite Elektrodenanschluß außen oder auch beide Elektrodenanschlüsse in der Innenbohrung angebracht sind.
  • - Gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt ist der Aktorkörper ebenfalls kreiszylindrisch, hat aber keine Innenbohrung. Die Elektrodenanschlüsse befinden sich auf der Mantelfläche des zylindrischen Aktorkörpers und sind im Winkel gegeneinander versetzt, wobei dazu die ersten und zweiten Elektrodenschichten jeweilige Aussparungen aufweisen, die denjenigen Elektrodenanschluß isolierend umgeben, der mit dieser Elektrodenschicht nicht in Kontakt steht.
Auf diese Weise läßt sich ein vorteilhafter piezoelektrischer Aktor verwirklichen, dessen Außenkontur trotz der Elektrodenanschlüsse nicht oder kaum von der Kreiszylinderform abweicht, so daß ein solcher piezoelektrischer Aktor eng in eine kreiszylindrische Bohrung eines Injektorkörpers eingepaßt werden kann, wobei in der Wand des Injektorkörpers noch Platz für eine Hochdruckbohrung bleibt.
Die obigen und weitere Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beschreibenden Beschreibung noch deutlicher, wenn diese anhand der Zeichnung gelesen wird.
Zeichnung
Die Fig. 1A und 1B zeigen jeweils perspektivisch und in Form eines Längsschnitts einen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gestalteten piezoelektrischen Aktor.
Die Fig. 2A und 2B zeigen jeweils perspektivisch und als Längsschnitt eine Variante eines gemäß dem ersten Aspekt gestalteten erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors.
Die Fig. 3A und 3B zeigen jeweils perspektivisch und als Längsschnitt einen gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt gestalteten piezoelektrischen Aktor.
Die Fig. 4 bis 8 zeigen jeweils im Querschnitt Varianten des in den Fig. 3A und 3B gezeigten Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Aktors.
Ausführungsbeispiele
Die Fig. 1A zeigt einen kreiszylindrischen Aktorkörper 1, der mit einer zentrischen Innenlängsbohrung 2 versehen ist.
Gemäß Fig. 1B liegen erste Elektrodenschichten 10, die sich mit zweiten Elektrodenschichten 11 im piezoelek­ trischen Aktorkörper 1 abwechseln, an der durch die zentrische Innenlängsbohrung 2 gebildeten Innenwand 3 des Aktorkörpers 1 frei und stehen dort mit einem ersten gemeinsamen Elektrodenanschluß 12 in Kontakt, während die zweiten leitenden Elektrodenschichten 11 an der Zylinderaußenwand 4 des Aktorkörpers 1 frei liegen und dort mit einem zweiten gemeinsamen Elektrodenanschluß 13 in Kontakt stehen. Auf diese Weise ist der erste gemeinsame Elektrodenanschluß 12 innen und der zweite gemeinsame Elektrodenanschluß 13 auf der Außenseite des Aktorkörpers 1 weggeführt. In dem in Fig. 1B gezeigten Querschnitt durch den Aktorkörper 1 ist auch zu erkennen, daß die mit dem ersten gemeinsamen Elektrodenanschluß 12 in Kontakt stehenden ersten Elektrodenschichten 10 nicht bis zur Zylinderaußenwand 4 gehen und daß die zweiten mit dem zweiten gemeinsamen Elektrodenanschluß 13 in Kontakt stehenden Elektrodenschichten 11 nicht bis zu der durch die Bohrung 2 gebildeten Innenwand 3 des Aktorkörpers 1 reichen.
Prinzipiell können sowohl der erste gemeinsame Elektrodenanschluß 12 kreisrund die ganze Innenwand 3 als auch der zweite gemeinsame Elektrodenanschluß 13 kreisrund die gesamte Außenwand 4 des Aktorkörpers 1 bedecken. Alternativ können der erste und zweite Elektrodenanschluß 12 und 13 aber auch nur streifenförmig parallel zur Längsachse des Aktorkörpers 1 geführt sein.
Die in den Fig. 2A und 2B gezeigte Variante des gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt ausgeführten piezoelektrischen Aktors unterscheidet sich von der in den Fig. 1A und 1B dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, daß keine der ersten und zweiten Elektrodenschichten 10 und 11 an der Zylinderaußenwand 4 des Aktorkörpers 1 freiliegen, sondern statt dessen ausschließlich an der durch die Innenlängsbohrung 2 gebildeten Innenwand 3 jeweils in Kontakt mit dem ersten und zweiten gemeinsamen Elektrodenanschluß 12 und 13 stehen.
Der erste und zweite gemeinsame Elektrodenanschluß 12 und 13 bilden schmale Kontaktstreifen, die in Längsrichtung des Aktorkörpers 1 an dessen Innenwand 3 liegen.
Der Vorteil des in den Fig. 2A und 2B gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors liegt in der großen Ausnutzung der aktiven Piezoflächen.
Dagegen liegt der Vorteil des in den Fig. 1A und 1B gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Aktors darin, daß ein Vorspannungselement durch die Innenbohrung 2 z. B. in Form eines metallischen Stifts geführt sein kann, um eine mechanische Vorspannung auf die beiden Stirnflächen des Aktorkörpers 1 aufzubringen. Dadurch können an den Außenseiten des Aktorkörpers 1 geführte Spannbügel entfallen.
Ein gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt gestalteter piezoelektrischer Aktor hat, wie die Fig. 3A und 3B zeigen, keine Innenbohrung. Die sich abwechselnden ersten und zweiten Elektrodenschichten 10 und 11 liegen jeweils an einander gegenüberliegenden Mantelseiten des kreiszylindrischen Aktorkörpers 1 frei und stehen dort jeweils in Kontakt mit dem ersten und zweiten Elektrodenanschluß 12, 13. In der perspektivischen Darstellung in Fig. 3A ist zu erkennen, daß die für den ersten und zweiten Elektrodenanschluß 12, 13 jeweils zur Verfügung stehende Kontaktfläche prinzipiell bis nahe 180°C auf der Zylindermantelfläche reichen kann. Der erste und zweite Elektrodenanschluß 12, 13 bilden dann jeweils eine Halbschale auf der Zylindermantelfläche. Damit der erste und zweite Elektrodenanschluß 12, 13 voneinander isoliert sind, bleiben zwei einander diametral gegenüberliegende Streifen frei von Elektrodenanschlüssen.
Die in den Fig. 4A und 4B gezeigte Schnittansicht zeigt eine solche Variante mit breiten Kontaktflächen für den ersten und zweiten gemeinsamen Elektrodenanschluß 12 und 13. Gemäß Fig. 4B ist jede erste Elektrodenschicht 10 um den halbschaligen zweiten Elektrodenanschluß 13 herum ausgespart, wobei diese Aussparung 17 aus Keramik ohne Elektrodenmaterial besteht. Genauso ist jede zweite Elektrodenschicht 11 um den ersten gemeinsamen Elektrodenanschluß 12 herum ausgespart, damit dieser gegenüber der zweiten Elektrodenschicht 11 isoliert ist. Auch diese Aussparung 18 besteht aus Keramik ohne Elektrodenmaterial. Gemäß Fig. 4A und 4B ist die Form der Aussparungen 17 und 18 jeweils kreisbogenförmig, wobei der Bogen der ersten und zweiten Aussparung einen etwas größeren Winkelbereich einnimmt als die Halbschalen der zweiten und ersten Elektrodenanschlüsse.
Prinzipiell gilt, daß die Elektrodenfläche eines piezoelektrischen Aktors um so besser ausgenutzt ist, je kleiner die Kontaktflächen des ersten und zweiten gemeinsamen Elektrodenanschlusses werden. Eine Lösung dafür ist in den Fig. 5A, 5B, 6 und 7 gezeigt. Dabei bilden der erste und zweite Elektrodenanschluß 12 und 13 schmale, einander diametral gegenüberliegende Kontaktstreifen, die in Längsrichtung auf der Mantelaußenfläche 4 des piezoelektrischen Aktorkörpers 1 liegen. Die jeweiligen Aussparungen 17 und 18 können deshalb so klein werden, daß sie nur kleine Flächenabschnitte von der jeweiligen Elektrodenfläche der ersten und zweiten Elektrodenschichten 10 und 11 wegnehmen.
Die Varianten gemäß den Fig. 6 bis 8 zeigen, abweichend von den Fig. 4 und 5, lediglich eine Schnittansicht, wobei nur eine der Elektrodenschichten, z. B. eine der ersten Elektrodenschichten 10 und die um den Kontaktstreifen des zweiten Elektrodenanschlusses 13 herumliegende Aussparung 17 zu erkennen sind. Gemäß den Fig. 6 und 7 sind die Aussparungen 17 auf kleine Flächenabschnitte der ersten Elektrodenschichten 10 beschränkt. Genauso sind dann die (nicht zu erkennenden) Aussparungen 18 um den den ersten gemeinsamen Elektrodenanschluß 12 bildenden Kontaktstreifen herum geformt.
Gemäß Fig. 6 haben die Aussparungen 17 und 18 die Form eines Kreisabschnitts. Gemäß Fig. 7 haben die Aussparungen 17 und 18 jeweils die Form eines bogenförmigen Ausschnitts jeweils aus der ersten und zweiten Elektrodenschicht.
Anders als bei den Fig. 5 bis 7 sind in Fig. 8 die ersten und zweiten gemeinsamen Elektrodenanschlüsse 12 und 13 ähnlich wie in Fig. 4 in Form breiterer Halbschalen ausgeführt und jede Aussparung 17 der ersten Elektrodenschicht ist um den zweiten Elektrodenanschluß 13 herum etwa sichelmondförmig. Die gleiche Form hat dann die (in Fig. 8 nicht zu erkennende) zweite Aussparung 18 der zweiten Elektrodenschichten 11 um den ersten Elektrodenanschluß 12 herum.
Allen in den Fig. 3 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispielen ist eine versetzte Anordnung der ersten und zweiten Elektrodenschichten 10 und 11 gemäß Fig. 3B eigen, wobei jede die erste und zweite Elektrodenschicht 10 und 11 an diametral einander gegenüberliegenden Seiten der Zylindermantelfläche frei liegen und dort mit schmalen Kontaktstreifen des ersten und zweiten gemeinsamen Elektrodenanschlusses 12, 13 (siehe die Fig. 5, 6 und 7) oder mit breiteren Kontaktschalen des ersten und zweiten gemeinsamen Elektrodenanschlusses 12 und 13 (Fig. 4 und 8) in Kontakt stehen. Die Außenkonturen der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors weichen nicht oder kaum von der für den vorgesehen Einsatzzweck optimalen kreiszylindrischen Form ab.

Claims (10)

1. Piezoelektrischer Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuer- oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem kreiszylindrischen piezoelektrischen Aktorkörper (1) in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden einander abwechselnden ersten und zweiten Elektrodenschichten (10, 11), wobei diese ersten und zweiten Elektrodenschichten (10, 11) jeweils abwechselnd durch einen ersten und zweiten elektrisch leitenden gemeinsamen Elektrodenanschluß (12, 13) kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktorkörper (1) eine Innenlängsbohrung (2) aufweist und daß wenigstens der erste gemeinsame Elektrodenanschluß (12) an der durch die Innenlängsbohrung (2) gebildeten Innenwand (3) des Aktorkörpers (1) vorgesehen ist und dort mit jeder ersten Elektrodenschicht (10) in Kontakt steht.
2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite gemeinsame Elektrodenanschluß (13) an der Außenwand (4) des Aktorkörpers (1) vorgesehen ist und dort mit jeder zweiten Elektrodenschicht (11) in Kontakt steht.
3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der zweite gemeinsame Elektrodenanschluß (13) an der Innenwand (3) des Aktorkörpers (1) vorgesehen ist und dort mit jeder zweiten Elektrodenschicht (11) in Kontakt steht.
4. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Elektrodenanschluß (12, 13) an der Innenwand des Aktorkörpers schmale, einander diametral gegenüberliegende in Längsrichtung des Aktorkörpers (1) laufende Elektrodenstreifen bilden.
5. Piezoelektrischer Aktor insbesondere zur Betätigung von Steuer- oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem kreiszylindrischen piezoelektrischen Aktorkörper (1) in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden einander abwechselnden ersten und zweiten Elektrodenschichten (10, 11), wobei diese ersten und zweiten Elektrodenschichten (10, 11) jeweils abwechselnd durch einen ersten und zweiten elektrisch leitenden gemeinsamen Elektrodenanschluß (12, 13) kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektrodenschichten (10, 11) jeweils an zueinander winkelversetzten Stellen bis an die Zylinderaußenwand (4) des Aktorkörpers (1) führen und dort jeweils mit dem ersten und zweiten Elektrodenanschluß (12, 13) in Kontakt stehen.
6. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Zylinderaußenwand (4) des Aktorkörpers (1) freiliegenden Stellen der ersten und zweiten Elektrodenschichten und der erste und zweite mit ihnen in Kontakt stehende Elektrodenanschluß (12, 13) einander diametral gegenüberliegen.
7. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede erste Elektrodenschicht (10) um den zweiten Elektrodenanschluß (13) eine denselben isolierende Aussparung (17) aufweist.
8. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede zweite Elektro­ denschicht (11) um den ersten Elektrodenanschluß (12) eine denselben isolierende Aussparung (18) aufweist.
9. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Elektrodenanschluß (12, 13) schmale, in Längsrichtung des Aktorkörpers verlaufende Streifen bildet.
10. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Elektrodenanschluß (12, 13) eine breitere Kontaktfläche in Form eines in Längsrichtung des Aktorkörpers (1) laufenden Zylindermantelabschnitts bildet.
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