DE19928185B4

DE19928185B4 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE19928185B4
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: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2019-06-20
Also published as: DE19928185A1; CN1735979A; US6617766B1; JP2003502564A; WO2000079606A3; KR20020023236A; WO2000079606A2; EP1198850A2; HUP0201752A2

Abstract

Piezoaktor, mit
– mindestens einem Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) zur Beaufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft und mit
– Stabilisierungselementen (9; 22), die parallel zum Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) mit einer zwischen den Elementen liegenden flexiblen Zwischenschicht (11) angeordnet sind, wobei das Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) und die Stabilisierungselemente (9; 22) eine in Wirkrichtung (z-Achse) große Länge im Verhältnis zu ihrer Breite quer zur Wirkrichtung (x, y-Richtung) aufweisen,
– das Piezoelement (21; 31) und die Stabilisierungselemente (9; 22) aus Keramikmaterialien sind, die im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei die Stabilisierungselemente (9; 22) zwischen einer Grundplatte (8) und einer Fixierkante in einem Gehäuse (10) gehalten sind,
– das Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) zwischen der Grundplatte (8) und einem Federteller (7) gehalten ist, der über eine Vorspannfeder (6) ebenfalls am Gehäuse (10) anliegt und das Betätigungselement...

Description

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 sogenannten 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, bei vergleichsweise großer Kraft. Zu einer Vergrößerung des Nutzhubes ist es deshalb zum Teil üblich, eine mechanische oder hydraulische Wegübersetzung vorzusehen. Solche mechanischen oder hydraulischen Wegübersetzungssysteme bedeuten aber einen höheren Aufwand und damit auch höhere Kosten.

Aus der DE 19653555 A1 ist ein Piezoaktor in Stapelbauweise bekannt, bei der eine Stützhülse den Piezostapel eng umfasst und seitliches Ausbrechen verhindert. Auch aus der DE 19715488 C1 ist ein Piezoaktor in Stapelbauweise bekannt, der in eine passgenaue Stützhülse eingeführt ist, wobei der Spalt mit einem Elastomer aufgefüllt ist, was eine größere Stabilität gegenüber Rissbildung ermöglicht.

Um die Wärmedehnungen in Wirkrichtung aufzuheben ist aus der DE 19538791 C2 eine Hülse eines Piezoaktors bekannt, die den gleichen Wärmeausdehungs-Koeffizienten aufweist wie der Piezostapel. Die US 4899076 und die US 5773914 zeigen darüber hinaus einen den Piezostapel umgebende Keramikhülse.

Aus der DE 3030378 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, bei dem die Schichten des Aktorstapels in Längsrichtung verlaufen.

Die DE 3037078 A1 zeigt einen Piezostapel mit einem mittig angeordneten, senkrecht zur Bewegungsrichtung geschichteten Aktorstapel, den in Bewegungsrichtung geschichtete Elemente umgeben.

Aus der EP 0 869 278 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, bei dem der Piezostapel in einer Hülse angeordnet ist, die aus einem Material gefertigt ist, das die Wärmedehnung des Piezostapels weitgehend kompensiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen temperaturkompensierten Piezoaktor zu schaffen, der mechanisch weitgehend unempfindlich ist.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor weist in vorteilhafter Weise mindestens ein Piezoelement auf, das zur Beaufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft geeignet ist. Erfindungsgemäß sind Stabilisierungselemente vorhanden, die parallel zum Piezoelement mit einer zwischen den Elementen liegenden flexiblen Zwischenschicht 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. Eine vorteilhafte Größenordnung wäre beispielsweise ein Verhältnis von Länge (z-Richtung) zu Breite (x, y-Richtung) in etwa von 5:1 bis zu 50:1. Dabei sind die Stabilisierungselemente vorzugsweise aus Stahl und zwischen einer im Gehäuse des Piezoaktors fest eingespannten Grund- oder Stützplatte und einer Fixierkante im Gehäuse gehalten. Das Gehäuse kann hier ebenfalls aus Stahl hergestellt sein. Das Piezoelement ist dabei zwischen der Grundplatte und einem Federteller gehalten, der über eine Vorspannfeder ebenfalls am Gehäuse anliegt und das Betätigungselement führt.

Das Piezoelement und die Stabilisierungselemente sind beispielsweise aus Keramikmaterialien, die im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen. Das Stabilisierungselement ist zwischen einer Grundplatte und einer Fixierkante im Gehäuse gehalten, wobei die Grundplatte über eine Feder am Gehäuse anliegt. Das Stabilisierungselement ist dabei mechanisch derart mit dem Piezoelement gekoppelt, dass die temperaturbedingte Dehnungen des Piezoelements und der Stabilisierungselemente sich in Wirkrichtung derart aufheben, dass das Betätigungselement in seiner Lage verbleibt, also keine Nullpunktdrift auftritt. Hierbei muss die Kraft der Vorspannfeder wesentlich höher als die der Feder an der Grundplatte sein, so dass die unterschiedlichen Temperaturdehnungen zwischen dem Gehäuse und dem Material des Piezoelements über die Feder ausgeglichen werden. Zusätzliche Maßnahmen der Temperaturkompensation, wie bisher vielfach durch hydraulische Kopplung vorgesehen, sind hier nicht mehr nötig.

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 prinzipiell Zug- oder Druckkräfte erzeugbar sind.

Dadurch, dass zwischen den Stabilisierungselementen und dem Piezoelement eine flexible Zwischenschicht, beispielsweise ein Kunststoff, wie ein Polymer oder ähnliches, angebracht ist, kann eine Längsbewegung, die eine Relativbewegung zwischen dem Piezoelement und dem Stabilisierungselement 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.

Das Piezoelement kann bei der Erfindung aus quer geschichteten 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 Stabilisierungselement aus jeweils senkrecht zum Schichtaufbau 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 zusätzlich 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 Erfindung sind zwei Piezoelemente symmetrisch zu einem das Betätigungselement darstellenden Zugstab von der Zwischenschicht umgeben im Gehäuse des Piezoaktors angeordnet. Die Piezoelemente sind hier zwischen einer mit dem Zugstab verbundenen Stützplatte und einer Fixierkante im Gehäuse gehalten und die Stützplatte liegt über eine Feder zur Vorspannung am Gehäuse an.

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.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors in schmaler Bauweise, beispielsweise zur Positionierung eines Ventils, werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen nicht temperaturkompensierten Piezoaktor mit Stabilisierungselementen aus Stahl;
2 einen Detailschnitt entlang einer Schnittlinie A-A aus der 1 mit einer ersten Kontaktierungsmöglichkeit des Piezoelements;
3 einen Detailschnitt entlang einer Schnittlinie A-A aus der 1 mit einer zweiten Kontaktierungsmöglichkeit des Piezoelements;
4 einen Schnitt durch ein temperaturkompensiertes, quergeschichtetes Piezoelement des Piezoaktors mit einem Stabilisierungselement aus Keramik;
5 einen Schnitt durch ein temperaturkompensiertes längsgeschichtetes Piezoelements des Piezoaktors mit einem Stabilisierungselement aus Keramik;
6 einen Detailschnitt entlang einer Schnittlinie A-A aus der 5 mit einer ersten Kontaktierungsmöglichkeit des Piezoelements;
7 einen Detailschnitt entlang einer Schnittlinie A-A aus der 5 mit einer zweiten Kontaktierungsmöglichkeit des Piezoelements und
8 einen Schnitt durch einen nicht temperaturkompensierten Piezoaktor mit zwei Piezoelementen die beidseitig eines Zugstabes angeordnet sind.
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 Elektroden 3 und 4 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Form einer Kraft F_nutz erfolgt. Das Ausführungsbeispiel nach der 1 ist nicht temperaturkompensiert und liefert eine Druckkraft F_nutz.
Das relativ lange und dünne Piezoelement 2 wird durch eine Vorspannfeder 6 und einen darüber angeordneten Federteller 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 angeordneten Stabilisierungselementen 9 verspannt, die sich oben und unten am Gehäuse 10 des Piezoaktors 1 abstützen. Zwischen den Stabilisierungselementen 9 und dem Piezoelement 2 befindet sich längs als Zwischenschicht 11 ein flexibler Kunststoff, z.B. Polymer. Die flexible Zwischenschicht 11 hat die Aufgabe, eine Längsbewegung, d.h. die Relativbewegung zwischen dem Piezoelement 2 und den Stabilisierungselementen 9, zuzulassen, eine Schwingbewegung des Piezoelements in x- oder y-Richtung jedoch zu verhindern.
Aus 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 4 gezeigt, wobei hier die gleich wirkenden Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der 1 versehen sind. Bei der Anordnung nach der 4 ist ein Piezoelement 21 und es sind Stabilisierungselemente 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 unterschiedlichen 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 Piezoelements 21 und damit zu einer Druckkraft F_nutz gegen die Vorspannung der Vorspannfeder 6. Da auch hier das Piezoelement 21 und die Stabilisierungselemente 22 im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen, führt die temperaturbedingte Dehnungen des Piezoelements 21 und des Stabilisierungselements 22 bei der vorgeschlagenen mechanischen Anbringung zu einer Aufhebung 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 5 gezeigt, wobei auch hier die gleich wirkenden Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der 1 oder 4 versehen sind. Bei der Anordnung nach der 5 ist lediglich ein Piezoelement 31 im Unterschied zu der Anordnung nach der 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 6 und 7 sind hier ebenfalls Möglichkeiten eines Anschlusses der Kontakte 3 und 4 des Piezoelements 31 angedeutet, die mit entsprechend ausgerichteten Piezolagen auch entweder in x- oder y-Richtung erfolgen können und dabei entweder in der Zwischenschicht 11 oder auch außerhalb liegen.
Aus 8 ist eine weiteres Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 40 ersichtlich, wobei auch hier die gleich wirkenden Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der 1, 4 oder 5 versehen sind. Bei der Anordnung nach der 8 sind zwei Piezoelemente 41 und 42 symmetrisch zu einem das Betätigungselement darstellenden Zugstab 43 angeordnet. Die Piezoelemente 41 und 42 und der Zugstab 43 sind von der Zwischenschicht 11 umgeben im Gehäuse 10 des Piezoaktors 40 angeordnet. Die Piezoelemente 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

Piezoaktor, mit – mindestens einem Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) zur Beaufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft und mit – Stabilisierungselementen (9; 22), die parallel zum Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) mit einer zwischen den Elementen liegenden flexiblen Zwischenschicht (11) angeordnet sind, wobei das Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) und die Stabilisierungselemente (9; 22) eine in Wirkrichtung (z-Achse) große Länge im Verhältnis zu ihrer Breite quer zur Wirkrichtung (x, y-Richtung) aufweisen, – das Piezoelement (21; 31) und die Stabilisierungselemente (9; 22) aus Keramikmaterialien sind, die im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei die Stabilisierungselemente (9; 22) zwischen einer Grundplatte (8) und einer Fixierkante in einem Gehäuse (10) gehalten sind, – das Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) 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 – die Stabilisierungselemente (9; 22) mechanisch derart mit dem Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) gekoppelt sind, dass die temperaturbedingte Dehnung des Piezoelements (2; 21; 31; 41, 42) und der Stabilisierungselemente (9; 22) sich in Wirkrichtung derart aufheben, dass das Betätigungselement in seiner Lage verbleibt, wobei – die Grundplatte (8) über eine Feder (23) am Gehäuse (10) anliegt.
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.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) aus quer geschichteten Piezolagen aufgebaut ist und somit eine Druckkraft auf das Betätigungselement ausübt.
Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) aus längs geschichteten Piezolagen aufgebaut ist und somit eine Zugkraft auf das Betätigungselement ausübt.
Piezoaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungselemente (9; 22) aus jeweils senkrecht zum Schichtaufbau des Piezoelements (2; 21; 31; 41, 42) liegenden Piezolagen besteht, die in gleicher Weise mit einer Spannung angesteuert werden wie das Piezoelement (21; 31).