WO2000079614A1 - Piezoaktor mit temperaturkompensator - Google Patents

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    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators

Definitions

  • the invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.
  • a piezo element can be constructed from a material with a suitable crystal structure using the so-called piezo effect.
  • an external electrical voltage is applied, there is a mechanical reaction of the piezo element which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a push or pull in a predeterminable direction.
  • the aforementioned piezo actuators are often used for positioning valves. It should be noted here, among other things, that their lifting capacity for actuation, for example of a valve lifter, is relatively small.
  • the different thermal expansion of the ceramic of the piezo element and the housing leads to problems; the piezo element has a very low temperature expansion and the, as a rule, metallic housing has a positive temperature expansion, which can lead to a drift in the position of the valve stem without actuation of the piezo element.
  • the piezo actuator described at the outset which can be used, for example, to actuate a mechanical component, advantageously has a piezo element to which, according to the invention, a compensating element is arranged in parallel. It is particularly advantageous that the piezo element and the compensating element have essentially the same temperature expansion coefficient, so that the temperature-related expansions of the piezo element and the compensating element cancel each other out with a suitable mechanical attachment of the two elements in such a way that one with a pressure plate of the piezo element is fixed connected actuator ment remains in its position.
  • the piezo element can be biased into itself in a simple manner.
  • the piezo element is supported on a fixed bearing plate, which rests on a housing for the piezo actuator via a spring.
  • the piezo element is connected via a pressure plate to a biasing spring, which in turn is held at the other end on the fixed bearing plate.
  • the compensating element lies essentially parallel to the piezo element and with one end also on the fixed bearing plate; with the other end, the compensating element abuts the housing.
  • the biasing spring and the piezo element can be easily e.g. be arranged one behind the other, wherein the movable end of the piezo element can be connected to the pressure plate via a tensioning band.
  • the biasing spring and the piezo element are arranged parallel to one another, e.g. two symmetrically arranged corrugated springs can also be arranged as parallel preload springs in the thermal paste.
  • the proposed combination of the piezo element, the ceramic ring and the biasing spring is fixed to the housing clamped, the pretensioning forces being much higher than the switching forces of the piezo element and the pretensioning spring permitting a temperature compensation movement relative to the housing.
  • the size of the preload can be easily generated using a clamping nut. Even if the temperature expansion coefficient of the compensation element does not correspond to that of the piezo element, the temperature compensation can be adjusted over the length of the compensation element.
  • the common zero point represents the support of the compensating element on the clamping nut, which is firmly connected to the housing.
  • FIG. 1 shows a section through a piezo actuator held with a tensioning strap with a compensating element and a biasing spring arranged behind it
  • FIG. 2 shows a section through a piezo actuator with a compensating element and parallel arranged pre tension springs.
  • a piezo actuator 1 which has a piezo element 2, which is constructed in a manner known per se from piezo foils of a quartz material with a suitable crystal structure, so that, using the so-called piezo effect when an external electrical voltage is applied, not in this figure shown electrodes, a mechanical reaction of the piezo actuator 1 takes place.
  • the piezo element 2 is made of ceramic and a compensating element 3 is also made of ceramic, but without a piezo effect.
  • the piezo element 2 is enclosed by a tension band 4, which is welded at the top to a pressure plate 5, which serves as a holder for a corrugated spring 6 as a biasing spring.
  • the fixed bearing plate 9 is in turn held by a spring 10 for the compensating element 3 on the housing 7.
  • the bias spring 6 is held between the pressure plate 5 and the fixed bearing plate 9.
  • actuation of the piezo actuator 1 leads to an axial expansion of the piezo element 2 and thus to an axial movement of an actuation element which is not visible here.
  • a thermal paste 12 is attached between the piezo element 2 and the compensating element 3, which ensures an optimal temperature compensation of these two elements. Since the piezo element 2 and the compensating element 3 are essentially have substantially the same temperature expansion coefficient, the temperature-related expansion of the piezo element 2 and the compensating element 3 leads to a cancellation of the influences of the two elements 2 and 3 in the effective direction in the proposed mechanical attachment. The actuating element can thus remain in its position.
  • FIG. 2 A second exemplary embodiment of a piezo actuator 20 is shown in FIG. 2, the components having the same effect being provided with the same reference numerals as in FIG. 1.
  • a piezo element 21 and a compensating element 22 are made of a ceramic material with approximately the same thermal expansion coefficient. Between the elements 21 and 22 there are corrugated springs 23 arranged in parallel as pretensioning springs and a thermal paste 12.
  • actuation of the piezo actuator 20 also leads to an axial expansion of the piezo element 21 and thus to an axial movement of one guided by a pressure plate 24. here not visible, actuating element against the bias of the biasing springs 23rd
  • the piezo element 21 and the compensating element 22 also have essentially the same thermal expansion coefficient here, the temperature-related expansions of the piezo element 21 and the compensating element 22 in the proposed mechanical attachment lead to a cancellation of the influences of the two elements 21 and 22 in the effective direction.
  • the actuating element firmly connected to the pressure plate 24 of the piezo element 21 can remain in its position.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Electrically Driven Valve-Operating Means (AREA)

Abstract

Es wird ein Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere eines Ventils, vorgeschlagen, bei dem ein Piezoelement (2) zur Beaufschlagung eines Betätigungselements (9) mit einer Zug- oder Druckkraft und ein Ausgleichselement (3; 20) vorhanden ist, wobei das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3; 20) im Wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungskoeffizienten aufweisen. Das Ausgleichselement (3; 20) ist mechanisch derart mit dem Piezoelement (2) gekoppelt, dass die temperaturbedingten Dehnungen des Piezoelements (2) und des Ausgleichselements (3; 20) sich in Wirkrichtung derart aufheben, dass das Betätigungselement (9) in seiner Lage verbleibt. Zwischen dem Piezoelement (2; 21) und dem Ausgleichselement (3; 20) ist eine Wärmeleitpaste (12) angeordnet. Das Ausgleichselement ist vorzugsweise aus Keramik gefertigt oder besteht ebenfalls aus einem Piezoelement. Das Piezoelement (2) wird durch eine Wellfeder (6, 23) vorgespannt.

Description

PIEZOAKTOR MIT TEMPERATURKOMPENSATOR
Piezoaktor
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 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 Hubvermδgen 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 Anεteue- rung 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 .
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 Temperaturausdehnungkoeffizienten 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 Betätigungsele- ment 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 besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt zwischen dem Piezoelement und dem Ausgleichselement eine Wärmeleitpaste mit der eine guter Temperaturausgleich zwischen dem Ausgleichselement und dem Piezoelement herstellbar ist .
In vorteilhafter Weise kann gemäß der Erfindung das Piezoelement auf einfache weise in sich selbst vorgespannt werden. An einem Ende ist das Piezoelement an einer Festlagerplatte abgestützt, die über eine Feder an einem Gehäuses für den Piezoaktor anliegt. Mit dem anderen Ende ist das Piezoelement über eine Druckplatte mit einer Vorspannfeder verbunden, die wiederum mit ihrem anderen Ende an der Festlagerplatte gehalten ist. Das Ausgleichselement liegt dabei im wesentlichen parallel zu dem Piezoelement und mit einem Ende ebenfalls an der Festlagerplatte an; mit dem anderen Ende stößt das Ausgleichselement fest am Gehäuse an.
Die Vorspannfeder und das Piezoelement können dabei auf einfache Weise z.B. hintereinander angeordnet werden, wobei das bewegliche Ende des Piezoelements über ein Spannband mit der Druckplatte verbunden sein kann. Es ist aber auch möglich, dass die Vorspannfeder und das Piezoelement parallel zueinander angeordnet sind, wobei z.B. zwei symmetrisch angeordnete Wellfedern als ebenfalls parallele Vorspannfedern in der Wärmeleitpaste angeordnet werden können .
Der vorgeschlagene Verbund des Piezoelements, des Keramikrings und der Vorspannfeder ist fest mit dem Gehäuse verspannt, wobei die Vorspannkräfte dabei viel höher liegen als die Schaltkräfte des Piezoelements und die Vors- spannfeder eine Temperaturausgleichsbewegung relativ zum Gehäuse erlaubt. Die Größe der Vorspannung kann dabei auf einfache Weise über eine Spannmutter erzeugt werden. Selbst wenn der Temperaturausdehnungskoeffizient des Ausgleichselements nicht dem des Piezoelements entspricht, kann über die Länge des Ausgleichselements der Temperaturausgleich abgestimmt werden. Der gemeinsame Nullpunkt stellt bei der Ausführungsform die Abstützung des Ausgleichselements auf der Spannmutter dar, die fest mit dem Gehäuse verbunden ist .
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 Ausführungs- form 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 temperaturkom- pensierten Piezoaktors, beispielsweise zur Positionierung eines Ventils, werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch einen mit einem Spannband gehaltenen Piezoaktor mit einem Ausgleichselement und einer dahinter angeordneten Vorspannfeder und
Figur 2 einen Schnitt durch einen Piezoaktor mit einem Ausgleichselement und parallel angeordneten Vor- spannfedern.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 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 Figur 1 ist das Piezoelement 2 aus Keramik und ein Ausgleichselement 3 ebenfalls aus Keramik, allerdings ohne Piezoeffekt, aufgebaut .
Das Piezoelement 2 ist von einem Spannband 4 umschlossen, das oben an eine Druckplatte 5 angeschweißt ist, die als Halterung für eine Wellfeder 6 als Vorspannfeder dient. Eine Grundplatte 11, an der das Piezoelement 2 anstößt, liegt zwischen dem Ausgleichselement 3, das andererseits fest am Gehäuse 7, bzw. einer Spannmutter anliegt, und einer Hülsenanordnung 8, die wiederum an einer Festlager- platte 9 anliegt. Die Festlagerplatte 9 ist wiederum über eine Feder 10 für das Ausgleichselement 3 am Gehäuse 7 gehalten. Die Vorspannfeder 6 ist dabei zwischen der Druckplatte 5 und der Festlagerplatte 9 gehalten. Eine Betätigung des Piezoaktors 1 führt beim Ausführungsbei- spiel zu einer axialen Ausdehnung des Piezoelements 2 und damit zu einer axialen Bewegung eines hier nicht sichtbaren Betätigungselements.
Zwischen dem Piezoelement 2 und dem Ausgleichselement 3 ist eine Wärmeleitpaste 12 angebracht, die für einen optimalen Temperaturausgleich dieser beiden Elemente sorgt. Da das Piezoelement 2 und das Ausgleichselement 3 im we- sentlichen den gleichen Temperaturausdehnungkoeffizienten aufweisen, führt die temperaturbedingte Dehnungen des Piezoelements 2 und des Ausgleichselements 3 bei der vorgeschlagenen mechanischen Anbringung zu einer Aufhebung der Einflüsse der beiden Elemente 2 und 3 in Wirkrichtung. Somit kann das Betätigungselement in seiner Lage verbleiben.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 20 ist in Figur 2 gezeigt, wobei hier die gleich wirkenden Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der Figur 1 versehen sind. Auch bei der Anordnung nach der Figur 2 ist ein Piezoelement 21 und ein Ausgleichselement 22 aus einem Keramikwerkstoff mit annähernd gleichem Temperaturdehnungkoeffizienten hergestellt. Zwischen den Elementen 21 und 22 befinden sich hier parallel angeordnete Wellfedern 23 als Vorspannfedern und eine Wärmeleitpaste 12. Eine Betätigung des Piezoaktors 20 führt auch bei diesem Ausführungsbeispiel zu einer axialen Ausdehnung des Piezoelements 21 und damit zu einer axialen Bewegung eines von einer Druckplatte 24 geführten, hier nicht sichtbaren, Betätigungselements gegen die Vorspannung der VorSpannfedern 23.
Da auch hier das Piezoelement 21 und das Ausgleichselement 22 im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen, führt die temperaturbedingte Dehnungen des Piezoelements 21 und des Ausgleichselements 22 bei der vorgeschlagenen mechanischen Anbringung zu einer Aufhebung der Einflüsse der beiden Elemente 21 und 22 in Wirkrichtung. Somit kann das mit der Druckplatte 24 des Piezoelements 21 fest verbundene Betätigungselement in seiner Lage verbleiben.

Claims

Patentansprüche
1) Piezoaktor, mit einem Piezoelement (2;21) zur Beaufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft und einem Ausgleichselement (3;22), wobei das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3;22) im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen und wobei das Ausgleichselement (3; 22) mechanisch derart mit dem Piezoelement (2;21) gekoppelt ist, dass die temperaturbedingte Dehnungen des Piezoelements (2; 21) und des Ausgleichselements (3,-22) sich in Wirkrichtung derart aufheben, dass das Betätigungselement in seiner Lage verbleibt .
2) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Piezoelement (2,-21) und dem Ausgleichselement (3,-22) eine Wärmeleitpaste (12) angeordnet ist . 3) Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2; 21) an einem Ende an einer Festlagerplatte (9) abgestützt ist, die über eine Feder (10) am Gehäuses (7) für den Piezoaktor (1;20) anliegt und mit dem anderen Ende über eine Druckplatte (11; 24) mit einer Vorspannfeder (6; 23) verbunden ist, die wiederum mit ihrem anderen Ende an der Festlagerplatte (9) gehalten ist und dass das Ausgleichselement (3; 22) im wesentlichen parallel zu dem Piezoelement (2; 21) liegt und mit einem Ende ebenfalls an der Festlagerplatte (9) gehalten ist und mit dem anderen Ende fest am Gehäuse (7) anstößt.
4) Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannfeder (6) und das Piezoelement (2) hintereinander angeordnet sind.
5) Piezoaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Ende des Piezoelements (2) über ein Spannband (8) mit der Druckplatte (5) verbunden ist.
6) Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannfeder (23) und das Piezoelement (21) parallel zueinander angeordnet sind. 7) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannfeder aus mindestens einer Wellfeder (6; 23) gebildet ist.
8) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2; 21) aus einem Mehrschichtaufbau von quer angeordneten keramischen Piezolagen besteht, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verlängern und das Ausgleichselement (3; 22) aus Keramik aufgebaut ist.
9) Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2,21) aus einem Mehrschichtaufbau von quer angeordneten keramischen Piezolagen besteht, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verlängern und dass das Ausgleichselement (3,-22) aus längs angeordneten Piezolagen besteht, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verkürzen.
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