WO1999008330A1 - Vorgespannter piezoelektrischer aktor - Google Patents

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WO1999008330A1
WO1999008330A1 PCT/DE1998/002061 DE9802061W WO9908330A1 WO 1999008330 A1 WO1999008330 A1 WO 1999008330A1 DE 9802061 W DE9802061 W DE 9802061W WO 9908330 A1 WO9908330 A1 WO 9908330A1
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WO
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hollow body
piezoelectric actuator
actuator
hollow
positively
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PCT/DE1998/002061
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Wilhelm Frank
Günter LEWENTZ
Andreas Voigt
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Siemens Aktiengesellschaft
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Priority to US09/639,962 priority patent/US6998761B1/en

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/025—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant characterised by having a particular shape
    • F16F1/028—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant characterised by having a particular shape cylindrical, with radial openings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y10T29/4987—Elastic joining of parts
    • Y10T29/49872—Confining elastic part in socket

Definitions

  • the invention relates to a pre-stressed piezoelectric actuator according to the preamble of claim 1, a method for producing a pre-stressed piezoelectric actuator according to claim 8 and a method for producing a hollow body according to claim 10, which is used for biasing a piezoelectric actuator.
  • Piezoelectric actuators are used, for example, in motor vehicle technology to control an injection valve of an internal combustion engine.
  • the patent application with the official file number DE 196 53 555.7 describes a piezoelectric actuator which is biased against a cover plate of a housing via spring means. The cover plate is screwed to the housing in which the spring means and the piezoelectric actuator are located.
  • an injection valve which has a piezoelectric actuator as an actuator.
  • the actuator is inserted into a hollow cylindrical spring and is biased by the spring against the housing of the injection valve.
  • the structure of the injection valve is complex and the pretensioning of the actuator is dependent on the manufacturing tolerances of the housing.
  • the object of the invention is to provide a simply constructed and preloaded piezoelectric actuator which is optimized in the installation space.
  • Another object of the invention is to provide a simple method for producing the pretensioned piezoelectric actuator and an inexpensive and simple method for producing a hollow body which is used for pretensioning the piezoelectric actuator.
  • the object of the invention is achieved by the features of claims 1, 8 and 10.
  • An important advantage of the invention resides in the fact that the piezoelectric actuator is surrounded by a hollow body and the hollow body forms a structural unit with the prestressed piezoelectric actuator.
  • the preload of the actuator is permanently fixed during the manufacture of the structural unit. The actuator therefore does not have to be preloaded every time it is removed and installed. This makes the assembly easy to install, low-maintenance and inexpensive.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the prestressed piezoelectric actuator
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the piezoelectric actuator
  • FIG. 3 a sleeve with transverse slots
  • Figure 4 a sleeve with oblique slots 5: a sleeve with an oblique recess
  • FIG. 6 a sleeve with a plurality of oblique recesses
  • FIG. 7 a sleeve with round recesses
  • FIG. 8 a sleeve with an oblique connecting seam
  • FIG. 9 a sleeve with a corrugated connection seam
  • FIG. 10 a sleeve with a straight connection seam
  • FIG. 11 a sleeve with a cross connection seam
  • FIG. 12 an assembly device for producing a prestressed actuator
  • Figure 13 a second assembly device for prestressing an actuator.
  • Figure 1 shows a piezoelectric actuator 1, which consists of several stacked piezoelectric individual elements.
  • the piezoelectric actuator 1 is inserted into a hollow mold 2.
  • the hollow form 2 is, for example, a sleeve with an annular cross section or a rectangular tube profile.
  • the shape of the hollow mold 2 is preferably adapted to the shape of the piezoelectric actuator 1.
  • the lower end of the piezoelectric actuator 1 lies against a lower cover plate 4, which is connected to the hollow mold 2 in a force-fitting and / or form-fitting manner.
  • the lower cover plate 4 is positively connected to the hollow mold 2 via a weld seam 5.
  • the upper end of the piezoelectric actuator 1 rests on an upper cover plate 3, which is also positively and / or non-positively connected to the hollow mold 2.
  • the upper cover plate 3 is positively connected to the hollow mold 2 via a weld seam 5.
  • the upper cover plate 3 has bushings 7 through which contact pins 6 of the piezoelectric actuator are guided.
  • the piezoelectric actuator can be controlled for expansion via the contact pins 6.
  • the piezoelectric actuator 1 is biased by the hollow mold 2 and the lower and upper cover plate 3, 4 with a defined force against deflection.
  • the hollow mold 2 is made from a correspondingly elastic material. Preferred materials are materials with a low modulus of elasticity such as copper-beryllium alloy (CuBe 2 ) and / or with a high strength value such as spring steel.
  • a further improvement in the elastic properties of the hollow mold 2 is achieved in that recesses are made in the hollow mold 2.
  • the different shapes of the recesses are explained in more detail in FIGS. 3 to 7.
  • FIG. 2 shows a pretensioned piezoelectric actuator 1 which, according to FIG. 1, is clamped between an upper and a lower cover plate 3, 4 by a hollow mold 2.
  • the connection between the hollow mold 2 and the upper and lower cover plates 3, 4 is carried out with the aid of a flanging.
  • the upper and lower cover plates 3, 4 preferably have recesses 26, in each of which a flanged upper and lower edge area of the hollow mold 2 engages.
  • no recesses 26 are provided and the upper and lower Edge areas are simply crimped around the upper and lower edges of the upper and lower cover plates 3, 4.
  • a major advantage of the structural unit shown in FIG. 1 and FIG. 2, which is composed of the upper and lower cover plates 3, 4, the hollow mold 2 and the piezoelectric actuator 1, is that the pre-tensioning of the piezoelectric actuator by the fixed connection with the hollow form 2 is permanently fixed. In this way, no readjustment has to be carried out over the entire period of use of the actuator.
  • the piezoelectric actuator 1, the hollow mold 2 and the upper and lower cover plates 3, 4 form a compact structural unit that can be transported without problems and can be installed in a corresponding actuator, in particular in an injection valve, in a simple working process.
  • the structural unit 1, 2, 3, 4 can be removed from the actuator without the bias of the piezoelectric actuator 1 changing.
  • the production of the structural unit is relatively inexpensive.
  • FIG. 3 shows a hollow mold 2, which represents a cylindrical sleeve, in which transverse slots 10 are introduced perpendicular to the longitudinal axis.
  • the number and length of the transverse slots 10 are such that the elasticity of the hollow mold 2 is adapted to the desired mode of operation of the prestressed piezoelectric actuator in accordance with FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 shows a hollow mold 2, which represents a cylindrical sleeve, into which oblique slots 11 are made at an angle to the longitudinal axis of the hollow mold 2.
  • FIG. 5 shows a hollow mold 2, which represents a cylindrical sleeve, in which an oblique recess 12 is made, which rotates in a spiral around the hollow mold 2. At least part of the hollow mold 2 is designed as a cylindrical spiral.
  • FIG. 6 shows a hollow mold 2, which represents a cylindrical sleeve, into which a plurality of slots 13, which are arranged parallel to one another and spirally to the longitudinal axis of the hollow mold 2, are made.
  • a plurality of spiral and cylindrical spring elements are formed from the slits 13 from at least part of the hollow mold 2.
  • FIG. 7 shows a hollow mold 2, which is designed as a cylindrical sleeve, into which circular recesses 14 are made.
  • the recesses and slots of Figures 3 to 7 are chosen in number and in geometry such that the elasticity of the hollow mold 2 in the longitudinal direction, i. H. parallel to the direction of deflection of the piezoelectric actuator 1, is adapted to the desired mode of operation of the piezoelectric actuator 1.
  • the hollow molds 2 shown in FIGS. 3 to 7 are preferably designed as thin-walled hollow molds which are made of a simple, thin-walled pipe, preferably drawn.
  • An advantageous method for producing the hollow body 2 consists in making recesses and / or slots in a plate with a defined thickness and defined dimensions in a first operation.
  • the shape of the plate offers the advantage that the plate is easily accessible for the introduction of the recesses and the recesses can be introduced in diverse geometries, numbers and orders, for example by cost-effective punching.
  • the edge region of a recess is preferably plastically deformed slightly, so that the plate is solidified by an internal pressure stress.
  • a corresponding solidification is also achieved, for example, by shot peening the edge regions of the recess.
  • This is achieved, for example, in that the punch, with which the recesses are made in the plate, widens to a larger cross-section in the punching direction after the punch cross-section, so that first the desired recess is punched out of the plate and then the edge region of the Recess is compressed.
  • an internal compressive stress is introduced into the edge region of the recess, which brings about good fatigue strength.
  • the edge is preferably widened in thickness.
  • easy bend the edge out of the plane of the plate occur. This is, for example, a sign of a compression of the edge.
  • the plate is then shaped into the desired hollow shape 2 and fixed in the hollow shape 2 with a weld.
  • the resulting seam is preferably welded with a laser. Discontinuities in the weld seam are compensated for by heat treatment.
  • the tubular shape can also be fixed by connecting the hollow shape 2 to the upper and lower cover plates 3, 4.
  • the butt edges which are usually welded, are not connected to each other.
  • the abutting edges shown in FIGS. 8 to 11, which form the seams 15, 17, 16, 18, are not connected to one another in this exemplary embodiment. This results in an advantageous distribution of the pressure and spring forces.
  • FIGS. 8 to 11 show different shapes of seams 15, 16, 17, 18 which connect two abutting edges of a shaped plate and thus fix the hollow shape 2.
  • FIG. 8 shows an oblique seam 15 arranged obliquely to the longitudinal axis of the sleeve shape 2.
  • FIG. 9 shows a symmetrical to the longitudinal direction of the
  • FIG. 10 shows a longitudinal seam 16 arranged parallel to the longitudinal direction of the hollow form 2.
  • FIG. 11 shows a cross seam arranged symmetrically to the longitudinal axis of the hollow form 2 18.
  • the cross seam 18 is arranged in the form of a zigzag line in the longitudinal direction to the hollow shape 2.
  • the seams 15, 16, 17, 18 are preferably welded.
  • the spring rate of the hollow form 2 can be set within wide limits using the following parameters:
  • the recesses are made, for example, by drilling, punching, milling, eroding, or electrochemical processes.
  • FIG. 12 shows a mounting arrangement with which a piezoelectric actuator 1 is installed in a sleeve-shaped hollow mold 2 with a precisely defined force. This will end the
  • Hollow mold 2 with an upper cover plate 3 with bushings 7 positively and / or non-positively connected.
  • the hollow mold 2 has a radially outwardly directed contact edge 24 at the other end.
  • the hollow mold 2 is inserted into an assembly device 20 with the upper cover plate 3 ahead.
  • the mounting device 20 has a mounting recess 21 which is adapted to the cross section of the hollow mold 2 in such a way that the hollow mold 2 can be inserted into the mounting recess 21 and the support edge 24 rests in the support region 27 of the mounting device 20.
  • a piezo electrical actuator 1 with contact pins 6 inserted into the hollow mold 2.
  • a lower cover plate 4 is then inserted into the hollow mold 2 and pressed with a stamp 22 by a mounting device 23 with a defined force into the hollow mold 2, whereby the hollow mold 2 is elastically elongated.
  • the defined force corresponds to the desired pretension of the piezoelectric actuator 1. While maintaining the force, the lower cover plate 4 is then connected to the hollow mold 2 in a non-positive and / or positive manner, preferably welded. In this way, the bias of the piezoelectric actuator 1 is fixed.
  • Figure 13 shows a second variant of the mounting arrangement.
  • the hollow mold 2 remains unloaded during assembly and the kinked support edge 27, which is shown in FIG. 12, can be omitted.
  • one end of the hollow mold is connected to the upper cover plate 3 with feedthroughs 7 in a positive and / or non-positive manner, the piezoelectric actuator 1 is inserted into the hollow mold 2 and, according to FIG. 13, with the contact pins of the piezoelectric actuator 1 into the recesses provided in the base plate 19 inserted.
  • the lower cover plate 4 is now placed on the actuator 1, pressed into the hollow mold via a punch 22 of the mounting device 20 and then connected to it in a positive and / or non-positive manner, preferably welded.
  • the press-in force compresses only the piezoelectric actuator 1 and the cover plates 3, 4. After the assembly device 20 has been relieved, the actuator 1 expands and clamps the hollow mold 2.
  • the press-in force must be calculated taking into account the stiffness of the actuator 1 and hollow mold 2 so that a defined preload is established after the system is relieved.
  • the length tolerances of the piezoelectric actuator 1 caused by manufacturing technology can preferably be compensated for by grinding the lower cover plate 4. Furthermore, a possible parallelism deviation of the end faces of the piezo actuator 1 can be corrected by the grinding.
  • the lower cover plate 4 is to be ground at an appropriate angle.

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Abstract

Ein piezoelektrischer Aktor wird in eine Federhülse eingeschoben und vorgespannt mit zwei Enden der Federhülse kraft- und/oder formschlüssig verbunden. Damit wird eine Baueinheit erstellt, bei der die Vorspannkraft des piezoelektrischen Aktors durch die Herstellung dauerhaft festgelegt ist.

Description

Beschreibung
Vorgespannter piezoelektrischer Aktor
Die Erfindung betrifft einen vorgespannten piezoelektrischen Aktor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, Verfahren zum Herstellen eines vorgespannten piezoelektrischen Aktors gemäß dem Patentanspruch 8 und ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers nach Patentanspruch 10, der zum Vorspannen eines piezoelektrischen Aktors verwendet wird.
Piezoelektrische Aktoren werden beispielsweise in der Kraft- fahrzeugtechnik zum Steuern eines Einspritzventiles einer Brennkraftmaschine verwendet . Die Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 196 53 555.7 beschreibt einen piezoelektrischen Aktor, der über Federmittel gegen eine Abdeck- platte eines Gehäuses vorgespannt ist . Die Abdeckplatte ist über eine Schraubverbindung mit dem Gehäuse, in dem sich das Federmittel und der piezoelektrische Aktor befinden, ver- schraubt.
Aus DE 38 44 134 C2 ist ein Einspritzventil bekannt, das als Stellantrieb einen piezoelektrischer Aktor aufweist. Der Aktor ist in eine hohlzylindrische Feder eingebracht und wird von der Feder gegen das Gehäuse des Einspritzventiles vorgespannt. Der Aufbau des Einspritzventiles ist aufwendig und zudem ist die Vorspannung des Aktors von Fertigungstoleranzen des Gehäuses abhängig. Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, einen einfach aufgebauten, und vorgespannten piezoelektrischen Aktor bereitzustellen, der im Bauraum optimiert ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung beruht darin, ein einfaches Verfahren zum Her- stellen des vorgespannten piezoelektrischen Aktors und ein kostengünstiges und einfaches Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers, der zum Vorspannen des piezoelektrischen Aktors verwendet wird, bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1, 8, und 10 gelöst. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung beruht darin, daß der piezoelektrische Aktor von einem Hohlkörper umgeben ist und der Hohlkörper mit dem vorgespannten piezoelektrischen Aktor eine Baueinheit bildet . Die Vorspannung des Aktors wird bei der Herstellung der Baueinheit auf Dauer festgelegt. Der Aktor muß somit nicht bei jedem Aus- und Einbau neu vorgespannt werden. Damit ist die Baueinheit montagefreundlich, wartungsarm und kostengünstig.
Vorteilhafte Ausführungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert; es zeigen: Figur 1: eine erste Ausführungs orm des vorgespannten piezoelektrischen Aktors, Figur 2 : eine zweite Ausführungsform des piezoelektrischen
Aktors, Figur 3 : eine Hülse mit Querschlitzen Figur 4: eine Hülse mit Schrägschlitzen Figur 5: eine Hülse mit einer Schrägausnehmung, Figur 6: eine Hülse mit mehreren Schrägausnehmungen, Figur 7: eine Hülse mit runden Ausnehmungen, Figur 8 : eine Hülse mit einer schräg verlaufenden Verbin- düngsnaht ,
Figur 9: eine Hülse mit einer gewellten Verbindungsnaht, Figur 10: eine Hülse mit einer geraden Verbindungsnaht, Figur 11: eine Hülse mit einer Kreuzverbindungsnaht, Figur 12: eine Montagevorrichtung zum Herstellen eines vorge- spannten Aktors und
Figur 13 : eine zweite Montagevorrichtung zum Vorgespannen eines Aktors.
Figur 1 zeigt einen piezoelektrischen Aktor 1, der aus mehre- ren übereinander gestapelten piezoelektrischen Einzelelementen besteht. Der piezoelektrische Aktor 1 ist in eine Hohl- form 2 eingebracht . Die Hohlform 2 ist beispielsweise eine Hülse mit einem kreisringförmigen Querschnitt oder ein Recht- eckrohrprofil . Die Form der Hohlform 2 ist vorzugsweise an die Form des piezoelektrischen Aktors 1 angepaßt. Der piezoelektrische Aktor 1 liegt mit seinem unteren Ende an einer unteren Abdeckplatte 4 an, die kraft- und/oder formschlüssig mit der Hohlform 2 verbunden ist. In diesem Ausführungsbei- spiel ist die untere Abdeckplatte 4 über eine Schweißnaht 5 formschlüssig mit der Hohlform 2 -verbunden.
Das obere Ende des piezoelektrischen Aktors 1 liegt an einer oberen Abdeckplatte 3 an, die ebenfalls form- und/oder kraftschlüssig mit der Hohlform 2 verbunden ist. In diesem Ausfüh- rungsbeispiel ist die obere Abdeckplatte 3 über eine Schweißnaht 5 mit der Hohlform 2 formschlüssig verbunden.
Die obere Abdeckplatte 3 weist Durchführungen 7 auf, durch die Kontaktstifte 6 des piezoelektrischen Aktors geführt sind. Über die Kontaktstifte 6 ist der piezoelektrische Aktor für eine Ausdehnung ansteuerbar ausgebildet. Der piezoelektrische Aktor 1 ist durch die Hohlform 2 und die untere und obere Abdeckplatte 3,4 mit einer definierten Kraft gegen eine Auslenkung vorgespannt. Dazu ist die Hohlform 2 aus einem entsprechend elastischen Material gefertigt. Bevorzugte Materialien sind Werkstoffe mit einem niedrigen Elastizitätsmodul wie z.B. Kupfer-Berillium-Legierung (CuBe2) und/oder mit einem hohen Festigkeitskennwert wie z.B. Federstahl.
Eine weitere Verbesserung der elastischen Eigenschaften der Hohlform 2 wird dadurch erreicht, daß in die Hohlform 2 Ausnehmungen eingebracht sind. Die verschiedenen Formen der Ausnehmungen werden in den Figuren 3 bis 7 näher erläutert .
Figur 2 zeigt einen vorgespannten piezoelektrischen Aktor 1, der entsprechend Figur 1 durch eine Hohlform 2 zwischen eine obere und eine untere Abdeckplatte 3,4 eingespannt ist. Die Verbindung zwischen der Hohlform 2 und der oberen und unteren Abdeckplatte 3,4 ist in diesem Beispiel mit Hilfe einer Bör- delung ausgeführt. Dazu weisen die obere und die untere Abdeckplatte 3,4 vorzugweise Ausnehmungen 26 auf, in die jeweils ein umgebördelter oberer und unterer Randbereich der Hohlform 2 eingreift. In einer einfachen Ausführungsform sind keine Ausnehmungen 26 vorgesehen und der obere und der untere Randbereich sind einfach um die obere und um die untere Kante der oberen und der unteren Abdeckplatte 3 , 4 gebördelt .
Ein wesentlicher Vorteil der in Figur 1 und Figur 2 darge- stellten Baueinheit, die aus der oberen und unteren Abdeckplatte 3,4, der Hohlform 2 und dem piezoelektrischen Aktor 1 aufgebaut ist, besteht darin, daß die Vorspannung des piezoelektrischen Aktors durch die feste Verbindung mit der Hohl- form 2 dauerhaft festgelegt ist. Auf diese Weise muß über die gesamte Einsatzdauer des Aktors keine Nachjustierung durchgeführt werden.
Der piezoelektrische Aktor 1, die Hohlform 2 und die obere und die untere Abdeckplatte 3,4 bilden eine kompakte Bauein- heit, die ohne Probleme zu transportieren ist und in einem einfachen Arbeitsvorgang in ein entsprechendes Stellglied, insbesondere in ein Einspritzventil, eingebaut werden kann. Die Baueinheit 1,2,3,4 kann aus dem Stellglied ausgebaut werden, ohne daß sich die Vorspannung des piezoelektrischen Ak- tors 1 ändert. Zudem ist die Fertigung der Baueinheit relativ kostengünstig .
Figur 3 zeigt eine Hohlform 2, die eine zylinderförmige Hülse darstellt, in der senkrecht zur Längsachse Querschlitze 10 eingebracht sind. Die Querschlitze 10 sind in der Anzahl und in der Länge derart ausgebildet, daß die Elastizität der Hohlform 2 an die gewünschte Funktionsweise des vorgespannten piezoelektrischen Aktors entsprechend den Figuren 1 und 2 angepaßt ist . Figur 4 zeigt eine Hohlform 2, die eine zylinderförmige Hülse darstellt, in die schräg zur Längsachse der Hohlform 2 Schrägschlitze 11 eingebracht sind.
Figur 5 zeigt eine Hohlform 2, die eine zylinderförmige Hülse darstellt, in der eine Schrägausnehmung 12 eingebracht ist, die spiralförmig um die Hohlform 2 umläuft. Dabei ist mindestens ein Teil der Hohlform 2 als zylinderförmige Spirale ausgebildet .
Figur 6 zeigt eine Hohlform 2, die eine zylinderförmige Hülse darstellt, in die mehrere, parallel zueinander und spiralförmig zur Längsachse der Hohlform 2 angeordnete Schlitze 13 eingebracht sind. Durch die Schlitze 13 werden aus mindestens einem Teil der Hohlform 2 mehrere spiralförmige und zylinderförmige Federlemente gebildet .
Figur 7 zeigt eine Hohlform 2, die als zylinderförmige Hülse ausgebildet ist, in die kreisförmige Ausnehmungen 14 einge- bracht sind.
Die Ausnehmungen und Schlitze der Figuren 3 bis 7 sind in der Anzahl und in der Geometrie derart gewählt, daß die Elastizität der Hohlform 2 in Längsrichtung, d. h. parallel zur Aus- lenkungsrichtung des piezoelektrischen Aktors 1, an die gewünschte Funktionsweise des piezoelektrischen Aktors 1 angepaßt ist .
Die in den Figuren 3 bis 7 dargestellten Hohlformen 2 sind vorzugsweise als dünnwandige Hohlform ausgebildet, die aus einem einfachen, dünnwandigen vorzugsweise gezogenen Rohr hergestellt werden.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen des Hohlkörpers 2 besteht darin, in eine Platte mit definierter Dicke und definierten Abmessungen in einem ersten Arbeitsgang Ausnehmungen und/oder Schlitze einzubringen. Die Form der Platte bietet den Vorteil, daß die Platte für die Einbringung der Ausnehmungen gut zugänglich ist und die Ausnehmungen beispielsweise durch kostengünstiges Stanzen in vielfältiger Geometrie, Anzahl und Ordnung eingebracht werden können.
Vorzugsweise wird der Randbereich einer Ausnehmung geringfügig plastisch verformt, so daß eine Verfestigung der Platte durch eine eingebrachte Druck-Eigenspannung eintritt. Eine entsprechende Verfestigung wird auch beispielsweise durch Kugelstrahlen der Randbereiche der Ausnehmung erreicht.
Dies hat besonders bei dynamischer Belastung der Hohlform 2 eine stark festigkeitssteigernde Wirkung. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß sich der Stanzstempel, mit dem die Ausnehmungen in die Platte eingebracht werden, in Stanzrichtung nach dem Stanzquerschnitt auf einen größeren Querschnitt verbreitert, so daß zuerst die gewünschte Ausneh- mung aus der Platte gestanzt wird und anschließend der Randbereich der Ausnehmung verdichtet wird. Dadurch wird in den Randbereich der Ausnehmung eine Druckeigenspannung eingebracht, die eine gute Dauerfestigkeit bewirkt. Bei diesem Vorgang wird der Rand vorzugsweise in der Dicke verbreitert . Abhängig von der Art der Bearbeitung kann ein leichtes Ver- biegen des Randes aus der Ebene der Platte heraus auftreten. Dies is- t beispielsweise ein Zeichen für eine Verdichtung des Randes .
Die Platte wird anschließend zu der gewünschten Hohlform 2 geformt und mit einer Schweißnaht in der Hohlform 2 fixiert . Die dabei entstehende Naht wird vorzugsweise mit einem Laser geschweißt. Unstetigkeiten in der Schweißnaht werden durch eine Wärmebehandlung ausgeglichen.
Alternativ kann die Fixierung der Rohrform auch durch ein Verbinden der Hohlform 2 mit der oberen und der unteren Abdeckplatte 3,4 erfolgen. In diesem Fall werden die Stoßkanten, die üblicherweise verschweißt werden, nicht miteinander verbunden. Somit sind die in den Figuren 8 bis 11 dargestellten Stoßkanten, die die Nähte 15,17,16,18 bilden, in diesem Ausführungsbeispiel nicht miteinander verbunden. Damit wird eine vorteilhafte Verteilung der Druck- und Federkräfte erreicht .
Die Figuren 8 bis 11 zeigen verschiedene Formen von Nähten 15,16,17,18, die zwei Stoßkanten einer geformten Platte verbinden und somit die Hohlform 2 fixieren. Figur 8 zeigt eine schräg zur Längsachse der Hülsenform 2 angeordnete Schrägnaht 15. Figur 9 zeigt eine symmetrisch zur Längsrichtung der
Hohlform 2 angeordnete Wellennaht 17, die in Form einer Sinuswelle parallel zur Längsrichtung der Hülsenform 2 angeordnet ist. Figur 10 zeigt eine parallel zur Längsrichtung der Hohlform 2 angeordnete Längsnaht 16. Figur 11 zeigt eine sy - metrisch zur Längsachse der Hohlform 2 angeordnete Kreuznaht 18. Die Kreuznaht 18 ist in Form einer Zickzacklinie in Längsrichtung zur Hohlform 2 angeordnet. Vorzugsweise werden die Nähte 15,16,17,18 verschweißt.
Die Federrate der Hohlform 2 kann in weiten Grenzen durch folgende Parameter eingestellt werden:
Innen- bzw. Außendurchmesser der Hülsenform, Wandstärke, Werkstoff mit passendem Elastizitätsmodul, Anzahl der Ausnehmungen, Geometrie der Ausnehmungen (Bohrungen, Nuten, Spiral- nuten, usw.), Anordnung der Ausnehmungen (horizontal, vertikal, schräg und bei Spiralnuten: Steigung, Gangzahl, Nutbreite usw. ) •
Die Ausnehmungen werden beispielsweise durch Bohren, Stanzen, Fräsen, Erodieren, oder elektrochemische Verfahren eingebracht .
Figur 12 zeigt eine Montageanordnung, mit der ein piezoelektrischer Aktor 1 in eine hülsenfδrmige Hohlform 2 mit genau definierter Kraft eingebaut wird. Dazu wird ein Ende der
Hohlform 2 mit einer oberen Abdeckplatte 3 mit Durchführungen 7 form- und/oder kraftschlüssig verbunden. Die Hohlform 2 weist am anderen Ende eine radial nach Außen gerichtete Auflagekante 24 auf. Die Hohlform 2 wird mit der oberen Abdeck- platte 3 voraus in eine Montagevorrichtung 20 eingelegt. Die Montagevorrichtung 20 weist eine Montageausnehmung 21 auf, die den Querschnitt der Hohlform 2 in der Weise angepaßt ist, daß die Hohlform 2 in die Montageausnehmung 21 eingeschoben werden kann und die Auflagekante 24 im Auflagebereich 27 der Montagevorrichtung 20 aufliegt. Anschließend wird ein piezo- elektrischer Aktor 1 mit Kontaktstiften 6 voraus in die Hohl- form 2 eingelegt. Daraufhin wird in die Hohlform 2 eine untere Abdeckplatte 4 eingelegt und mit einem Stempel 22 von einer Montageeinrichtung 23 mit einer definierten Kraft in die Hohlform 2 gedrückt, wodurch sich die Hohlform 2 elastisch verlängert .
Die definierte Kraft entspricht der gewünschten Vorspannung des piezoelektrischen Aktors 1. Unter Beibehaltung der Kraft wird anschließend die untere Abdeckplatte 4 mit der Hohlform 2 kraft- und/oder formschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt. Auf diese Weise ist die Vorspannung des piezoelektrischen Aktors 1 fixiert.
Figur 13 zeigt eine zweite Variante der Montageanordnung. Im Gegensatz zu der Anordnung in Figur 12 bleibt die Hohlform 2 während der Montage unbelastet und die abgeknickte Auflage- kante 27, die in Figur 12 dargestellt ist, kann entfallen. Dazu wird ein Ende der Hohlform mit der oberen Abdeckplatte 3 mit Durchführungen 7 form- und/oder kraftschlüssig verbunden, der piezoelektrische Aktor 1 in die Hohlform 2 eingeführt und gemäß Figur 13 mit den Kontaktstiften des piezoelektrischen Aktors 1 in die dafür vorgesehenen Vertiefungen der Bodenplatte 19 eingelegt. Die untere Abdeckplatte 4 wird nun auf den Aktor 1 aufgelegt, über einen Stempel 22 der Montagevorrichtung 20 in die Hohlform hineingepresst und anschließend mit dieser form- und/oder kraftschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt. Die Einpreßkraft staucht nur den piezoelektrischen Aktor 1 und die Abdeckplatten 3,4. Nach dem Ent- lasten der Montagevorrichtung 20 dehnt sich der Aktor 1 aus und spannt dabei die Hohlform 2. Die Einpreßkraft muß unter Berücksichtigung der Steifigkeiten von Aktor 1 und Hohlform 2 so berechnet werden, daß sich nach der Entlastung des Systems eine definierte Vorspannkraft einstellt.
Die fertigungstechnisch bedingten Längentoleranzen des piezoelektrischen Aktors 1 können vorzugsweise durch ein Abschleifen der unteren Abdeckplatte 4 ausgeglichen werden. Desweiteren kann durch das Abschleifen eine evtl. vorhandene Paralle- litätsabweichung der Endflächen des Piezoaktors 1 korrigiert werden. Dazu ist die untere Abdeckplatte 4 in einem entsprechenden Winkel abzuschleifen.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrischer Aktor (1), der in einen Hohlkörper (2) eingeschoben ist, wobei der Hohlkörper (2) elastisch ausge- bildet ist und den Aktor (1) vorspannt, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Hohlkörper (2) mit dem oberen Ende und mit dem unteren Ende des Aktors (1) kraft- und/oder formschlüssig verbunden ist und mit dem piezoelektrischen Aktor (1) eine Baueinheit bildet.
2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (1) in Ausdehnungsrichtung zwischen einer oberen und einer unteren Abdeckplatte (3,4) eingebracht ist, die mit der Hohlform (2) kraft- und/oder formschlüssig verbunden sind.
3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (2) über eine Schweißverbindung oder über eine Bördelung mit der oberen und der unteren Abdeckplatte (3,4) verbunden ist.
4. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (2) mindestens eine Verbindungs- naht (15,16,17,18) aufweist, die- zwei Stoßkanten des Hohlkörpers miteinander verbindet, und die sich über die gesamte Länge des Hohlkörpers (2) erstreckt.
5. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Hohlkörper (2) zwei Stoßkanten aufweist, die einander zugeordnet sind und die in Längsrichtung des Hohlkörpers (2) angeordnet sind, wobei die Stoßkanten nicht miteinander verbunden sind.
6. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (2) Ausnehmungen (10,11,12,13,14) aufweist, die die Elastizität des Hohlkörpers (2) mindestens teilweise festlegen.
7. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (2) aus mindestens einer Platte gefertigt ist, die zu einem Hohlkörper geformt ist und anschließend über mindestens eine Verbindungsnaht (15,16,17,18) fixiert ist.
8. Verfahren zum Herstellen einer Baueinheit mit einem vorgespannten piezoelektrischen Aktor (1) mit folgenden Schritten: a) der Aktor (1) wird in einen Hohlkörper (2) eingeschoben, b) der Aktor (1) wird mit dem eingeschobenen Ende mit dem Hohlkörper kraft- oder formschlüssig verbunden, c) der Aktor (1) wird mit einer definierten Kraft in den Hohlkörper (2) gedrückt, d) der Aktor (1) wird im Bereich des hinteren Endes mit dem Hohlkörper (2) kraft- oder formschlüssig verbunden.
9. Verfahren nach Anspruch 8 mit folgenden Schritten:
- ein offenes Ende des Hohlkörpers (2) wird vor dem Einbringen des Aktors (1) mit einer ersten Abdeckplatte (3) kraft- oder formschlüssig verbunden und so das offene Ende ver- schlössen, - auf den eingeschobenen Aktor (1) wird eine zweite Abdeckplatte (4) gelegt und mit einer vorgebbaren Kraft in den Hohlkörper (2) gedrückt,
- die zweite Abdeckplatte (4) wird unter Beibehaltung der Kraft mit dem Hohlkörper (2) kraft- oder formschlüssig verbunden, so daß der Aktor (1) dauerhaft durch die Hohlform (2) vorgespannt ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörper (2), der zum Vorspannen eines piezoelektrischen Aktors (1) verwendet wird, mit folgenden Schritten: a) es wird eine Platte definierter Fläche hergestellt, b) in die Platte werden Ausnehmungen (10,11,12,13) eingebracht, die die Elastizität der Platte beeinflussen, c) die Platte wird zu einem Hohlkörper (2) geformt und d) die geformte Platte wird in der Form fixiert.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens teilweise der Rand, der die Ausnehmung begrenzt, verdichtet wird.
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