WO2008037667A1 - Piezomehrschichtaktor zum antrieb eines elektromechanischen motors - Google Patents

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WO2008037667A1
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piezoelectric multilayer
piezoelectric
force
multilayer actuator
driving
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Armin Dietz
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Harald Johannes Kastl
Roland Keller
Andreas Lenk
Carsten Schuh
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/105—Cycloid or wobble motors; Harmonic traction motors
    • 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

Definitions

  • Piezoelectric multilayer actuator for driving an electromechanical motor
  • the invention relates to a piezoelectric multilayer actuator for driving an electromechanical motor.
  • An electromechanical motor converts electrical energy into mechanical or kinetic energy.
  • a piezoelectric actuator used in an electro-mechanical motor ⁇ one can refer to this as a piezoelectric motor.
  • Another designation would be, for example, "Piezoelektri ⁇ shear actuator drive / Piezoelectric Actuator Drive / PAD”.
  • a PAD consists for example of a shaft with gripping ⁇ the ring, which is offset from the outside with two by 90 ° against each other employed piezoelectric actuators in displacement movements.
  • a hollow shaft with at least two internal piezoelectric actuators, which are also offset by 90 ° from each other, are driven.
  • lifting movements are generated along two mutually offset by 90 °, passing through the center of the ring central lines / lines of force. This is done by means of the respective
  • Piezo actuators The known and previously used for this PADs, which come from the series production for diesel injection systems, have on their previous field of application, the injection of pressurized fuel in combustion chambers, corresponding features.
  • Fuel injectors are now stretched long and cylindrical in cross-section.
  • the elongated shape has a diameter of a few centimeters and is for example 10 to 20 cm long.
  • An injector consists of the actual injection nozzle and a series-connected piezo actuator unit. It can be seen that the shape of previously used or known PADs in the longitudinal direction in Cross-sectionally round, and along its axis elongated from ⁇ is guided.
  • the piezoelectric actuators are designed as piezoceramic multilayer / multilayer actuators and consist of alternately arranged layers of piezoceramic and internal electrode material.
  • the internal electrode material must withstand during the manufacturing process of the actuators, also known ⁇ net stack, thermal treatments such as debindering processes to about 500 0 C, sintering to about HOO 0 C, and therefore consists either of expensive precious metal alloys such as AgPd, or from copper, which entails a much more complex and thus hereby hereby ⁇ tive production by itself.
  • the piezoceramic has itself at least in the area of the injection valves because of the required therein large operating temperature range from -40 to + 15O 0 C a very high Curie temperature, 300 0 C or more, on. This means for the available usable strain of the piezoceramic a strong limitation.
  • the thickness of the active ceramic layers are approximately 80-100 ⁇ m for commercially available series actuators. Corresponding drive voltages are possible in the range of 160-230 V. Usually, the actuators described quasi round cross-sections, which optimally exploits the available space under consideration of cost aspects in many applications, especially in fuel injectors.
  • piezoelectric actuators for driving a motor piezome- chanical has been associated with configurations that used in place of two actuators, four or more ha ⁇ ben.
  • the goal was a general increase in performance, whereby still only two directions, which are offset by 90 ° from each other, are operated with lifting movements.
  • the invention is based on the object, while maintaining the deflection and rigidity of a piezoyak Anlagenaktors a adapted to a piezoelectric drive shape of a Piezoyakaktors to provide its Bauvolu ⁇ men is substantially reduced and its heat loss is significantly reduced at comparable ratios.
  • the basic cross-sectional shape of the piezoelectric multilayer actuator is not shown as square or round, but in a rectangular elongate shape.
  • only one piezoyak Anlagenaktor is used along a direction of force. This results in an assembly with a total of two piezoyak Anlagenaktoren.
  • the ratio between the active surface and inactivated ⁇ vem contacting is substantially improved.
  • FIG. 1 shows a plan view of a piezome shell
  • Figure 2 shows a front view in section of a piezo ⁇ duplex istaktors with correspondingly positive tioned electrodes
  • FIG. 3 shows a side view of a piezoyakschich ⁇ factor with contacting layer
  • FIG. 4 shows a PAD with one piezoelectric layer actuator per force direction, the base area of which is rectangular and elongated, and which is aligned both with respect to the line of force and with the ring of the actuator.
  • FIG. 5 shows a PAD with one respective piezoelectric multilayer actuator per force direction
  • Ground surface is rectangular and elongated and adapted to both the line of force and adapted to the ring of the actuator.
  • a more effective piezoelectric ceramics are used with lower Curie temperature. Due to the relatively short-term driving time in intermittent operation of the engine such. B. in a car ⁇ window and therefore only to a small extent to be taken into ⁇ self-heating due to heat loss of the piezo stack, the drive frequency can be selected higher, which has a stei- increased power output of the stack result.
  • a multi-layer capacitor design of the internal electrodes is advantageous. This is associated with a full-surface inactive contacting zone on the stack narrow sides.
  • the process tolerances with regard to printing accuracy of the internal electrodes, the separation in the Green state, the grinding of the sintered component and the application of the outer metallization can thus be widened, which is generally favorable.
  • the inner electrode may have a lower conductivity, which enables the internal electrode material may be diluted with ceramic ⁇ particles. The volume would be reduced by, for example, 20%. On the other hand, the inner electrode could have a smaller layer thickness.
  • the single-layer thickness is increased, for example to 160 ⁇ m, in order to reduce the number of internal electrodes per overall height. For example, different processes are ver ⁇ simplifies how in Betikungsrea for indoor electric ⁇ de or the number of required green sheets.
  • the drive voltage increases by the same amount to approx. 460 volts, but remains within the voltage range for relatively inexpensive electronic components. In other words, a higher drive voltage can be accepted with the other operating parameters.
  • the lower working temperature tur enables the use of simpler passivation materials instead of silicone elastomers.
  • actuators 6 With the described elongated piezoelectric actuators 6 actuators can be produced with increased lifting force, which also have improved security against buckling.
  • FIG. 1 shows a plan view of a piezoelectric multilayer actuator 6, wherein in each case an inactive contacting region 1, an outer metallization / contacting 2, an active stack region 5 are designated.
  • Figure 2 shows a front view with a section of a pie ⁇ zoyak Anlagenaktors 6 roden with correspondingly positioned elec-, said inactive contact-1, inner electric ⁇ 3 and outer metallization / -title ist 2 are designated the active piezoelectric multilayer actuator.
  • FIG. 3 shows a side view of a piezoelectric multilayer actuator 6, which is rotated through 90 ° to the view according to FIG. 2 and thus has the outer metallization / contact 2, to the front.
  • a PAD with per force direction in each case represents a piezoelectric multilayer actuator 6, the base area of which is rectangular and elongated, can be seen here in side view, which is aligned both with the line of force and with the ring of the actuator.
  • the drive ⁇ body 8 of the PAD is square outside.
  • the internal Re opening for receiving the shaft 9 fits with the bore in the drive body 8 together.

Abstract

Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechanischen Motors Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechanischen Motors, bei dem eine angetriebene Welle von einem in Achslängsrichtung betrachtet im Querschnitt innen runden, an die Welle angepassten Ring umgeben ist, zwei Kraftrichtungen auf jeweils zwei benachbarten Außenflächen definiert sind, die durch den Mittelpunkt des Innenringes verlaufen und entlang jeder der Kraftlinien mindestens ein Piezomehrschichtaktor kraftschlüssig an jeweils einer Ringaußenseite ansetzt, wobei der Piezomehrschichtaktor einen lang gestreckten recht- eckigen Querschnitt aufweist und jeweils symmetrisch zu einer Kraftrichtung positioniert ist.

Description

Beschreibung
Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechanischen Motors
Die Erfindung betrifft einen Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechanischen Motors.
Ein elektromechanischer Motor setzt elektrische Energie in mechanische bzw. Bewegungsenergie um. Wird in einem elektro¬ mechanischen Motor ein piezoelektrischer Aktor eingesetzt, so kann man dies als einen piezoelektrischen Motor bezeichnen. Eine andere Bezeichnung wäre beispielsweise "Piezoelektri¬ scher Aktuatorantrieb/Piezoelectric Actuator Drive / PAD". Ein PAD besteht beispielsweise aus einer Welle mit umgreifen¬ dem Ring, welcher von außen mit zwei um 90° gegeneinander angestellten Piezoaktoren in Verschiebebewegungen versetzt wird. In einer anderen Form kann eine Hohlwelle mit innen liegenden mindestens zwei Piezoaktoren, die ebenfalls 90° ge- geneinander versetzt sind, angetrieben werden.
Zur Erzeugung der Verschiebebewegungen des Ringes werden entlang zweier um 90° gegeneinander versetzter, durch den Mittelpunkt des Ringes laufender Zentrallinien/Kraftlinien, Hub- bewegungen erzeugt. Dies geschieht mittels der jeweiligen
Piezoaktoren. Die bekannten und hierfür bisher eingesetzten PADs, die aus der Serienherstellung für Diesel-Einspritzsysteme stammen, weisen auf deren bisherigem Einsatzgebiet, der Injektion von unter Druck stehendem Kraftstoff in Ver- brennungskammern, entsprechende Merkmale auf.
Brennstoff-Injektoren sind heutzutage lang gestreckt und zylinderförmig im Querschnitt ausgebildet. Die lang gestreckte Form weist Durchmesser von wenigen Zentimetern auf und ist beispielsweise 10- 20cm lang. Ein Injektor besteht aus der eigentlichen Einspritzdüse und einer in Reihe geschalteten Piezoaktoreinheit . Daraus ist ersichtlich, dass die Form von bisher verwendeten oder bekannten PADs in Längsrichtung im Querschnitt rund, und entlang ihrer Achse lang gestreckt aus¬ geführt ist. Die Piezoaktoren sind als piezokeramische Multi- layer/ Vielschichtaktoren ausgebildet und bestehen aus alternierend angeordneten Schichten aus Piezokeramik und Innen- elektroden-Material . Das Innenelektroden-Material muss den im Verlauf des Herstellungsprozesses der Aktoren, auch bezeich¬ net als Stack, stattfindenden thermischen Behandlungen wie Entbinderungsprozesse bis ca. 5000C, Sinterung bis ca. HOO0C, standhalten und besteht daher entweder aus teuren Edelmetall-Legierungen wie beispielsweise AgPd, oder aber aus Kupfer, was eine wesentlich aufwändigere und damit kostenin¬ tensivere Herstellung nach sich zieht. Die Piezokeramik weist selbst zumindest im Bereich der Einspritzventile wegen des dort geforderten großen Arbeitstemperaturbereiches von -40 bis +15O0C eine sehr hohe Curie-Temperatur, 3000C oder mehr, auf. Dies bedeutet für die zur Verfügung stehende nutzbare Dehnung der Piezokeramik eine starke Einschränkung. Die Dicke der aktiven Keramikschichten liegen für kommerziell verfügbare Serienaktoren bei ca. 80-100μm. Entsprechende Ansteuer- Spannungen sind im Bereich von 160-230 V möglich. Normalerweise weisen die beschriebenen Aktoren quasi runde Querschnitte auf, was bei vielen Anwendungen, insbesondere bei Kraftstoff-Injektoren den verfügbaren Bauraum unter Berücksichtigung von Kostengesichtspunkten optimal ausnutzt.
Insgesamt sind bisher serienmäßig gefertigte Piezoaktoren entlang ihrer Wirkungsachse extrem lang gestreckt ausgeführt, mit einem großen Arbeitstemperaturbereich verbunden, weisen sehr hohe Lade- und Entladungsströme im Spitzenbereich auf und müssen entsprechend mit hoher Qualität gefertigt werden, um eine ausreichende Standzeit zu gewährleisten.
Die Entwicklung bei Piezoaktoren zum Antrieb eines piezome- chanischen Motors ist mit Ausgestaltungen verbunden gewesen, die anstelle von zwei Aktoren vier oder mehr eingesetzt ha¬ ben. Ziel war eine allgemeine Leistungssteigerung, wobei nach wie vor lediglich zwei Richtungen, die 90° gegeneinander versetzt sind, mit Hubbewegungen bedient werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde unter Beibehaltung von Auslenkung und Steifigkeit eines Piezomehrschichtaktors eine auf einen Piezoelektrischen Antrieb angepasste Form ei- nes Piezomehrschichtaktors bereit zu stellen dessen Bauvolu¬ men wesentlich verringert ist und dessen Verlustwärme bei vergleichbaren Verhältnissen wesentlich reduziert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Kombination der Merkmale des Anspruches 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
Um den bei einem PAD Motor gegebenen Bauraum optimal auszunutzen wird die grundlegende Querschnittsform des Piezomehrschichtaktors nicht quadratisch oder rund dargestellt sondern in rechteckiger lang gestreckter Form. Gleichzeitig wird entlang einer Kraftrichtung lediglich ein Piezomehrschichtaktor eingesetzt. Dies ergibt eine Bestückung mit insgesamt zwei Piezomehrschichtaktoren .
Dabei wird das Verhältnis zwischen aktiver Fläche und inakti¬ vem Kontaktierungsbereich wesentlich verbessert.
Im Folgenden werden anhand der begleitenden schematischen die Erfindung nicht einschränkenden Figuren im Ausführungsbeispiel beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf einen Piezomehrschich t aktor,
Figur 2 zeigt eine Frontansicht im Schnitt eines Piezo¬ mehrschichtaktors mit entsprechend posi- tionierten Elektroden,
Figur 3 zeigt eine Seitenansicht eines Piezomehrschich¬ taktors mit Kontaktierungsschicht , Figur 4 zeigt einen PAD mit pro Kraftrichtung jeweils einem Piezomehrschichtaktor, dessen Grundfläche rechteckig und lang gestreckt ist und der sowohl auf die Kraftlinie entsprechend ausgerichtet, als auch an den Ring des Aktuators angepasst ist,
Figur 5 zeigt einen PAD mit pro Kraftrichtung jeweils einem Piezomehrschichtaktor, dessen
Grundfläche rechteckig und lang gestreckt ist und der sowohl auf die Kraftlinie entsprechend ausgerichtet, als auch an den Ring des Aktuators angepasst ist.
Bei einem beschriebenen neu gestalteten Piezomehrschichtaktor βkann durch den geringen notwendigen Arbeitstemperaturbereich des Piezostacks von ca. -40 bis +8O0C eine effektivere Piezo- keramik mit niedrigerer Curietemperatur eingesetzt werden. Aufgrund der relativ kurzzeitigen Ansteuerungsdauer bei intermittierendem Betrieb des Motors wie z. B. bei einem Auto¬ fenster und der damit nur in geringem Maße zu berücksichti¬ genden Eigenerwärmung durch Verlustwärme des Piezostacks kann die Ansteuerfrequenz höher gewählt werden, was eine gestei- gerte Leistungsabgabe des Stacks zu Folge hat.
Mit den bereits beschriebenen Maßnahmen kann das für gleiche Auslenkung und Steifigkeit notwendige Bauvolumen um ca. 25% verringert werden, woraus wiederum Material und Prozesskosten eingespart werden können. Es ergeben sich somit Stack-Abmes¬ sungen von beispielsweise 3,5*20 mm2 im Querschnitt mit bei¬ spielsweise 30mm Bauhöhe.
Aufgrund der Maßnahmen an der Bauform ist ein Mehrschichtkon- densatordesign der Innenelektroden vorteilhaft. Dies ist verbunden mit einer vollflächigen inaktiven Kontaktierungszone an den Stack-Schmalseiten. Die Prozesstoleranzen hinsichtlich Bedruckungsgenauigkeit der Innenelektroden, dem Trennen im Grünzustand, dem Schleifen des gesinterten Bauteiles sowie der Aufbringung der Außenmetallisierung können damit aufgeweitet werden was insgesamt günstig ist.
Da die elektrische Ansteuerung des Piezostacks mit einem si¬ nusförmigen Ansteuerimpuls von weniger als IkHz erfolgt, bei¬ spielsweise bei 300Hz, treten nur Lade-/Entladeströme im Spitzenbereich von < 5A auf.
Zur Darstellung der unterschiedlichen Verhältnisse sei auf einen Piezomultilayer-Stack in einem Einspritzsystem verwiesen, der Spitzenströme von ca. 30A aufweisen kann. In Verbindung mit der größeren zur Verfügung stehenden Kontaktierungs- fläche kann die Außenkontaktierung des Piezostacks daher we- sentlich einfacher gehalten werden. Somit können Kettenbonds, Leitkleber, und planare Strukturen verwendet werden. Die Außenkontaktierung ist einfacher gegen die aktiven Seitenflächen des Stacks zu passivieren, da es insgesamt keinerlei bauraumbedingte Notwendigkeit für beispielsweise entlang der aktiven Seitenflächen des Stacks liegende Kontaktpins auf den aktiven Seiten gibt. Aufgrund der geringen Spitzenströme kann die Innenelektrode eine geringere Leitfähigkeit aufweisen, was ermöglicht, dass das Innenelektrodenmaterial mit Keramik¬ partikeln verdünnt werden kann. Das Volumen würde sich dabei um beispielsweise 20% verringern. Die Innenelektrode könnte andererseits eine geringere Schichtdicke aufweisen.
Die Einzelschichtdicke wird vergrößert, beispielsweise auf 160μm, um die Anzahl an Innenelektroden pro Bauhöhe zu redu- zieren. Beispielsweise werden unterschiedliche Prozesse ver¬ einfacht, wie der im Bedruckungsprozess für die Innenelektro¬ de oder die Anzahl benötigter Grünfolien. Die Ansteuerspannung steigt zwar gleichzeitig um den gleichen Betrag auf ca. 460 Volt, man verbleibt jedoch im Spannungsbereich für rela- tiv kostengünstige Elektronikbauelemente. Anders ausgedrückt lässt sich eine höhere Ansteuerungsspannung mit den anderen Betriebsparametern hinnehmen. Die niedrigere Arbeitstempera- tur ermöglicht den Einsatz einfacherer Passivierungsmateria- lien anstelle von Silikon-Elastomeren.
Die im Vergleich zur dominierenden Anwendung im Bereich der Kraftstoffeinspritzsysteme deutlich unterschiedlichen Umge¬ bungsbedingungen sowie Performance- und Zuverlässigkeitsanforderungen an den Piezostack sind eingehend analysiert worden. Aufbauend darauf wurde ein neuer Stack entwickelt, der sich durch entscheidende Einsparungen hinsichtlich Material- und Prozessaufwand auszeichnet, was den Weg freimacht für ei¬ ne Serienherstellung des Piezomehrschichtaktors 6 für den Einsatz an einem piezoelektrischen Motor.
Mit den beschriebenen lang gestreckten Piezoaktoren 6 lassen sich Aktoren mit erhöhter Hubkraft herstellen, die auch eine verbesserte Sicherheit gegen Ausknicken aufweisen.
In Figur 1 ist eine Aufsicht auf einen Piezomehrschichtaktor 6 dargestellt, wobei jeweils ein inaktiver Kontaktierungsbe- reich 1, eine Außenmetallisierung/-kontaktierung 2, ein aktiver Stackbereich 5 bezeichnet sind.
Figur 2 zeigt eine Frontansicht mit einem Schnitt eines Pie¬ zomehrschichtaktors 6 mit entsprechend positionierten Elekt- roden, wobei inaktive Kontaktierungsbereiche 1, Innenelektro¬ den 3 und Außenmetallisierung/-kontaktierung 2 am aktiven Piezomehrschichtaktor 6 bezeichnet sind.
Figur 3 zeigt eine Seitenansicht eines Piezomehrschichtaktors 6, die zur Ansicht nach Figur 2 um 90° gedreht ist und somit die Außenmetallisierung/-kontaktierung 2, zur Front hat.
In Figur 4 stellt einen PAD mit pro Kraftrichtung jeweils einem Piezomehrschichtaktor 6 dar, dessen Grundfläche recht- eckig und lang gestreckt ist, hier in Seitenansicht zu sehen, der sowohl auf die Kraftlinie entsprechend ausgerichtet als auch an den Ring des Aktuators angepasst ist. Der Antriebs¬ körper 8 des PAD ist außen quadratisch ausgebildet. Die inne- re Öffnung zur Aufnahme der Welle 9 passt mit der Bohrung im Antriebskörper 8 zusammen.

Claims

Patentansprüche
1. Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechani- schen Motors, bei dem eine Welle (9) durch einen diese ring- förmig an einem Durchgang umgebenden Antriebskörper (8), der queraxial verschiebbar ist, antreibbar ist, indem mindestens zwei um jeweils ca. 90° gegeneinander versetzte Piezomehr- schichtaktoren (6) mit entsprechenden Kraftrichtungen (12), deren Wirkungslinien durch den Mittelpunkt des Durchgangs des Antriebskörpers (8) verlaufen, kraftschlüssig an entsprechen¬ den Ringaußenseiten ansetzen, wobei Piezomehrschichtaktoren einen lang gestreckten rechteckigen Querschnitt aufweisen und jeweils symmetrisch zu einer Kraftrichtung positioniert sind.
2. Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechani- schen Motors, bei dem eine äußere Hohlwelle (11) durch eine innere Hohlwelle (10), die queraxial verschiebbar ist, an¬ treibbar ist, indem mindestens zwei um jeweils ca. 90° gegen- einander versetzte Piezomehrschichtaktoren (6) mit entsprechenden Kraftrichtungen (12), deren Wirkungslinien durch den Mittelpunkt der inneren Hohlwelle verlaufen, kraftschlüssig an entsprechenden Positionen der Ringinnenseite (13) ansetzen, wobei Piezomehrschichtaktoren einen lang gestreckten rechteckigen Querschnitt aufweisen und jeweils symmetrisch zu einer Kraftrichtung positioniert sind.
3. Piezomehrschichtaktor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem an den Aktorschmalseiten mindest an eine inaktive Kontaktie- rungszone vorhanden ist.
4. Piezomehrschichtaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Innenelektroden eine Schichtdicke von ca. 160 μm aufwei- sen.
5. Piezomehrschichtaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Material von Innenelektroden mit Keramikpartikeln versetzt ist .
6. Piezomehrschichtaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zur Optimierung mit dem Arbeitstemperaturbereich des Piezomehrschichtaktors von ca. -40 bis +8O0C eine Piezokera- mik mit entsprechend niedriger Curietemperatur vorhanden ist
7. Piezomehrschichtaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Außenkontaktierung des Piezomehrschichtaktors in Form von Kettenbonds, durch Leitkleber oder planare Struktu¬ ren dargestellt wird.
PCT/EP2007/060054 2006-09-28 2007-09-21 Piezomehrschichtaktor zum antrieb eines elektromechanischen motors WO2008037667A1 (de)

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HAYASHI I ET AL: "DEVELOPMENT OF A PIEZO-ELECTRIC CYCLOID MOTOR", SEIMITSU KOGAKKAISHI - JOURNAL OF JAPAN SOCIETY OF PRECISION ENGINEERING, SEIMITSU KAGAKKAI, TOKYO, JP, vol. 57, no. 8, August 1991 (1991-08-01), pages 1461 - 1467, XP001248813, ISSN: 0912-0289 *

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