DE19928179A1

DE19928179A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE19928179A1
Application number: DE19928179A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Stoecklein; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-06-19
Filing date: 1999-06-19
Publication date: 2001-01-04
Anticipated expiration: 2019-06-20
Also published as: KR20020023960A; CZ20014485A3; EP1192671A1; DE19928179B4; JP2003502998A; US6784599B1; WO2000079611A1

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, bei dem ein Piezoelement (2) zur Beaufschlagung eines Betätigungselements (9) mit einer Zug- oder Druckkraft und ein Ausgleichselement (3; 20) vorhanden ist, wobei das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3; 20) im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungskoeffizienten aufweisen. Das Ausgleichselement (3; 20) ist mechanisch derart mit dem Piezoelement (2) gekoppelt, dass die temperaturbedingten Dehnungen des Piezoelements (2) und des Ausgleichselements (3; 20) sich in Wirkrichtung derart aufheben, dass das Betätigungselement (9) in seiner Lage verbleibt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des soge nannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung er folgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebe reiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.

Bei der Positionierung von Ventilen werden die zuvor ge nannten Piezoaktoren häufig eingesetzt. Dabei ist hier unter anderem zu beachten, dass ihr Hubvermögen zur Betä tigung, beispielsweise eines Ventilstössels, relativ klein ist. Andererseits führt die unterschiedliche Wärme dehnung der Keramik des Piezoelements und des Gehäuses dadurch zu Problemen; das Piezoelement hat eine sehr ge ringe Temperaturdehnung und das, in der Regel metallische Gehäuse hat eine positive Temperaturdehnung, was zu einer Drift der Position des Ventilstössels ohne eine Ansteue rung des Piezoelements führen kann.

In üblicher Weise konnte man solche Störeffekte bisher nur durch die Anwendung sehr teurer Materialien, wie z. B. Invar, vermindern, die eine negative Temperaturdehnung aufweisen. Ein anderer Weg bestand darin, zum Piezoele ment in Reihe ein Material mit hoher Temperaturdehnung zu schalten, womit sich jedoch die Steifigkeit des Systems und damit die Aktorkraft reduziert.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, weist in vorteilhafter Weise ein Piezoelement auf, zu dem erfindungsgemäß ein Ausgleichselement paral lel angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Piezoelement und das Ausgleichselement im wesentli chen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufwei sen, so dass die temperaturbedingte Dehnungen des Piezo elements und des Ausgleichselements sich bei einer geeig neten mechanischen Anbringung der beiden Elemente in Wir krichtung derart aufheben, dass ein mit einer Druckplatte des Piezoelements fest verbundenes Betätigungselement in seiner Lage verbleibt. Es kann somit auf einfache Weise erreicht werden, dass nach wie vor ein metallisches Ge häuse, beispielsweise aus Stahl, für den Piezoaktor ver wendet wird und das Piezoelement im Gehäuse derart ver spannbar ist, dass das Ausgleichselement zur Temperatur kompensation immer fest mit dem Piezoelement verbunden ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform liegt das Piezo element in seiner Wirkrichtung mit einem Ende über eine Feder an einer Fixierkante eines Gehäuses und mit dem an deren Ende über die Druckplatte und eine Vorspannfeder an einer anderen Fixierkante des Gehäuses an. Es ist weiter hin ein Federteller vorhanden, der zwischen dem Piezoele ment und der Feder angeordnet ist. Auf diesem Federteller ist erfindungsgemäß zusätzlich das Ausgleichselement an geordnet, das mit dem anderen Ende fest am Gehäuse an stößt und darüber hinaus parallel zu dem Piezoelement liegt.

Bei einer ersten weitergebildeten Ausführungsform ist das Piezoelement aus einem Mehrschichtaufbau von quer zur Wirkrichtung angeordneten keramischen Piezolagen herge stellt, die sich bei geeigneter Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verlängern. Das Ausgleichselement ist ebenfalls aus Keramik mit dem glei chen Temperaturdehnungkoeffizienten wie die Lägen der Piezokeramik aufgebaut, wobei diese Keramik jedoch keinen Piezoeffekt aufweist. Eine mögliche Differenzdehnung zwi schen dem Gehäuse des Piezoaktors und dem Piezoelement, die zu einer Auslenkung des Betätigungselements führen würde, wird somit über die Feder, die zwischen dem Feder teller und der Fixierkante des Gehäuse liegt, ausgegli chen.

Bei einer zweiten Ausführungsform ist das Piezoelement ebenfalls aus einem Mehrschichtaufbau von quer angeordne ten keramischen Piezolagen gebildet, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung ver längern. Das Ausgleichselement ist hier jedoch aus längs angeordneten Piezolagen aufgebaut, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung ver kürzen. Auch hier kann eine mögliche Differenzdehnung zwischen dem Gehäuse des Piezoaktors und dem Piezoele ment, wie zuvor erwähnt, durch einen gleichen Temperatur koeffizienten des Piezoelements und des Ausgleichsele ments und den Ausgleich über die erwähnte Feder ausgegli chen werden. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform er möglicht aber zusätzlich noch eine Vergrößerung des Hubs des Piezoaktors wodurch auf andere zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. eine hydraulische Kopplung, verzichtet werden kann. Durch den vergrößerten Hub kann ebenfalls auch eine eventuell sonst notwendige Hubübersetzung entfallen.

In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung kann das Piezoelement und das Ausgleichselement stabförmig mit rundem oder rechteckigem Querschnitt aufgebaut sein. Es ist hier auch möglich, dass das Piezoelement und das Aus gleichselement aus Hohlzylindern bestehen, die um die Achse des Betätigungselements angeordnet sind, um einen insgesamt zylindrischen Aufbau des Piezoaktors zu er leichtern.

Bei einer ersten Anwendung des erfindungsgemäßen Piezoak tors kann in vorteilhafter Weise das Ende des Piezoele ments mit dem es an der Druckplatte anliegt und somit das Betätigungselement mit einer Kraft beaufschlagt, an der in Wirkrichtung abgewandten Seite des Piezoaktors ange ordnet sein. In diesem Fall ist die Nutzkraft des Piezo aktors eine Zugkraft.

Nach einer zweiten vorteilhaften Anwendung ist das Ende des Piezoelements mit dem es an der Druckplatte anliegt, an der in Wirkrichtung liegenden Seite des Piezoaktors angeordnet. In diesem zweiten Fall ist die Nutzkraft des Piezoaktors eine Druckkraft.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen temperaturkom pensierten Piezoaktors, beispielsweise zur Positionierung eines Ventils, werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen mit einer Zugkraft wirkenden Piezoaktor mit einem Ausgleichselement aus Keramik;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 1 mit einem stabförmigen Aufbau des Piezo elements nach der Fig. 1 und einer ersten Möglich keit der Kontaktierung;

Fig. 3 einen Schnitt entsprechend der Fig. 2 mit einer zweiten Möglichkeit der Kontaktierung;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 1 mit einem hohlzylindrischen Aufbau des Piezoelements nach der Fig. 1;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen mit einer Druck kraft wirkenden Piezoaktor mit einem Ausgleichsele ment aus piezokeramischen Lagen;

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 5 mit einem stabförmigen Aufbau der Piezo elemente nach der Fig. 5 und einer ersten Möglich keit der Kontaktierung;

Fig. 7 einen Schnitt entsprechend der Fig. 6 mit einer zweiten Möglichkeit der Kontaktierung und

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 5 mit einem hohlzylindrischen Aufbau der Piezoelemente nach der Fig. 5.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der ein Piezo element 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 gezeigten Elektroden eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt.

Bei dem Piezoaktor 1 nach der Fig. 1 ist das Piezoele ment 2 aus Keramik und ein Ausgleichselement 3 ebenfalls aus Keramik, allerdings ohne Piezoeffekt, mit einer Feder 4 über einen Federteller 5 gegen eine Fixierkante des Ge häuse 6 gepresst. Die Elemente 2 und 3 haben dabei den gleichen Temperaturdehnungskoeffizienten. Das Piezoele ment 2 wird von oben mit der Vorspannfeder 7 und einer Druckplatte 8 vorgespannt, wobei das Piezoelement 2 so mit quer geschichteten Lagen aufgebaut ist, dass es sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung verlängert. Die Druckplatte 8 ist dabei fest mit einem Zugstab 9 verbun den, der das Betätigungselement, beispielsweise für einen Ventilstössel, darstellt.

Die Vorspannkraft F₇ der Feder 7 muß dabei wesentlich ge ringer als die Vorspannkraft F₄ der Feder 4 sein, so dass für die maximale Nutzkraft F_nutz, hier als Zugkraft, des Piezoaktors 1 folgende Beziehung gilt:

F_nutz = F₄ - F₇

Die Steifigkeiten der Federn 4 und 7 sollten dabei mög lichst klein sein. Da die Temperaturdehnung des Piezoele ments 2 gleich der des Ausgleichselements 3 ist, wird ei ne mögliche Differenzdehnung zwischen Gehäuse 6 und Pie zoelement 2 über die Feder 4 ausgeglichen.

Aus Fig. 2 und Fig. 3 ist jeweils eine Anordnung mit stabförmigen Piezoelementen 2 und Ausgleichselementen 3 in einer Schnittansicht A-A aus der Fig. 1 ersichtlich. Die Kontaktierungen 10, 11 der Piezoelemente 2 sind bei der Anordnung nach der Fig. 2 in der Y-Richtung und Kon taktierungen 12, 13 nach der Fig. 3 in der X-Richtung vorgenommen.

Aus Fig. 4 ist eine Anordnung mit hohlzylindrischen Pie zoelementen 2 und Ausgleichselementen 3 ebenfalls in ei ner Schnittansicht A-A aus der Fig. 1 ersichtlich. Die Kontaktierungen 14 und 15 der Piezoelemente 2 sind bei dieser Anordnung an den radialen Seitenflächen des Piezo elements 2 angebracht.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des Piezoaktor 1 ist in Fig. 5 gezeigt, wobei hier die gleich wirkenden Bauele mente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der Fig. 1 versehen sind. Auch bei der Anordnung nach der Fig. 5 ist das Piezoelement 2 aus einer entsprechenden Piezoke ramik; ein Ausgleichselement 20 ist jedoch ebenfalls als ein Piezoelement aufgebaut, wobei diese Elemente 2 und 20 hier in Abwandlung zum Beispiel nach der Fig. 1 mit der Feder 4 über den Federteller 5 gegen eine obenliegende Fixierkante des Gehäuse 6 gepresst werden.

Das Piezoelement 2 ist dabei quer geschichtet, so dass es sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung wie beim ersten Ausführungsbeispiel verlängert. Die Piezolagen des Ausgleichselements 20 sind dagegen längs geschichtet, so dass diese sich bei Anlage einer elektrischen Spannung in Wirkrichtung des Piezoaktors 1 verkürzen.

Die Vorspannkraft der Feder 7, über die das untere Ende des Piezoelements 2 am Gehäuse anliegt, muss dabei we sentlich geringer als die Vorspannkraft der Feder 4 sein, so dass für die maximale Nutzkraft F_nutz, hier als Druck kraft, des Piezoaktors 1 folgende Beziehung gilt:

F_nutz = F₇ - F₄

Die Steifigkeiten der Federn 4 und 7 sollten dabei auch hier möglichst klein sein. Beim Anlegen einer elektri schen Spannung an beide Elemente 2 und 20 erhält man als Nutzhub die Summe der beiden Einzelhübe der beiden Ele mente 2 und 20. Da die Temperaturdehnung der beiden Ele mente 2 und 20 auch hier gleich ist, wird eine mögliche Differenzdehnung zwischen dem Gehäuse 6 und dem Piezoele ment 2 auch hier über die Feder 4 ausgeglichen.

Aus Fig. 6 und Fig. 7 ist eine Anordnung mit einem stabförmigen Piezoelement 2 und ebenfalls stabförmigen Ausgleichselementen 20 in einer Schnittansicht A-A aus der Fig. 5 ersichtlich. Die Kontaktierungen des Piezo elements 2 sind nach der Fig. 6 in X-Richtung und des Ausgleichselements 20 in Y-Richtung sowie bei der Anord nung nach der Fig. 7 beim Piezoelement 2 in der Y- Richtung und bei den Ausgleichselementen 20 in der X- Richtung vorgenommen.

Aus Fig. 8 ist eine Anordnung mit hohlzylindrischen Pie zoelementen 2 und Ausgleichselementen 20 ebenfalls in ei ner Schnittansicht A-A aus der Fig. 5 ersichtlich. Die Kontaktierungen 14 und 15 des Piezoelements 2 und des Ausgleichselements 20 sind bei dieser Anordnung an den radialen Seitenflächen angebracht.

Claims

1. Piezoaktor, mit

- einem Piezoelement (2) zur Beaufschlagung eines Betä tigungselements (9) mit einer Zug- oder Druckkraft und einem Ausgleichselement (3; 20), wobei das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3; 20) im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen und wobei
- das Ausgleichselement (3; 20) mechanisch derart mit dem Piezoelement (2) gekoppelt ist, dass die temperaturbe dingte Dehnungen des Piezoelements (2) und des Aus gleichselements (3; 20) sich in Wirkrichtung derart aufheben, dass das Betätigungselement (9) in seiner Lage verbleibt.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Piezoelement (2) in seiner Wirkrichtung mit einem Ende über eine Feder (4) an einer Fixierkante eines Gehäuses (6) anliegt und mit dem anderen Ende über ei ne Druckplatte (8) und eine Vorspannfeder (7) an einer anderen Fixierkante des Gehäuses (6) anliegt und mit
- einem Federteller (5), der zwischen dem Piezoelement (2) und der Feder (4) angeordnet ist, auf dem zusätz lich das Ausgleichselement (3; 20) angeordnet ist, wel ches mit dem anderen Ende fest am Gehäuse (6) anstößt und dabei im wesentlichen parallel zu dem Piezoelement (2) liegt.

3. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Piezoelement (2) aus einem Mehrschichtaufbau von quer angeordneten keramischen Piezolagen besteht, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verlängern und das Ausgleichselement (3) aus Keramik aufgebaut ist.

4. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Piezoelement (2) aus einem Mehrschichtaufbau von quer angeordneten keramischen Piezolagen besteht, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verlängern und dass
- das Ausgleichselement (20) aus längs angeordneten Pie zolagen besteht, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verkürzen.

5. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3; 20) stabförmig mit rundem oder rechteckigem Querschnitt aufgebaut ist.

6. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3; 20) aus Hohlzylindern bestehen, die um die Achse des Betä tigungselements (9) angeordnet sind.

7. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Ende des Piezoelements (2) mit dem es an der Druckplatte (8) anliegt, an der in Wirkrichtung abge wandten Seite des Piezoaktors (2) angeordnet ist, so dass die Nutzkraft (_Fnutz) des Piezoaktors (1) eine Zug kraft ist.

8. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Ende des Piezoelements (2) mit dem es an der Druckplatte (8) anliegt, an der in Wirkrichtung lie genden Seite des Piezoaktors (2) angeordnet ist, so dass die Nutzkraft (F_nutz) des Piezoaktors (1) eine Druckkraft ist.

9. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- zwischen dem Piezoelement (2) und dem Ausgleichselement (3; 20) eine Wärmeleitpaste angeordnet ist.