DE19928179B4

DE19928179B4 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE19928179B4
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: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2019-06-20
Also published as: US6784599B1; EP1192671A1; KR20020023960A; DE19928179A1; WO2000079611A1; CZ20014485A3; JP2003502998A

Abstract

Piezoaktor mit einem vorgespannten, keramischen Piezoelement (2) und einem im wesentlichen dazu parallel liegenden Ausgleichselement (3), wobei das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3) im wesentlichen den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen, und mit einem Federteller (5), der das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3) an einem Ende miteinander verbindet, wobei eine Feder (4) zwischen einem Gehäuse (6) und dem Federteller (5) angeordnet ist, die das Ausgleichselement (3) vorspannt, wobei das Ausgleichselement (3) mit seinem anderen Ende fest am Gehäuse (6) anstößt, wobei das Piezoelement (2) mit seinem anderen Ende über eine Druckplatte (8) und eine Vorspannfeder (7) am Gehäuse (6) anliegt, wobei das Ausgleichselement (3) und das Piezoelement (2) aus Hohlzylindern bestehen, durch deren Mitte ein mit der Druckplatte (8) fest verbundener und als Betätigungselement ausgebildeter Zugstab (9) derart geführt ist, dass die sich bei einer Verlängerung des Piezoelementes (2) sich ergebende Nutzkraft (F_nutz) des Piezoaktors eine Zugkraft ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen.
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des so genannten 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.
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 Piezoelement in Reihe ein Material mit hoher Temperaturdehnung zu schalten, womit sich jedoch die Steifigkeit des Systems und damit die Aktorkraft reduziert.
Der aus der US 4 550 744 A bekannte Piezoaktor weist zum Temperaturausgleich ein als Hohlzylinder ausgeführtes Ausgleichselement auf, das den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Piezoelement hat. Das Piezoelement ist massiv als Säule piezoelektrischer Scheiben ausgebildet. Das Piezoelement und das Ausgleichselement sind oberhalb eines Ventilsitzes angeordnet, während das Betätigungselement als Vorsprung des Kolbens ausgebildet ist und eine Öffnung des Ventilsitzes durchdringt. Demnach sind das Piezoelement bzw. Ausgleichselement und das Betätigungselement hintereinander angeordnet.
Weiterhin offenbart die DE 30 37 078 A1 ein elektrisch ansteuerbares Stellglied, das einen piezoelektrischen Wandler in Form eines massiven Stapels von Piezooxydscheiben umfasst. Das Ausgleichselement besteht aus mehreren rechteckigen, um den Wandler herum angeordneten Abstandselementen. Auch hier liegt das als Stempel ausgeführte Betätigungselement in Reihe zum Wandler.
Aus der DE 195 38 791 C2 ist ein Einspritzventil bekannt, das aus unterschiedlichen Werkstoffen besteht. Dadurch erhält der Piezoaktor und das Ventilgehäuse annähernd dieselbe Wärmeausdehnung.
Aus der EP 0 869 278 A1 ist ein Einspritzventil bekannt, bei der die thermische Längenänderung des Piezoaktors über Ausgleichsscheiben ausgeglichen wird, die in Serie mit dem Piezoaktor angeordnet sind.
Aus der DE 196 26 671 C1 ist ein piezoelektrischer Leistungsaktor bekannt, der eine hohlzylindrische Form aufweist, wobei die Kontaktierung an der Außenseite erfolgt.
Aus der DE 197 02 066 C2 ist ein piezoelektrischer Injektor bekannt, in dem ein hohlzylindrischer Piezoaktor vorgesehen ist. Der Piezoaktor liegt an einem Kopfteil an, mit dem wiederum ein Druckstift verbunden ist, so dass bei einer Verlängerung des Piezoaktors der Druckstift eine Zugkraft auf eine Dichtkugel eines Steuerventils ausübt.
Aus der WO 92/06532 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, der einen kreisrunden Querschnitt aufweist und eine Hülse, wobei zwischen der Hülse und dem Piezoaktor eine elastische Masse eingefüllt ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Piezoaktor mit Ausgleichselement in einem preisgünstig herstellbaren metallischen Gehäuse derart unterzubringen, dass unvermeidbare Differenzdehnungen zwischen dem metallischen Gehäuse und dem keramischen Piezoaktor keine Drift in der Position des Betätigungsglieds hervorrufen. Mit anderen Worten soll eine Anordnung geschaffen werden, bei der temperaturbedingte Dehnungen an Piezo- und Ausgleichselement einander entgegen wirken und sich gegenseitig ausgleichen, ohne dass dazu teure Werkstoffe oder in Reihe mit dem Piezoelement geschaltete und die Systemsteifigkeit beeinträchtigende Materialien einzusetzen sind. Diese Aufgabe wird von einem Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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 parallel angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Piezoelement und das Ausgleichselement im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen, so dass die temperaturbedingte Dehnungen des Piezoelements und des Ausgleichselements sich bei einer geeigneten mechanischen Anbringung der beiden Elemente in Wirkrichtung 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 Gehäuse, beispielsweise aus Stahl, für den Piezoaktor verwendet wird und das Piezoelement im Gehäuse derart verspannbar ist, dass das Ausgleichselement zur Temperaturkompensation immer fest mit dem Piezoelement verbunden ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform liegt das Piezoelement in seiner Wirkrichtung mit einem Ende über eine Feder an einer Fixierkante eines Gehäuses und mit dem anderen Ende über die Druckplatte und eine Vorspannfeder an einer anderen Fixierkante des Gehäuses an. Es ist weiterhin ein Federteller vorhanden, der zwischen dem Piezoelement und der Feder angeordnet ist. Auf diesem Federteller ist erfindungsgemäß zusätzlich das Ausgleichselement angeordnet, das mit dem anderen Ende fest am Gehäuse anstößt 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 hergestellt, die sich bei geeigneter Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verlängern. Das Ausgleichselement ist ebenfalls aus Keramik mit dem gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten wie die Lagen der Piezokeramik aufgebaut, wobei diese Keramik jedoch keinen Piezoeffekt aufweist. Eine mögliche Differenzdehnung zwischen dem Gehäuse des Piezoaktors und dem Piezoelement, die zu einer Auslenkung des Betätigungselements führen würde, wird somit über die Feder, die zwischen dem Federteller und der Fixierkante des Gehäuse liegt, ausgeglichen.
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 verlängern. Das Ausgleichselement ist hier jedoch aus längs angeordneten Piezolagen aufgebaut, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verkürzen. Auch hier kann eine mögliche Differenzdehnung zwischen dem Gehäuse des Piezoaktors und dem Piezoelement, wie zuvor erwähnt, durch einen gleichen Temperaturkoeffizienten des Piezoelements und des Ausgleichselements und den Ausgleich über die erwähnte Feder ausgeglichen werden. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform ermöglicht 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.
Bei einer ersten Anwendung des erfindungsgemäßen Piezoaktors kann in vorteilhafter Weise das Ende des Piezoelements mit dem es an der Druckplatte anliegt und somit das Betätigungselement mit einer Kraft beaufschlagt, an der in Wirkrichtung abgewandten Seite des Piezoaktors angeordnet sein. In diesem Fall ist die Nutzkraft des Piezoaktors eine Zugkraft.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen 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 mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen temperaturkompensierten Piezoaktors, beispielsweise zur Positionierung eines Ventils, werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen mit einer Zugkraft wirkenden Piezoaktor mit einem Ausgleichselement aus Keramik;
2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A aus 1 mit einem stabförmigen Aufbau des Piezoelements nach der 1 und einer ersten Möglichkeit der Kontaktierung;
3 einen Schnitt entsprechend der 2 mit einer zweiten Möglichkeit der Kontaktierung;
4 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A aus 1 mit einem hohlzylindrischen Aufbau des Piezoelements nach der 1;
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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 gezeigten Elektroden eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt.
Bei dem Piezoaktor 1 nach der 1 ist das Piezoelement 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 Gehäuse 6 gepresst. Die Elemente 2 und 3 haben dabei den gleichen Temperaturdehnungskoeffizienten. Das Piezoelement 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 verbunden, der das Betätigungselement, beispielsweise für einen Ventilstössel, darstellt.
Die Vorspannkraft F₇ der Feder 7 muß dabei wesentlich geringer 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: Fnutz = F4 – F7
Die Steifigkeiten der Federn 4 und 7 sollten dabei möglichst klein sein. Da die Temperaturdehnung des Piezoelements 2 gleich der des Ausgleichselements 3 ist, wird eine mögliche Differenzdehnung zwischen Gehäuse 6 und Piezoelement 2 über die Feder 4 ausgeglichen.
Aus 2 und 3 ist jeweils eine Anordnung mit stabförmigen Piezoelementen 2 und Ausgleichselementen 3 in einer Schnittansicht A-A aus der 1 ersichtlich. Die Kontaktierungen 10, 11 der Piezoelemente 2 sind bei der Anordnung nach der 2 in der Y-Richtung und Kontaktierungen 12, 13 nach der 3 in der X-Richtung vorgenommen.
Aus 4 ist eine Anordnung mit hohlzylindrischen Piezoelementen 2 und Ausgleichselementen 3 ebenfalls in einer Schnittansicht A-A aus der 1 ersichtlich. Die Kontaktierungen 14 und 15 der Piezoelemente 2 sind bei dieser Anordnung an den radialen Seitenflächen des Piezoelements 2 angebracht.

Claims

Piezoaktor mit einem vorgespannten, keramischen Piezoelement (2) und einem im wesentlichen dazu parallel liegenden Ausgleichselement (3), wobei das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3) im wesentlichen den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen, und mit einem Federteller (5), der das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3) an einem Ende miteinander verbindet, wobei eine Feder (4) zwischen einem Gehäuse (6) und dem Federteller (5) angeordnet ist, die das Ausgleichselement (3) vorspannt, wobei das Ausgleichselement (3) mit seinem anderen Ende fest am Gehäuse (6) anstößt, wobei das Piezoelement (2) mit seinem anderen Ende über eine Druckplatte (8) und eine Vorspannfeder (7) am Gehäuse (6) anliegt, wobei das Ausgleichselement (3) und das Piezoelement (2) aus Hohlzylindern bestehen, durch deren Mitte ein mit der Druckplatte (8) fest verbundener und als Betätigungselement ausgebildeter Zugstab (9) derart geführt ist, dass die sich bei einer Verlängerung des Piezoelementes (2) sich ergebende Nutzkraft (F_nutz) des Piezoaktors eine Zugkraft ist.
Piezoaktor nach Anspruch 1, 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.
Piezoaktor nach Anspruch 1, 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 Ausgleichsele ment (20) aus längs angeordneten Piezolagen besteht, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verkürzen.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Piezoelement (2) und dem Ausgleichselement (3; 20) eine Wärmeleitpaste angeordnet ist.