DE19928185A1

DE19928185A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE19928185A1
Application number: DE19928185A
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: CN1735979A; US6617766B1; WO2000079606A2; EP1198850A2; DE19928185B4; KR20020023236A; JP2003502564A; HUP0201752A2; WO2000079606A3

Abstract

Es wird ein Piezoaktor vorgeschlagen, bei dem mindestens ein Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) zur Beaufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft vorhanden ist. Es sind weiterhin Stabilisierungselemente (9; 22) angeordnet, die parallel zum Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) mit einer zwischen den Elementen liegenden flexiblen Zwischenschicht (11) angebracht sind. Das Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) und die Stabilisierungselemente (9; 22) weisen dabei eine in Wirkrichtung (z-Achse) große Länge im Verhältnis zu ihrer Breite quer zur Wirkrichtung (x,y-Richtung) auf.

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, bei vergleichsweise großer Kraft. Zu einer Vergrößerung des Nutzhubes ist es deshalb zum Teil üblich eine mechanische oder hydraulische Wegübersetzung vorzu sehen. Solche mechanischen oder hydraulischen Wegüberset zungssysteme bedeuten aber einen höheren Aufwand und da mit höhere auch höhere Kosten.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor weist in vorteilhaf ter Weise mindestens ein Piezoelement auf, das zur Beauf schlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft geeignet ist. Erfindungsgemäß sind Stabilisie rungselemente vorhanden, die parallel zum Piezoelement mit einer zwischen den Elementen liegenden flexiblen Zwi schenschicht angeordnet sind, wobei das Piezoelement und die Stabilisierungselemente eine in Wirkrichtung (z- Achse) große Länge im Verhältnis zu ihrer Breite quer zur Wirkrichtung (x,y-Richtung) aufweisen. Ein vorteilhafte Größenordnung wäre beispielsweise ein Verhältnis von Län ge (z-Richtung) zu Breite (x,y-Richtung) in etwa von 5 : 1 bis zu 50 : 1.

Bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform sind die Stabilisierungselemente aus Stahl und zwischen einer im Gehäuse des Piezoaktors fest eingespannten Grund- oder Stützplatte und einer Fixierkante im Gehäuse gehalten. Das Gehäuse ist hier in der Regel ebenfalls aus Stahl hergestellt. Das Piezoelement ist dabei zwischen der Grundplatte und einem Federteller gehalten, der über eine Vorspannfeder ebenfalls am Gehäuse anliegt und das Betä tigungselement führt.

Mit der Erfindung ist auf einfache Weise ein langer schmaler Piezoaktor geschaffen, der mechanisch relativ unempfindlich, z. B. bei Vibrationen bei einer Anwendung im Motorraum eines Kraftfahrzeuges, ist. Durch den großen Hub aufgrund der langen schmalen Bauweise kann eine Hubübersetzung entfallen, wobei mit dem Piezoaktor prin zipiell Zug- oder Druckkräfte erzeugbar sind.

Dadurch, dass zwischen den Stabilisierungselementen und dem Piezoelement eine flexible Zwischenschicht, bei spielsweise ein Kunststoff, wie ein Polymer oder ähnli ches, angebracht ist, kann eine Längsbewegung, die eine Relativbewegung zwischen dem Piezoelement und dem Stabi lisierungselement darstellt, zugelassen werden. Eine Schwingbewegung des Piezoelements in x- oder y-Richtung kann dabei jedoch vermieden werden. Es können somit auf einfache Weise Biegespannungen im Piezoelement verhindert werden, welche eventuell zur Zerstörung des Piezoaktors führen könnten.

Die zuvor erwähnte konkrete Ausführungsform liefert nach unten gerichtete Druckkräfte und ist nicht temperaturkom pensiert. Bei einer zweiten Ausführungsform sind das Pie zoelement und die Stabilisierungselemente aus Keramikma terialien, die im wesentlichen den gleichen Temperatur dehnungkoeffizienten aufweisen, so dass diese Ausfüh rungsform temperaturkompensiert ist. Das Stabilisierungs element ist auch hier zwischen einer Grundplatte und ei ner Fixierkante im Gehäuse gehalten, wobei die Grundplat te jedoch über eine Feder am Gehäuse anliegt.

Das Stabilisierungselement ist bei der letztgenannten Ausführungsform mechanisch derart mit dem Piezoelement gekoppelt, dass die temperaturbedingte Dehnungen des Pie zoelements und der Stabilisierungselemente sich in Wir krichtung derart aufheben, dass das Betätigungselement in seiner Lage verbleibt, also keine Nullpunktdrift auf tritt. Das Piezoelement ist zwischen der Grundplatte und einem Federteller gehalten, der über eine Vorspannfeder ebenfalls am Gehäuse anliegt und das Betätigungselement führt. Hierbei muss die Kraft der Vorspannfeder wesent lich höher als die der Feder an der Grundplatte, so dass die unterschiedlichen Temperaturdehnungen zwischen dem Gehäuse und dem Material des Piezoelements über die Feder ausgeglichen werden. Zusätzliche Maßnahmen der Tempera turkompensation, wie bisher vielfach durch hydraulische Kopplung vorgesehen, sind hier nicht mehr nötig.

Das Piezoelement kann bei der Erfindung aus quer ge schichteten Piezolagen aufgebaut sein und somit eine Druckkraft auf das Betätigungselement ausüben oder aus längs geschichteten Piezolagen aufgebaut sein und somit eine Zugkraft auf das Betätigungselement ausüben.

Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen besteht das Stabiliserungselement aus jeweils senkrecht zum Schicht aufbau des Piezoelements liegenden Piezolagen, die in gleicher Weise mit einer Spannung angesteuert werden wie das Piezoelement. Mit diesen Ausführungsformen wird durch den zusätzlichen Hub der Stabilisierungselemente zusätz lich zur Temperaturkompensation auch noch der Nutzhub vergrößert. Die Kontaktierung des Piezolagen kann dabei in der Zwischenschicht liegen oder auch außerhalb.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Er findung sind zwei Piezoelemente symmetrisch zu einem das Betätigungselement darstellenden Zugstab von der Zwi schenschicht umgeben im Gehäuse des Piezoaktors angeord net. Die Piezoelemente sind hier zwischen einer mit dem Zugstab verbundenen Stützplatte und einer Fixierkante im Gehäuse gehalten und die Stützplatte liegt über eine Fe der zur Vorspannung am Gehäuse an.

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 Piezoaktors in schmaler Bauweise, beispielsweise zur Positionierung ei nes Ventils, werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen nicht temperatur kompensierten Piezoaktor mit Stabilisierungselemen ten aus Stahl;

Fig. 2 einen Detailschnitt entlang einer Schnittli nie A-A aus der Fig. 1 mit einer ersten Kontaktie rungsmöglichkeit des Piezoelements;

Fig. 3 einen Detailschnitt entlang einer Schnittli nie A-A aus der Fig. 1 mit einer zweiten Kontaktie rungsmöglichkeit des Piezoelements;

Fig. 4 einen Schnitt durch ein temperaturkompen siertes, quergeschichtetes Piezoelement des Piezoak tors mit einem Stabilisierungselement aus Keramik;

Fig. 5 einen Schnitt durch ein temperaturkompen siertes längsgeschichtetes Piezoelements des Piezo aktors mit einem Stabilisierungselement aus Keramik;

Fig. 6 einen Detailschnitt entlang einer Schnittli nie A-A aus der Fig. 5 mit einer ersten Kontaktie rungsmöglichkeit des Piezoelements;

Fig. 7 einen Detailschnitt entlang einer Schnittli nie A-A aus der Fig. 5 mit einer zweiten Kontaktie rungsmöglichkeit des Piezoelements und

Fig. 8 einen Schnitt durch einen nicht temperatur kompensierten Piezoaktor mit zwei Piezoelementen die beidseitig eines Zugstabes angeordnet sind.

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 Elektroden 3 und 4 eine mechani sche Reaktion des Piezoaktors 1 in Form einer Kraft F_nutz erfolgt. Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ist nicht temperaturkompensiert und liefert eine Druckkraft F_nutz.

Das relativ lange und dünne Piezoelement 2 wird durch ei ne Vorspannfeder 6 und einen darüber angeordneten Feder teller 7 am unteren Ende mit dem oberen Ende an eine Grund- oder Stützplatte 8 angedrückt. Die Stützplatte 8 wird mit beidseitig symmetrisch zum Piezoelement 2 ange ordneten Stabilisierungselementen 9 verspannt, die sich oben und unten am Gehäuse 10 des Piezoaktors 1 abstützen. Zwischen den Stabilisierungselementen 9 und dem Piezoele ment 2 befindet sich längs als Zwischenschicht 11 ein flexibler Kunststoff, z. B. Polymer. Die flexible Zwi schenschicht 11 hat die Aufgabe, eine Längsbewegung, d. h. die Relativbewegung zwischen dem Piezoelement 2 und den Stabilisierungselementen 9, zuzulassen, eine Schwingbewe gung des Piezoelements in x- oder y-Richtung jedoch zu verhindern.

Aus Fig. 2 und 3 sind Möglichkeiten eines Anschlusses der Kontakte 3 und 4 des Piezoelements 2 angedeutet, der entweder in x- oder y-Richtung erfolgen kann und dabei entweder in der Zwischenschicht 11 oder auch außerhalb liegt.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 20 ist in Fig. 4 gezeigt, wobei hier die gleich wirkenden Bau elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der Fig. 1 versehen sind. Bei der Anordnung nach der Fig. 4 ist ein Piezoelement 21 und es sind Stabilisierungsele mente 22 vorhanden, die aus einem Keramikwerkstoff mit annähernd gleichem Temperaturdehnungkoeffizienten wie das Piezoelement 21 hergestellt sind. Die Stützplatte 8 ist hier über eine Feder 23 im Gehäuse 10 vorgespannt, wobei die Vorspannkraft der Feder 23 dabei wesentlich höher sein muss als die der Vorspannfeder 6, damit die unter schiedlichen Temperaturdehnungen zwischen dem Gehäuse 10 und dem Piezoelement 21 über die Feder 23 ausgeglichen werden können.

Eine Betätigung des Piezoaktors 20 führt auch bei diesem Ausführungsbeispiel zu einer axialen Ausdehnung des Pie zoelements 21 und damit zu einer Druckkraft FnutZ gegen die Vorspannung der Vorspannfeder 6. Da auch hier das Piezoelement 21 und die Stabilisierungselemente 22 im we sentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen, führt die temperaturbedingte Dehnungen des Piezoelements 21 und des Stabilisierungselements 22 bei der vorgeschlagenen mechanischen Anbringung zu einer Auf hebung der Einflüsse der beiden Elemente 21 und 22 in Wirkrichtung. Somit kann das mit der Federplatte 7 des Piezoelements 21 verbundene Betätigungselement in seiner Lage verbleiben.

Ein drittes Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 30 ist in Fig. 5 gezeigt, wobei auch hier die gleich wirkenden Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der Fig. 1 oder 4 versehen sind. Bei der Anordnung nach der Fig. 5 ist lediglich ein Piezoelement 31 im Unterschied zu der Anordnung nach der Fig. 4 mit längsgeschichteten Piezolagen versehen. Eine Betätigung des Piezoaktors 30 führt bei diesem Ausführungsbeispiel zu einer axialen Verkürzung des Piezoelements 31 und damit zu einer auf das Betätigungselement wirkenden Zugkraft F_nutz.

Aus Fig. 6 und 7 sind hier ebenfalls Möglichkeiten ei nes Anschlusses der Kontakte 3 und 4 des Piezoelements 31 angedeutet, die mit entsprechend ausgerichteten Piezola gen auch entweder in x- oder y-Richtung erfolgen können und dabei entweder in der Zwischenschicht 11 oder auch außerhalb liegen.

Aus Fig. 8 ist eine weiteres Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 40 ersichtlich, wobei auch hier die gleich wirkenden Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der Fig. 1, 4 oder 5 versehen sind. Bei der An ordnung nach der Fig. 8 sind zwei Piezoelemente 41 und 42 symmetrisch zu einem das Betätigungselement darstel lenden Zugstab 43 angeordnet. Die Piezoelemente 41 und 42 und der Zugstab 43 sind von der Zwischenschicht 11 umge ben im Gehäuse 10 des Piezoaktors 40 angeordnet. Die Pie zoelemente 41 und 42 sind hier außerdem zwischen einer mit dem Zugstab verbundenen Stützplatte 44 und über die Feder 23 an einer oberen Fixierkante im Gehäuse 10 und einer unteren Fixierkante im Gehäuse 10 gehalten. Diese Anordnung liefert als Kraft F_nutz eine Zugkraft und ist nicht temperaturkompensiert.

Claims

1. Piezoaktor, mit

- Mindestens einem Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) zur Be aufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft und mit
- Stabilisierungselementen (9; 22), die parallel zum Pie zoelement (2; 21; 31; 41, 42) mit einer zwischen den Ele menten liegenden flexiblen Zwischenschicht (11) ange ordnet sind, wobei das Piezoeelement (2; 21; 31; 41, 42) und die Stabilisierungselemente (9; 22) eine in Wir krichtung (z-Achse) große Länge im Verhältnis zu ihrer Breite quer zur Wirkrichtung (x,y-Richtung) aufweisen.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Verhältnis von Länge (z-Richtung) zu Breite (x,y- Richtung) in etwa 5 : 1 bis zu 50 : 1 beträgt.

3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass

- die Stabilisierungselemente (9) aus Stahl sind und zwischen einer im Gehäuse (10) des Piezoaktors (1) fest eingespannten Grund- oder Stützplatte (8) und ei ner Fixierkante im Gehäuse (10) gehalten ist und dass
- das Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) zwischen der Grund platte (8) und einem Federteller (7) gehalten ist, der über eine Vorspannfeder (6) ebenfalls am Gehäuse (10) anliegt und das Betätigungselement führt.

4. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass

- das Piezoelement (21; 31) und die Stabilisierungsele mente (22) aus Keramikmaterialien sind, die im wesent lichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen, wobei die Stabilisierungselemente (22) zwi schen einer Grund- oder Stützplatte (8) und einer Fi xierkante im Gehäuse (10) gehalten ist und die Grund platte (8) über eine Feder (23) am Gehäuse (10) an liegt, dass
- das Piezoelement (21; 31) zwischen der Grundplatte (8) und einem Federteller (7) gehalten ist, der über eine Vorspannfeder (6) ebenfalls am Gehäuse (10) anliegt und das Betätigungselement führt, wobei
- das Stabilisierungselement (22) mechanisch derart mit dem Piezoelement (21; 31) gekoppelt ist, dass die tem peraturbedingte Dehnungen des Piezoelements (21; 31) und des Stabilisierungselements (22) sich in Wirkrich tung derart aufheben, dass das Betätigungselement in seiner Lage verbleibt.

5. Piezoaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, dass

- das Piezoelement (21) aus quer geschichteten Piezola gen aufgebaut ist und somit eine Druckkraft auf das Betätigungselement ausübt.

6. Piezoaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, dass

- das Piezoelement (31) aus längs geschichteten Piezola gen aufgebaut ist und somit eine Zugkraft auf das Be tätigungselement ausübt.

7. Piezoaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, dass

- das Stabiliserungselement (22) aus jeweils senkrecht zum Schichtaufbau des Piezoelements (21; 31) liegenden Piezolagen bestehen die in gleicher Weise mit einer Spannung angesteuert werden wie das Piezoelement (21; 31).

8. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass

- zwei Piezoelemente (41, 42) symmetrisch zu einem das Betätigungselement darstellenden Zugstab (43) von der Zwischenschicht (11) umgeben im Gehäuse (10) des Pie zoaktors (40) angeordnet sind, wobei
- die Piezoelemente (41, 42) zwischen einer mit dem Zug stab (43) verbundenen Stützplatte (44) und einer Fi xierkante im Gehäuse (10) gehalten sind und die Stütz platte (44) über eine Feder (23) am Gehäuse (10) an liegt.