DE10048430A1

DE10048430A1 - Piezoelektrischer Aktor

Info

Publication number: DE10048430A1
Application number: DE10048430A
Authority: DE
Inventors: Michael Jupe; Alexander Hedrich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-04-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor (10), insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper (3), insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten. Eine der Stirnseiten des Aktorkörpers (3) ist an einem Aktorfuß (6) festgelegt und der Aktorkörper (3) ist unter Einhaltung eines Zwischenraums von einer Hülse (6) umgeben. Der Zwischenraum ist mit einem elektrisch isolierenden, flüssigen Medium (5) gefüllt, welches über den gesamten Betriebstemperaturbereich des piezoelektrischen Aktors (10) im flüssigen Aggregatzustand vorhanden ist.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger piezoelektrischer Aktor ist beispielsweise aus der DE 196 50 900 bekannt. Im Allgemeinen können piezo elektrische Aktoren z. B. für Einspritzventile eines Kraft fahrzeugmotors sowie in Bremssystemen mit Antiblockiersy stem und Antischlupfregelungen eingesetzt werden. Da der Hub des piezoelektrischen Aktors in der Regel sehr klein ist, wird der Hub mittels mechanischen oder hydraulischen Übersetzern übersetzt, um ein Ventil zu betätigen. Im Ver gleich mit elektromagnetisch betätigten Einspritzventilen können piezoelektrische Aktoren schneller schalten. Aller dings muss beim Aufbau eines piezoelektrischen Aktors be achtet werden, dass durch innere Verluste im piezoelektri schen Körper des Aktors eine Verlustwärme entsteht, die ab geführt werden muss, um eine Überhitzung des Aktors zu ver meiden. Da beispielsweise Keramikmaterialien, welche für eine Piezokeramik verwendet werden, eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, ist die Ableitung innerhalb des im Wesentlichen aus Keramikmaterial bestehenden Aktorkörpers ungünstig. Die durch den Aktor erzeugte Wärme staut sich im Aktor selber.

Aus der WO 00/34700 ist ein piezoelektrischer Aktor be kannt, bei dem ein Zwischenraum zwischen dem Aktorkörper und der Modulwand mit einem elastischen oder plastischen, elektrisch isolierenden Stoff mit guter Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt ist. Dabei ist der isolierende Stoff zumindest im Temperaturbereich unter der Betriebstemperatur des Ak tors fest. Als isolierender Stoff wird dabei ein im unver netzten Zustand niedrigviskoses Elastomer verwendet, wel ches einen wärmeleitfähigen Füllstoff wie z. B. Al₂O₃ verwen det. Hierbei ist jedoch die Stoffaufbereitung der zweikom ponentigen Vergussmaße relativ aufwendig. Weiterhin ist es aus herstellungstechnischer Sicht relativ schwierig, derar tige Stoffe in beengte Räume, wie sie bei Aktoren vorhanden sind, einzuführen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor mit den Merkma len des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die im Stand der Technik bekannte langwierige Herstel lung eines wärmeleitfähigen Elastomervergusses entfällt. Erfindungsgemäß wird in einen Zwischenraum zwischen dem Ak torkörper und einer Hülse ein elektrisch isolierendes, flüssiges Medium gefüllt, welches über den gesamten Be triebstemperaturbereich des Aktors flüssig ist. Somit er folgt durch die erfindungsgemäße Verwendung des flüssigen Mediums eine Wärmeübertragung sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Konvektion. Dabei kann es zu einer freien Kon vektion infolge von durch Temperaturunterschiede hervorgerufenen Dichteunterschiede kommen. Weiterhin kommt es in Folge des Schaltvorganges zu erzwungenen Strömungen. Da das flüssige Medium zur Wärmeübertragung über den gesamten Be triebstemperaturbereich des piezoelektrischen Aktors flüs sig bleibt, wird somit auch über den gesamten Betriebstem peraturbereich eine Kühlung des Aktorkörpers erreicht. Wei terhin kann durch die Verwendung des flüssigen Mediums als Kühlmedium auch die Herstellung des erfindungsgemäßen pie zoelektrischen Aktors vereinfacht werden, da aufgrund der relativ niedrigen Viskosität des Mediums das Medium einfach in den relativ beengten Zwischenraum zwischen dem Aktorkör per und der Hülse eingefüllt werden kann. Hinsichtlich der Herstellung sei angemerkt, dass das flüssige Medium auch in die Hülse eingeführt werden kann und dann bei der Montage des Aktorkörpers dieser in das Medium eintaucht und durch sein Volumen das Medium verdrängt.

Vorzugsweise wird als elektrisch isolierendes, flüssiges Medium Silikonöl verwendet. Dieses ist aufgrund seiner me chanischen und thermischen Eigenschaften besonders zur Küh lung des piezoelektrischen Aktors geeignet. Es sei ange merkt, dass als flüssiges Medium auch ähnliche Stoffe wie das Silikonöl verwendet werden können, welche ähnliche me chanische und thermische Eigenschaften aufweisen.

Um eine Leckage des flüssigen Mediums aus dem piezoelektri schen Aktor zu verhindern, ist an den stirnseitigen Enden des piezoelektrischen Aktors vorzugsweise eine Abdichtung mittels Schweißen vorgesehen.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorlie genden Erfindung erfolgt eine Abdichtung an den stirnseiti gen Enden des piezoelektrischen Aktors mittels eines Kunst stoffs oder Klebstoffs.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorlie genden Erfindung ist der Aktorfuß aus Stahl hergestellt. Die elektrischen Zuleitungen werden zusammen mit dem Aktor fuß umspritzt und sind dicht. Alternativ werden die Zulei tungen im Fuß in Glas eingeschmolzen.

Um eine gute Wärmeübertragung vom piezoelektrischen Aktor nach außen zu gewährleisten, ist die Hülse vorzugsweise als eine Metallhülse ausgebildet.

Um Vorteile hinsichtlich der Herstellung und der Montage zu erhalten, weist der piezoelektrische Aktor vorzugsweise ei nen Aktorkopf und einen Metallbalg auf, welche mit der Hül se eine Baugruppe bilden, die als Schweißkonstruktion aus gestaltet ist. Somit kann diese Baugruppe im Voraus vormon tiert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorlie genden Erfindung weist der piezoelektrische Aktor einen Ak torfuß auf, welcher mit dem Aktorkörper eine Baugruppe bil det. Dadurch können ebenfalls Vorteile hinsichtlich der Herstellung und der Montage erhalten werden.

Somit wird erfindungsgemäß ein piezoelektrischer Aktor be reitgestellt, welcher die durch die Betätigung im Aktor entstehende Wärme über ein flüssiges Medium, welches den Aktorkörper vollständig umgibt, zur Außenseite des piezo elektrischen Aktors übertragen kann. Dabei tritt während der Wärmeübertragung zwischen dem Aktorkörper und dem flüs sigen Medium sowohl Wärmeleitung als auch Konvektion auf. Somit kann erfindungsgemäß die im Aktor entstehende Wärme in sicherer Weise abgeführt werden, sodass keine Beschädi gungen am Aktor auftreten. Weiterhin kann der piezoelektrische Aktor einfach und kostengünstig hergestellt werden, da das flüssige Medium aufgrund seines Aggregatzustands auf einfache Weise in den Zwischenraum zwischen den Aktorkörper und der Hülse des Aktors eingebracht werden kann. Somit können insbesondere die im Stand der Technik notwendigen aufwendigen Verfahrensschritte zur Herstellung eines aus zwei Komponenten bestehenden Elastomers entfallen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung nä her erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Schnittansicht eines Piezoaktormoduls gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der Figur ist ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Aktor 10 im Schnitt dargestellt.

Wie in der Figur gezeigt, umfasst der piezoelektrische Ak tor 10 einen Aktorkörper 3, welcher rechteckig aufgebaut ist. Der Aktorkörper 3 ist in der Form eines vielschichti gen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelek trischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schich ten aufgebaut. An den Seiten des Aktorkörpers 3 ist jeweils eine Elektrode 4 angeordnet. Die Elektroden 4 sind über elektrische Anschlussdrähte 2 und eine nicht näher darge stellte Leitung mit einer Steuereinrichtung (nicht darge stellt) verbunden.

Weiter umfasst der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 10 einen Aktorfuß 1 und einen Aktorkopf 7. Eine Metallhülse 6 bildet die äußere Ummantelung des piezoelektrischen Ak tors 10. Um einen Hub des Aktorkörpers 3 zu ermöglichen, ist die Metallhülse 6 mit einem Metallbalg 8 verbunden, welcher seinerseits am Kopf 7 befestigt ist.

Wie in der Figur gezeigt, ist zwischen der Metallhülse 6 und dem Aktorkörper 3 ein Zwischenraum gebildet, welcher sich mantelförmig um den Aktorkörper 3 erstreckt. Dieser Zwischenraum ist mit einem flüssigen Medium 5, wie z. B. Si likonöl, gefüllt.

Das flüssige Medium 5 ist auch im Bereich zwischen dem Me tallbalg 8 und dem Aktorkopf 7 vorhanden. Um eine dichte Verbindung zwischen dem Metallbalg 8 und der Metallhülse 6 zu erreichen, sind diese beiden Teile im Bereich 12 vor zugsweise lasergeschweißt. Alternativ können der Metallbalg 8 und die Metallhülse 6 auch ein Teil bilden. Ebenfalls ist der Metallbalg 5 am Aktorkopf 7 vorzugsweise mittels Laser schweißen befestigt. Am fußseitigen Ende des piezoelektri schen Aktors 10 ist die Metallhülse 6 an einem Umfangsbe reich 11 des Aktorfußes 1 mittels Schweißen oder Bördeln fluiddicht befestigt. Somit ist der piezoelektrische Aktor 10 an seinen beiden stirnseitigen Enden fluiddicht abge dichtet, sodass das den Aktorkörper 3 umgebende flüssige Medium 5 nicht lecken kann.

Am Aktorkopf 7 ist ein Ringflansch 14 gebildet, an welchen der Aktorkörper 3 anliegt und dadurch den Hub des Aktorkör pers 3 auf den Aktorkopf 7 überträgt. Vom Aktorkopf 7 wird der Hub über einen mechanischen oder hydraulischen Überset zer auf ein Ventilglied, beispielsweise für ein Einspritz ventil oder ein Steuerventil, übertragen.

Wenn nun am Aktorkörper 3 in Folge seiner Betätigung Wärme entsteht, kann diese über das flüssige Medium 5, welches über den gesamten Betriebstemperaturbereich des piezoelek trischen Aktors 10 in einem flüssigen Aggregatzustand ist, vom Aktorkörper 3 fortgeleitet werden. Da das Medium zwi schen dem Aktorkörper 3 und der Metallhülse 6 flüssig ist, erfolgt die Wärmeübertragung sowohl über Konvektion als auch über Wärmeleitung. Eine Zirkulation und somit eine Konvektion des flüssigen Mediums 5 wird dabei durch die Temperaturunterschiede im Aktor 10 erreicht. Da das nieder viskose Medium 5 auf einfache Weise in den Bereich zwischen der Metallhülse 6 und dem Aktorkörper 3 eingebracht werden kann, ergeben sich insbesondere auch bei der Herstellung und der Montage des piezoelektrischen Aktors 10 erhebliche Vorteile, welche zu Kostensenkungen führen. Da die Hülse 6 und der Balg 8 sowie der Aktorfuß 1 vorzugsweise aus Metall hergestellt sind, kann eine Abdichtung in sicherer Weise beispielsweise mittels Laserschweißen erreicht werden.

Es sei angemerkt, dass als flüssiges Medium 5 insbesondere Silikonöl verwendet wird. Es können jedoch auch andere flüssige Medien verwendet werden, welche elektrisch isolie rend sind und ähnliche mechanische und thermische Eigen schaften wie Silikonöl aufweisen.

Somit wird erfindungsgemäß ein piezoelektrischer Aktor 10, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Ein spritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper 3, insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinanderge schichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwi schenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten vorgeschlagen. Eine der Stirnseiten des Aktorkörpers 3 ist an einem Aktorfuß 6 festgelegt und der Aktorkörper 3 ist unter Einhaltung eines Zwischenraums von einer Hülse 6 umgeben. Der Zwischenraum ist mit einem elektrisch isolierenden, flüssigen Medium 5 gefüllt, welches über den gesamten Betriebstemperaturbe reich des piezoelektrischen Aktors 10 im flüssigen Aggre gatszustand vorhanden ist.

Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels ge mäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfin dung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

1. Piezoelektrischer Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen für Verbrennungsmoto ren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktor körper (3), insbesondere in Form eines vielschichtigen La minats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elek trisch leitenden als Elektroden dienenden Schichten, wobei eine der Stirnseiten des Aktorkörpers (3) an einem Aktorfuß (1) festgelegt ist und der Aktorkörper (3) unter Einhaltung eines Zwischenraums von einer Hülse (6) umgeben ist, da durch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum mit einem elek trisch isolierenden, flüssigen Medium (5) gefüllt ist, wel ches über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Aktors (10) flüssig ist.

2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das flüssige Medium Silikonöl ist.

3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden stirn seitigen Enden des piezoelektrischen Aktors (10) mittels Schweißen, insbesondere Laserschweißen, abgedichtet sind.

4. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden stirn seitigen Enden des piezoelektrischen Aktors (10) mittels eines Klebstoffs abgedichtet sind.

5. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführungen der elektrischen Leiter des piezoelektrischen Aktors (10) mit einer Kunststoffummantelung oder einer Glaseinschmelzung abgedichtet sind.

6. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdichtung an einem aktorfußseitigen Ende des Aktors (10) durch einen mit Kunststoff umspritzten oder in Glas eingeschmolzenen Aktor fuß (1) aus Stahl gebildet ist.

7. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (6) als Metall hülse ausgebildet ist.

8. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor einen Aktorkopf (7) und einen Metallbalg (8) aufweist, welche mit der Hülse (6) eine Baugruppe als Schweißkonstruktion bilden.

9. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor einen Aktorfuß (1) aufweist, welcher mit dem Aktorkörper (3) eine Baugrup pe bildet.