ES2314947T3 - Piezoactuador con contactado interior. - Google Patents
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Abstract
Piezoactuador, con - un piezoelemento, compuesto por una estructura multicapa de piezocapas con electrodos interiores (2, 3) dispuestos entremedio en la dirección de acción, a los que puede aplicarse alternadamente una carga positiva y una negativa, y con - un contactado recíproco interior de los electrodos interiores (2, 3), que se produce con elementos de contacto compuestos en cada caso por un electrodo nuclear (10; 15; 16) y un revestimiento (9; 11) elástico eléctricamente conductor, que están situados en rebajos interiores (5, 6; 17, 18) del piezoelemento y con ello son guiados hacia fuera perpendicularmente a la estructuras de capas, caracterizado porque - los electrodos nucleares (10; 15; 16) están dotados de un elastómero (11) conductor que puede colocarse encima antes del montaje como revestimiento, que presenta una geometría de entalladura (12; 13) prefijada para aumentar la elasticidad.
Description
Piezoactuador con contactado interior.
La invención se refiere a un piezoactuador con
contactado interior, por ejemplo como componente de un piezoinyector
o para accionar una pieza constructiva mecánica como una válvula,
etc., según las particularidades genéricas de la reivindicación
principal.
Se conoce por sí mismo que para estructurar el
piezoactuador citado anteriormente puede usarse un piezoelemento,
de tal manera que mediante el aprovechamiento del llamado
piezoefecto pueda llevarse a cabo un control de la elevación de
aguja de una válvula, etc., en donde el piezoelemento está
estructurado con un material con una estructura cristalina
adecuada. Al aplicar una tensión eléctrica exterior de produce una
reacción mecánica del piezoelemento que, dependiendo de la
estructura cristalina y de las regiones de aplicación de la tensión
eléctrica, representa una presión o tracción en una dirección
prefijable.
La estructura de un piezoactuador de este tipo
se produce en el estado de la técnica en varias capas como un
llamado actuador multicapa, en donde electrodos internos, a través
de los cuales se aplica la tensión eléctrica, se disponen en cada
caso en la dirección de acción entre las capas y se contactan en
cada caso exterior- o interiormente.
Del documento DE 103 35 019 A1 se conoce un
piezoactuador de este tipo, que presenta un piezoelemento con una
estructura multicapa de piezocapas y con electrodos interiores
dispuestos entremedio en la dirección de acción, que pueden recibir
alternadamente una carga eléctrica positiva y una negativa. El
contactado recíproco de los electrodos interiores con elementos de
contacto se produce aquí de tal modo, que estos elementos de
contacto están situados en cada caso en un rebajo interior del
piezoelemento y después se contactan de forma adecuada con los
electrodos interiores respectivos. Por ejemplo esto puede producirse
mediante un diseño correspondiente de los respectivos electrodos
interiores, que presentan en cada caso un modelo de diseño diferente
dependiendo de la respectiva polaridad, y con ello se acercan
recíprocamente a los rebajos interiores.
Para el contactado exterior se guían con ello
hacia fuera las clavijas interiores, perpendicularmente a la
estructura por capas. En el caso del piezoactuador según el estado
de la técnica los elementos de contacto son con ello clavijas
eléctricamente conductoras, que están selladas con un material
conductor, por ejemplo un polímero, de tal modo que el respectivo
contactado de los electrodos interiores puede llevarse a cabo con
la conexión positiva y la negativa de una fuente de tensión, a
través de las clavijas asociadas en cada caso.
El material conductor debe tener con ello unas
características tales que pueda absorber la dilatación que se
produce a causa de la elevación del piezoelemento y del cambio de
temperatura, en el espacio constructivo prefijado, y con ello
garantice que el contactado eléctrico de los electrodos interiores
se produzca a lo largo de la vida útil del piezoactuador.
El piezoactuador descrito al comienzo con una
estructura multicapa de piezocapas de un piezoelemento y con
electrodos interiores dispuestos entremedio en la dirección de
acción, a los que puede aplicarse alternadamente una carga positiva
y una negativa, presenta un contactado recíproco interior de los
electrodos interiores. Conforme a la invención el contactado
interior está estructurado con ello de tal modo, de forma ventajosa,
que los electrodos nucleares están dotados de un elastómero
conductor que puede colocarse encima antes del montaje como
revestimiento, que presenta una geometría de entalladura prefijada
para aumentar la elasticidad. Con ello la geometría de entalladura
se compone con preferencia de una muesca guiada helicoidalmente en
la dirección longitudinal alrededor del revestimiento.
En general es ventajosa la conexión eléctrica
interior de los electrodos interiores, en especial si se utiliza
como piezoactuador en sistemas de inyección para combustible, por
ejemplo de gasoil, en el caso de un vehículo de motor, ya que aquí
se hace posible una mejor obturación de alta presión contra la
presión de combustible aplicada exteriormente al piezoactuador.
La propuesta conforme a la invención con la
introducción de electrodos nucleares recubiertos de elastómero es
sobre todo ventajosa por ese motivo, ya que en caso contrario la
aplicación de los elementos de contacto interiores en los taladros
relativamente pequeños y largos como rebajos, con aproximadamente 1
mm de diámetro, con una longitud de entre 50 mm y 70 mm, es
bastante difícil. Con las muescas propuestas guiadas helicoidalmente
puede conseguirse también un montaje sencillo de los elementos de
contacto, ya que con esto puede llevarse a cabo casi un enroscado
de los elementos de contacto.
Del llenado de los taladros a posteriori,
que es necesario en el estado de la técnica, también puede
prescindirse. Aparte de esto pueden comprobarse eléctrica- y
mecánicamente los elementos de contacto acabados como electrodos de
conexión, según la invención, ya por fuera del piezoactuador antes
de su introducción en los taladros.
Las formas de ejecución conforme a la invención
propuestas están dotadas mediante la geometría de entalladura de
forma ventajosa de una elasticidad óptima, en donde la geometría de
entalladura se extiende, como se ha citado anteriormente,
helicoidalmente todo a lo largo de los elementos de contacto y, de
este modo, a lo largo de la vida útil del piezoactuador con un
intenso cambio de elevación del piezoelemento se hace posible una
presión de apriete suficiente sobre el taladro y un buen contactado
de los electrodos interiores. De este modo tampoco se produce un
establecimiento de presión estático sobre el elemento de contacto.
Aparte de esto es ventajoso que la geometría de entalladura
presente además, para una mejora ulterior de la elasticidad, al
menos una rendija longitudinal.
En una primera forma de ejecución los electrodos
nucleares están ejecutados como clavijas con perímetro constante.
Conforme a una segunda forma de ejecución los electrodos nucleares
están ejecutados con una sección transversal, que se estrecha
cónicamente hacia la parte superior del piezoactuador, con lo que se
mejora la elasticidad en especial en la parte superior con
actividad elevadora a causa del revestimiento más fuerte. Según una
tercera forma de ejecución los electrodos nucleares están
ejecutados helicoidalmente, con lo que también los electrodos
nucleares normalmente mecánicos pueden llevar a cabo una determinada
elevación mecánica.
Formas de ejecución adicionales se refieren a
electrodos nucleares, que están ejecutados como clavijas con
perímetro constante, en donde sin embargo los taladros para alojar
los elementos de contacto están ejecutados con una sección
transversal, que se estrecha o se ensancha cónicamente hacia la
parte superior del piezoactuador. Aquí se introducen los elementos
de contacto en cada caso desde el lado con la sección transversal
más ancha, con lo que se obtiene tanto una mejor capacidad de
montaje como una capacidad de desmontaje para los elementos de
contacto.
Para el montaje de las formas de ejecución
citadas en último lugar, la presión de apriete del elastómero sobre
la pared interior de los taladros, para alojar los elementos de
contacto, puede controlarse fácilmente mediante la fuerza de
montaje. Aquí puede ser también útil un sobreenfriamiento de los
electrodos nucleares. En cualquier caso puede materializarse
fácilmente el desmontaje hacia la abertura cónica.
Se explican ejemplos de ejecución del
piezoactuador conforme a la invención con base en los dibujos. Aquí
muestran:
la figura 1 un corte longitudinal a través de un
piezoactuador según el estado de la técnica con contactado interior
de los electrodos interiores,
la figura 2a un corte longitudinal parcial y la
figura 2b una sección transversal a través de un ejemplo de
ejecución conforme a la invención de un piezoactuador con contactado
interior, en el que un electrodo nuclear está dotado de un
elastómero conductor con una primera geometría,
la figura 3 a un corte longitudinal parcial y la
figura 3 una sección transversal a través de un ejemplo de
ejecución conforme a la invención de un piezoactuador con contactado
interior, en el que un electrodo nuclear está dotado de un
elastómero conductor con una segunda geometría,
la figura 4 un corte longitudinal parcial a
través de un ejemplo de ejecución conforme a la invención de un
piezoactuador con contactado interior, en el que un electrodo
nuclear cónico está dotado de un elastómero conductor,
la figura 5 un corte longitudinal parcial a
través de un ejemplo de ejecución conforme a la invención de un
piezoactuador con contactado interior, en el que un electrodo
nuclear helicoidal está dotado de un elastómero conductor,
la figura 6 un corte longitudinal parcial a
través de un ejemplo de ejecución conforme a la invención de un
piezoactuador con contactado interior, en el que se dispone de un
taladro cónico ancho por arriba para los electrodos nucleares y
la figura 7 un corte longitudinal parcial a
través de un ejemplo de ejecución conforme a la invención de un
piezoactuador con contactado interior, en el que se dispone de un
taladro cónico más estrecho por arriba para los electrodos
nucleares.
En la figura 1 se muestra un piezoelemento, que
es el componente principal de un piezoactuador 1 estructurado como
una llamado multicapa según el estado de la técnica DE 103 35 019
A1, en donde el piezoelemento está estructurado con piezoláminas de
un material de cuarzo con una estructura cristalina adecuada, de tal
modo que mediante el aprovechamiento del llamado piezoefecto, con
la aplicación de una tensión eléctrica exterior a electrodos
interiores 2 y 3 dotados aquí de símbolos de referencia sólo a modo
de ejemplo, se produce una reacción mecánica del piezoactuador 1 en
la dirección de acción 4. En el interior del piezoactuador 1 se
encuentran dos rebajos o taladros 5 y 6 que se extienden en
dirección longitudinal, en donde los electrodos interiores 2 y 3 se
acercan con un diseño superficial correspondiente, según la
polaridad, al taladro izquierdo 5 o al taladro derecho 6.
\newpage
En los taladros 5 y 6 se dispone de elementos de
contacto como electrodos nucleares 7 y 8, aquí clavijas redondas,
que están incrustados fijamente mediante llenado en un material 9
conductor aunque flexible, por ejemplo un polímero. Los electrodos
nucleares 7 y 8 y el material conductor 9 contactan los electrodos
interiores hacia fuera, de tal modo que con la aplicación de una
tensión eléctrica a regiones de contacto (dispuestas abajo en la
figura 1) de los electrodos nucleares 7 y 8 puede producirse la
acción descrita anteriormente. Una aplicación de los electrodos
nucleares 7 y 8 normalmente metálicos es necesaria en el estado de
la técnica al igual que en las ejecuciones conforme a la invención,
ya que la conductividad eléctrica sólo del material flexible
normalmente no es suficientemente grande para conducir toda la
corriente para activar los electrodos interiores 2 y 3.
De las figuras 2a y 2b puede deducirse en cada
caso a modo de ejemplo, como corte longitudinal parcial y como
sección transversal, una disposición conforme a la invención con un
electrodo nuclear metálico 10, que ya antes de la incorporación al
taladro 5 está dotada de un revestimiento 11 eléctricamente
conductor, por ejemplo un pegamento conductor elástico o un
elastómero. El revestimiento 11 está dotado en este ejemplo de
ejecución de una geometría de entalladura en forma de una muesca 12
aplicada helicoidalmente. Mediante la muesca 12 helicoidal,
aplicada a toda la región del revestimiento 11, es posible un encaje
simplificado en el taladro 5 y durante el funcionamiento puede
garantizarse también, en el caso de una posible dilatación por calor
del material del revestimiento 11, un contactado eléctrico
seguro.
De las figuras 3a y 3b puede deducirse a modo de
ejemplo, como corte longitudinal parcial y como sección transversal,
una variación de la disposición según las figuras 2a y 2b, en la
que se dispone de una geometría diferente de una muesca helicoidal
13, en la que las distancias de muesca y con ello el paso h no deben
elegirse inferiores, por ejemplo h \approx 2d...6d, con relación
a la distancia de los electrodos interiores 2 y 3, para que en el
caso de una anchura de muesca s de aproximadamente 1xd se obtenga un
hueco de contacto no superior a unos 90º con respecto al electrodo
interior. De este modo el contactado de los electrodos interiores
puede reaccionar lo más elásticamente posible a la elevación del
piezoactuador 1 y se reduce al menos el resbalamiento entre el
revestimiento 11 y el taladro 5.
La representación de sección transversal según
la figura 3b muestra como aplicación la posibilidad de aplicar
rendijas longitudinales 14, con las que puede mejorarse todavía más
la elasticidad en este ejemplo de ejecución.
La figura 4 muestra un ejemplo de ejecución con
un electrodo nuclear 15 cónico que presenta, de un modo comparable
a la figura 3a, un revestimiento 11 con la muesca helicoidal 13. En
el caso del electrodo nuclear 15 según la figura 4 se encuentra la
región con el perímetro mayor en la parte inferior del piezoactuador
1 y la región con el perímetro menor se encuentra en la región
superior del piezoactuador 1. De este modo se consigue que en la
región de cabeza, que presenta la elevación máxima del piezoactuador
1, por ejemplo 70 a 100 \mum, el revestimiento 11 rellene la
máxima región y con ello esta región posea una gran elasticidad.
En la figura 5 se muestra un ejemplo de
ejecución con un electrodo nuclear helicoidal 16, que presenta
también, de un modo comparable a la figura 3a, un revestimiento 11
con una muesca 13 helicoidal. En el caso del electrodo nuclear
helicoidal 16 según la figura 5 éste puede tomar parte al menos
parcialmente la elevación del piezoactuador 1, con lo que puede
prescindirse de un movimiento de elevación menor sobre el
revestimiento 11.
De la figura 6 puede deducirse un ejemplo de
ejecución con un electrodo nuclear 10 en forma de clavija, que
presenta también, de modo comparable a la figura 3a, un
revestimiento 11 con la muesca helicoidal 134. En este ejemplo de
ejecución se dispone de un taladro 17 con una sección transversal
que afluye cónicamente en punta desde la parte inferior a la
superior del piezoactuador 1. Aquí puede aumentarse la fuerza de
apriete en el taladro 17 durante el montaje y puede conseguirse una
capacidad sencilla de desmontaje del contactado de los electrodos
interiores.
En el ejemplo de ejecución según la figura 6,
para mejorar el contacto eléctrico en el taladro 17 antes del
montaje, también puede dotarse la superficie del taladro 17 de un
pegamento conductor casi sin embadurnarse.
Un ejemplo de ejecución según la figura 17
muestra un electrodo nuclear 10 en forma de clavija, que también
muestra un revestimiento 11 con la muesca helicoidal 13 de un modo
comparable a la figura 3a. En este ejemplo de ejecución se dispone
de un taladro 18 con una sección transversal que aumenta cónicamente
desde la parte inferior a la parte superior del piezoactuador
1.
El montaje se realiza en el ejemplo de ejecución
según la figura 7 desde abajo, es decir desde la parte superior, de
tal modo que también aquí puede aumentarse la fuerza de apriete en
el taladro 18 durante el montaje. En este ejemplo de ejecución se
dispone con ello de la máxima elasticidad del revestimiento 11 en la
región de cabeza, en la que el piezoactuador 1 realiza la máxima
elevación.
La invención puede aplicarse comercialmente en
sistemas de inyección para combustible, por ejemplo gasoil, en un
vehículo de motor con un motor de combustión interna.
Claims (10)
1. Piezoactuador, con
- -
- un piezoelemento, compuesto por una estructura multicapa de piezocapas con electrodos interiores (2, 3) dispuestos entremedio en la dirección de acción, a los que puede aplicarse alternadamente una carga positiva y una negativa, y con
- -
- un contactado recíproco interior de los electrodos interiores (2, 3), que se produce con elementos de contacto compuestos en cada caso por un electrodo nuclear (10; 15; 16) y un revestimiento (9; 11) elástico eléctricamente conductor, que están situados en rebajos interiores (5, 6; 17, 18) del piezoelemento y con ello son guiados hacia fuera perpendicularmente a la estructuras de capas,
caracterizado porque
- -
- los electrodos nucleares (10; 15; 16) están dotados de un elastómero (11) conductor que puede colocarse encima antes del montaje como revestimiento, que presenta una geometría de entalladura (12; 13) prefijada para aumentar la elasticidad.
2. Piezoactuador según la reivindicación 1,
caracterizado porque
- -
- la geometría de entalladura se compone de una muesca (12; 13) guiada helicoidalmente en la dirección longitudinal alrededor del revestimiento (11).
3. Piezoactuador según la reivindicación 2,
caracterizado porque
- -
- el paso (h) de la muesca helicoidal (13) está ajustado de tal modo, dependiendo de la anchura de muesca (s) y con relación a la distancia (d) de los electrodos interiores (2, 3), que no se supera un hueco de contacto de unos 90º.
4. Piezoactuador según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
- -
- la geometría de muesca (13) presenta adicionalmente al menos una rendija longitudinal (14).
5. Piezoactuador según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
- -
- los electrodos nucleares (10) están ejecutados como clavijas con perímetro constante.
6. Piezoactuador según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque
- -
- los electrodos nucleares (15) están ejecutados con una sección transversal, que se estrecha cónicamente hacia la parte superior del piezoactuador (1).
7. Piezoactuador según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque
- -
- los electrodos nucleares (16) están ejecutados helicoidalmente.
8. Piezoactuador según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque
- -
- los electrodos nucleares (10) están ejecutados como clavijas con perímetro constante y porque
- -
- los taladros (17) para alojar los elementos de contacto están ejecutados con una sección transversal, que se estrecha cónicamente hacia la parte superior del piezoactuador (1).
9. Piezoactuador según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque
- -
- los electrodos nucleares (10) están ejecutados como clavijas con perímetro constante y porque
- -
- los taladros (17) para alojar los elementos de contacto están ejecutados con una sección transversal, que se estrecha cónicamente hacia la parte inferior del piezoactuador (1).
10. Piezoactuador según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
- -
- toda la disposición para controlar la elevación de aguja puede usarse para la inyección de combustible en un vehículo de motor.
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