DE19909450A1 - Piezoelektrischer Aktor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen, mit einem in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten gebildeten Aktorkörper (10), an dessen Endflächen je eine ventilseitige Bodenplatte (11) und eine gegenüberliegende Kopfplatte (12) angebracht sind. Der piezoelektrische Aktor ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (10) an seinen Endflächen jeweils eine piezoinaktive Deckschicht (13, 14) aufweist und dass die an den Endflächen des Aktorkörpers (10) anschließenden Anschlussflächen der Bodenplatte (11) und der Kopfplatte (12) die Deckschichten umgreifende Fixierelemente (16, 17; 18) wenigstens zur kraftschlüssigen Fixierung der Deckschichten (13, 14) des Aktorkörpers (10) aufweisen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen, mit einem in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten gebildeten Aktorkörper, an dessen Endflächen je eine ventilseitige Bodenplatte und eine gegenüberliegende Kopfplatte angebracht sind.

Ein derartiger piezoelektrischer Aktor ist bekannt z. B. aus der DE 196 50 900 A1 der Robert Bosch GmbH. Ein derartiger, in Form eines laminierten Stapels aus piezoelektrischen Schichten mit dazwischenliegenden Elektrodenschichten gebildeter piezoelektrischer Mehrlagenaktor muss unter einer mechanischen Vorspannung eingebaut werden, da er sonst bei einer Betätigung auseinanderreißen würde.

In der oben genannten DE 196 50 900 A1 wird vorgeschlagen, einen piezoelektrischen Mehrlagenaktorkörper stirnseitig jeweils mit einer Bodenplatte und einer Kopfplatte zu verkleben. Die benötigte Vorspannung wird durch Federbänder aufgebracht, die zu beiden Seiten in Längsrichtung des Aktorkörpers liegen und die Bodenplatte und die Kopfplatte zusammenspannen. Da eine Klebeschicht immer eine gewisse Elastizität aufweist, wird durch die stirnseitigen Verklebungen des Aktorkörpers die Steifigkeit des Gesamtsystems negativ beeinflusst. Da der Aktorkörper aber an der Bodenplatte und der Kopfplatte fixiert werden muss, sind Fixiertechniken nötig, die den Nachteil der mangelnden Steifigkeit des Gesamtsystems vermeiden.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Aktor so zu ermöglichen, dass dessen Aktorkörper ohne Verklebungen an der Bodenplatte und der gegenüberliegenden Kopfplatte fixiert werden kann.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt zeichnet sich ein piezoelektrischer Aktor gemäß der Erfindung dadurch aus, dass der Aktorkörper an seinen Endflächen jeweils eine piezo-inaktive Deckschicht aufweist und dass die an den Endflächen des Aktorkörpers anschließenden Anschlussflächen der Bodenplatte und der Kopfplatte die Deckschichten umgreifende Fixierelemente wenigstens zur kraftschlüssigen Fixierung der Deckschichten des Aktorkörpers aufweisen. Die die piezo-inaktiven Deckschichten des Aktorkörpers kraftschlüssig und wahlweise auch formschlüssig umgreifenden Fixierelemente können gemäß einem Ausführungsbeispiel Vertiefungen sein, die jeweils in der Bodenplatte und der Kopfplatte so angebracht sind, dass sie, um den Kraftschluss herzustellen, an die Außenabmessung der angrenzenden Endfläche des Aktorkörpers bzw. dessen piezo-inaktiver Deckschicht angepasst sind. Solche Vertiefungen können vorteilhafterweise durch eine Prägung der Bodenplatte und der Kopfplatte gebildet werden. Eine solche kostengünstige Prägung lässt auch eine quadratische oder rechteckige Kontur der Vertiefung zu, so dass vorteilhaft piezoelektrische Aktorkörper mit rechteckiger oder quadratischer Außenkontur form- und kraftschlüssig in die Vertiefungen eingreifen können.

Auch kreisrunde Vertiefungen können zur Fixierung eines Aktorkörpers mit kreisrunder Außenkontur oder, wenn nur Kraftschluss nötig ist, mit quadratischer Außenkontur in die Bodenplatte und die Kopfplatte eingeprägt sein. Eine kreisrunde Vertiefung greift formschlüssig an den Kanten eines Aktorkörpers mit quadratischem Querschnitt an.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Fixierelemente jeweils einen in seinem Innenmaß an die Außenabmessung der angrenzenden Endfläche bzw. der Deckschicht des Aktorkörpers angepassten Fixierring aufweisen, der an oder auf der Anschlussfläche der Bodenplatte sowie der Kopfplatte fixiert ist. Bei Verwendung solcher Fixierringe ist es vorteilhaft, wenn die Deckschichten des Aktorkörpers etwas dicker sind.

Auch die Fixierringe können verschiedene Innenkonturen haben, z. B. quadratische oder rechteckige oder auch eine kreisrunde, ovale oder elliptische Innenkontur. Fixierringe mit einer kreisrunden Innenkontur können auch zur Fixierung eines Aktorkörpers mit quadratischer Außenkontur verwendet werden, wenn auf eine Drehfixierung verzichtet werden kann, und Fixierringe mit ovaler oder elliptischer Innenkontur können zur Fixierung von Aktorkörpern mit rechteckiger Außenkontur verwendet werden, wenn auf eine Drehfixierung verzichtet werden kann. In diesem Fall greifen die Fixierringe kraftschlüssig mit ihrer Innenkontur an den Kanten von Aktorkörpern mit quadratischer oder rechteckiger Außenkontur an.

Da die eigentlichen elastischen Spannmittel zum Vorspannen des Mehrlagenaktors nicht Gegenstand dieser Anmeldung sind, werden sie an dieser Stelle auch nicht näher beschrieben. Dazu sei nur soviel gesagt, dass ein solcher Mehrlagenaktor statt mit den in der oben zitierten DE 196 50 900 A1 verwendeten, seitlich des Aktorkörpers zwischen der Kopfplatte und der Bodenplatte eingespannten Federbändern auch mit zentrisch an der Kopf- oder Bodenplatte angreifenden Tellerfedern oder zylindrischen Schraubenfedern vorgespannt werden kann.

Die obigen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachstehenden zwei prinzipielle Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläuternden Beschreibung noch deutlicher.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors, und

die Fig. 2A und 2B zeigen schematisch jeweils in Form eines Teillängsschnitts und eines Querschnitts ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors.

Ausführungsbeispiele

Der schematische Längsschnitt der Fig. 1 zeigt einen piezoelektrischen Aktorkörper 10, der aus einem vielschichtigen Laminat mit aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden als Elektroden dienenden Schichten besteht und der mit seinen Endflächen zwischen einer Bodenplatte 11 und einer gegenüberliegenden Kopfplatte 12 sitzt. Die an die Bodenplatte 11 angrenzende Stirnseite und die an die Kopfplatte 12 angrenzende Stirnseite des Aktorkörpers 10 sind mit je einer piezo­ inaktiven Deckschicht 13 und 14 versehen. Zur Fixierung des so gebildeten Aktorkörpers 10 weisen die Bodenplatte 11 und die Kopfplatte 12 jeweils eine Vertiefung 16 und 17 auf, deren Maße jeweils an die Außenabmessung der angrenzenden Endfläche, d. h. der jeweiligen piezo-inaktiven Deckschicht 13 und 14 angepasst sind.

Die Vertiefungen 16, 17 können in vorteilhafter Weise z. B. durch Prägen oder Erodieren in die Bodenplatte 11 und die Kopfplatte 12 eingearbeitet werden. Der piezoelektrische Aktorkörper 10 greift mit seinen Endflächen, d. h. mit der jeweiligen piezo-inaktiven Deckschicht 13 und 14 wenigstens kraftschlüssig in die genannten eingeprägten Vertiefungen 16 und 17 ein. Der Vorteil der eingeprägten Vertiefungen 16 und 17 besteht darin, dass durch den Prägevorgang außer einer kreisrunden oder ovalen auch eine quadratische oder rechteckige Kontur in einfacher und kostengünstiger Weise eingeprägt werden kann. Auf diese Weise kann z. B. ein im Querschnitt rechteckiger oder quadratischer Aktorkörper 10 formschlüssig in den Vertiefungen 16 und 17 fixiert werden.

Somit ist durch die im ersten Ausführungsbeispiel als Fixiermittel dienenden Vertiefungen 16 und 17, in denen der Aktorkörper 10 formschlüssig fixiert werden kann, die im Stand der Technik übliche Klebeschicht vermieden, die aufgrund ihrer Elastizität die Steifigkeit des Gesamtsystems negativ beeinflusste.

Selbstverständlich lässt sich auch ein Aktorkörper 10 mit quadratischer Querschnittsform in kreisrunden Vertiefungen 16 und 17 kraftschlüssig gegen Verdrehen fixieren, wenn dafür Sorge getragen ist, dass der Innenrand der Vertiefungen 16 und 17 formschlüssig an den Kanten der quadratischen piezo-inaktiven Deckschichten 13 und 14 angreift.

Die Fig. 2A und 2B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors, wobei lediglich der an der Bodenplatte 11 anschließende (in den Fig. 2A untere) Abschnitt des Aktorkörpers 10 dargestellt ist. Die an die Bodenplatte 11 angrenzende piezo-inaktive Deckschicht 13 ist bei dem in Fig. 2A und 2B dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise dicker als die piezo­ inaktive Deckschicht 13 des in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels. Gemäß Fig. 2A und 2B dient zur Fixierung des Aktorkörpers 10 ein mit der Bodenplatte 11 fest verbundener Fixierring 18, dessen Innenmaß an die Außenabmessung der angrenzenden Endfläche des Aktorkörpers 10 angepasst ist.

Selbstverständlich kann das Fixierelement, das fixierend an der entgegengesetzten Endfläche des Aktorkörpers an einer dort gleichfalls vorgesehenen piezo-inaktiven Deckschicht angreift, aus einem gleichartigen Fixierring bestehen. Wie insbesondere die Fig. 2B deutlich macht, greift der Fixierring 18 mit seiner inneren Ringfläche an den Kanten eines Aktorkörpers 10 beispielsweise mit quadratischem Querschnitt an (Fixierpunkte 19-22). In ähnlicher Weise lassen sich mit anderen Fixierringen, die eine ovale oder elliptische Innenkontur haben, Aktorkörper 10 mit rechteckiger Außenkontur fixieren.

Die gemäß den Fig. 2A und 2B zur Fixierung des Aktorkörpers 10 verwendeten Fixierringe 18 erfüllen dieselbe Funktion, wie die beim ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Vertiefungen 16 und 17, indem sie ohne Klebstoffschicht den Aktorkörper 10 mit einer angrenzenden Bodenplatte und Kopfplatte verbinden. Das Entfallen der Klebstoffschicht an den Stirnseiten sorgt für eine Erhöhung der Steifigkeit des Gesamtsystems.

Claims (9)

1. Piezoelektrischer Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen in Kraftfahrzeugen, mit einem in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten gebildeten Aktorkörper (10), an dessen Endflächen je eine ventilseitige Bodenplatte (11) und eine gegenüberliegende Kopfplatte (12) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (10) an seinen Endflächen jeweils eine piezo-inaktive Deckschicht (13, 14) aufweist und dass die an den Endflächen des Aktorkörpers (10) anschließenden Anschlussflächen der Bodenplatte (11) und der Kopfplatte (12) die Deckschichten umgreifende Fixierelemente (16, 17; 18) wenigstens zur kraftschlüssigen Fixierung der Deckschichten (13, 14) des Aktorkörpers (10) aufweisen.

2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierelemente jeweils eine an die Außenabmessung der angrenzenden Deckschicht (13, 14) des Aktorkörpers (10) angepasste Vertiefung (16, 17) in der Anschlussfläche der Bodenplatte (11) und der Kopfplatte (12) aufweisen.

3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (16, 17) jeweils durch eine Prägung und/oder durch Erodieren in der Anschlussfläche der Bodenplatte (11) und Kopfplatte (12) gebildet sind.

4. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen eine kreisrunde Kontur haben.

5. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen eine rechteckige oder quadratische Kontur haben.

6. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierelemente jeweils einen in seinem Innenmaß an die Außenabmessung der angrenzenden Deckschicht (13, 14) des Aktorkörpers (10) angepassten Fixierring (18) auf der Anschlussfläche der Bodenplatte (11) und der Kopfplatte (12) aufweisen.

7. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierringe (18) eine quadratische oder rechteckige Innenkontur haben.

8. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierringe (18) eine kreisrunde Innenkontur haben.

9. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierringe (18) eine ovale oder eliptische Innenkontur haben.