DE10328373A1 - Piezoelektrisches Bauteil mit Temperiervorrichtung und Verwendung des Bauteils - Google Patents
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Abstract
Die Erfomdimg betrifft ein piezoelektrisches Bauteil (1) mit mindestens einem Piezoelement (10), das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten (11, 12, 22, 23) und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht (13, 24) aufweist, mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen (30, 31) zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements und mindestens einem Mittel (50) zum Temperieren des Piezoelements. Das piezoelektrische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Temperieren des Piezoelements Kohlenstoff-Fasern aufweist, die von den Elektrodenschichten und den Anschlusselementen elektrisch isoliert sind. Die Kohlenstoff-Fasern weisen insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren (51) auf, die sich durch eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine hohe Elastizität auszeichnen. Das Mittel zum Temperieren ist insbesondere eine Umhüllung des Piezoelements. Es liegt eine flexible und thermisch hochleitfähige Umhüllung des Piezoelements vor. Das piezoelektrische Bauteil ist insbesondere ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper (20) in monolithischer Vielschichtbauweise. Mithilfe der Umhüllung mit den Kohlenstoff-Nanoröhren kann Verlustwärme im Betrieb des Piezoaktors vom Aktorkörper effizient abgeleitet werden. Der Piezoaktor wird insbesondere in der Automobilindustrie zur Betätigung eines Einspritzventils eines Motors verwendet.
Description
- Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem Piezoelement, das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht aufweist, mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements und mindestens einem Mittel zum Temperieren des Piezoelements. Die piezoelektrische Schicht und die Elektrodenschichten des Piezoelements sind derart miteinander verbunden, dass durch eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten ein elektrisches Feld in die piezoelektrische Schicht eingekoppelt wird. Aufgrund des eingekoppelten elektrischen Feldes kommt es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht und damit zur Auslenkung des Piezoelements. Neben dem Bauteil wird eine Verwendung des Bauteils angegeben.
- Das piezoelektrische Bauteil ist beispielsweise ein piezoelektrischer Aktor. Der piezoelektrische Aktor besteht beispielsweise aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen. Ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise geht beispielsweise aus der
US 6 236 146 B1 hervor. Bei dem Piezoaktor ist eine Vielzahl von Elektrodenschichten, die als Innenelektroden bezeichnet werden, und piezoelektrischen Schichten aus einer Piezokeramik abwechselnd übereinander gestapelt und gemeinsam zu dem monolithischen Aktorkörper gesintert. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten sind benachbarte Elektrodenschichten abwechselnd an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt. An diesen Oberflächenabschnitten weist der Aktorkörper jeweils eine streifenförmige Metallisierung auf. - Der bekannte Piezoaktor wird beispielsweise zur Ansteuerung eines Einspritzventils eines Motors eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Die durch die elektrische Ansteuerung eingespeiste Energie geht teilweise als Wärme (Verlustwärme) verloren. Bei einer im Hinblick auf die Anwendung üblichen, hohen Repitionsrate der Ansteuerung des Piezoaktors kann es zu einer unerwünschten Erwärmung des Aktorkörpers kommen. Beispielsweise wird der Aktorkörper über die Curie-Temperatur des piezoelektrischen Materials der piezoelektrischen Schichten erwärmt. Es käme zu einer Depolarisation des piezoelektrischen Materials und in Folge davon zum Ausfall des Piezoaktors.
- In der Veröffentlichung Carbon Nanotubes, Topics Appl. Phys. 80 (2001), Seiten 391–425 werden Kohlenstoff-Fasern in Form von Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotubes) vorgestellt. Derartige Kohlenstoff-Fasern haben einen Röhrendurchmesser im Nanometerbereich. Die Kohlenstoff-Nanoröhren zeichnen sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine hohe Elastizität und damit Flexibilität aus.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Piezoaktor bereitzustellen, bei dem die Wahrscheinlichkeit der Erwärmung über die Curie-Temperatur des piezoelektrischen Materials im Vergleich zum bekannten Stand der Technik reduziert ist.
- Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem Piezoelement, das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht aufweist, mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements und mindestens einem Mittel zum Temperieren des Piezoelements angegeben. Das piezoelektrische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Temperieren des Piezoelements Kohlenstoff-Fasern aufweist, die von den Elektrodenschichten und den Anschlusselementen elektrisch isoliert sind.
- Das Mittel zum Temperieren sorgt für eine gute thermische Anbindung des Piezoelements an eine Umgebung. Dadurch kann eine notwendige Betriebstemperatur des Aktorkörpers eingestellt werden. Insbesondere kann dabei überschüssige Wärme vom Piezoelement effizient abgeleitet werden. Das Piezoelement wird gekühlt. Zum effizienten Temperieren werden Kohlenstoff-Fasern eingesetzt. Die Kohlenstoff-Fasern sind beispielsweise Fasern aus Graphit.
- In einer besonderen Ausgestaltung weisen die Kohlenstoff-Fasern Kohlenstoff-Nanoröhren auf. Die Kohlenstoff-Nanoröhren weisen einen Röhrendurchmesser auf, der von wenigen nm bis hin zu 100 nm reicht. Eine Röhrenlänge der Kohlenstoff-Nanoröhren kann bis hin zu mehreren mm betragen. Die Kohlenstoff-Nanoröhren liegen als einwandige Nanoröhren (Single Walled Nanotubes, SWNTs) oder mehrwandige Nanoröhren (Multi Walled Nanaotubes, MWNTs) vor.
- Die Kohlenstoff-Fasern und insbesondere die Kohlenstoff-Nanoröhren zeichnen sich durch eine sehr gute thermische Leitfähigkeit aus. Da Kohlenstoff-Fasern bzw. die Kohlenstoff-Nanoröhren auch über eine hohe elektrische Leitfähigkeit verfügen, werden sie von den elektrische leitenden Elementen des piezoelektrischen Bauteils, also den Elektrodenschichten und den elektrischen Anschlusselementen, elektrisch isoliert. Dies gelingt beispielweise mit einer dünnen elektrischen Isolationsschicht, die zwischen den Kohlenstoff-Fasern des Mittels zum Temperieren des Piezoelements und den elektrisch leitenden Elementen des piezoelektrischen Bauteils angeordnet werden. Insbesondere bietet sich dazu eine elektrische Isolationsschicht an, die über eine gute thermische Leitfähigkeit verfügt. Eine solche Isolationsschicht ist beispielsweise von einem Polymer gebildet, in das keramische Partikel mit einer relativ guten thermischen Leitfähigkeit eingearbeitet sind. Derartige keramische Partikel bestehen beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3). Denkbar ist insbesondere thermisch leitender, aber elektrisch isolierender Leitklebstoff. Das Mittel zum Temperieren mit den Kohlenstoff-Fasern ist an das Piezoelement geklebt.
- Das Mittel zum Temperieren ist mit dem Piezoelement derart verbunden, dass eine thermische Kopplung zwischen dem Piezoelement und diesem Mittel im gesamten Betrieb des piezoelektrischen Bauteils gegeben ist. Dies bedeutet, dass die thermische Kopplung auch bei Auslenkung des Piezoelements gewährleistet ist. Die thermische Kopplung resultiert vorzugsweise durch Wärmeleitung zwischen dem Piezoelement und den Kohlenstoff-Fasern. Beispielsweise sind dazu beide Bestandteile des piezoelektrischen Bauteils mit Hilfe eines thermisch leitfähigen, elastischen Klebstoffs fest miteinander verbunden.
- Im Betrieb des piezoelektrischen Bauteils kommt es durch die Auslenkung des Piezoelements zu mechanischen Spannungen im Übergangsbereich Piezoelement – Leitklebstoff – Mittel zum Temperieren des Piezoelements. Die Kohlenstoff-Fasern und insbesondere die Kohlenstoff-Nanoröhren sind bezüglich dieses Aspekts besonders vorteilhaft, da sie neben der sehr hohen thermischen Leitfähigkeit auch eine sehr hohe Elastizität aufweisen. Aufgrund der hohen Elastizität sind die Kohlenstoff-Nanoröhren in der Lage, der Auslenkung des Aktorkörpers zu folgen. Eventuell durch die Auslenkung hervorgerufene mechanische Spannungen werden wirkungsvoll abgebaut. Es bleibt eine sehr gute thermische Kopplung zwischen dem Piezoelement und den Kohlenstoff-Nanoröhren erhalten.
- Die Kohlenstoff-Fasern können vereinzelt vorliegen. Denkbar ist auch, dass die Kohlenstoff-Fasern zu mindestens einem Faserbündel miteinander verbunden sind. Das Faserbündel besteht aus mehreren, einzelnen Kohlenstoff-Fasern. Die Kohlenstoff-Fasern sind dabei im Wesentlichen entlang einer gemeinsamen Vorzugsrichtung ausgerichtet und mit Hilfe eines Verbindungsmittels miteinander verbunden. Das Verbindungsmittel ist beispielsweise eine Umwicklung oder eine Umhüllung der Kohlenstoff-Fasern.
- In einer weiteren Ausgestaltung sind die Kohlenstoff-Fasern zu einem Fasergewebe miteinander verbunden. Die Kohlenstoff-Fasern bzw. Faserbündel aus den Kohlenstoff-Fasern sind miteinander verwoben oder verflechtet. Beispielsweise ist das Fasergewebe ein Vlies aus Kohlenstoff-Fasern. Das Fasergewebe zeichnet sich, wie die Kohlenstoff-Fasern und insbesondere die Kohlenstoff-Nanoröhren selbst, durch eine hohe Elastizität bzw. Flexibilität aus. Da sich die Kohlenstoff-Fasern in dem Fasergewebe gegenseitig berühren, ist die thermische Leitfähigkeit über das Fasergewebe hinweg gewährleistet.
- In einer weiteren Ausgestaltung weist das Mittel zum Temperieren des piezoelektrischen Bauteils ein Verbundmaterial auf, das zusammen mit den Kohlenstoff-Fasern einen Verbundwerkstoff bildet. Das Verbundmaterial fungiert als Matrix, in die die Kohlenstoff-Fasern eingebettet sind.
- Im Fall von Kohlenstoff-Nanoröhren kann das Verbundmaterial auch in den Hohlräumen der Kohlenstoff-Nanoröhren eingelagert sein. Auf diese Weise lassen sich die elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhren und damit die elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften des Verbundwerkstoff beeinflussen. Die Kohlenstoff-Nanoröhren eignen sich besonders zur Anwendung in einem Verbundwerkstoff, da sie relativ einfach modifiziert werden können. An den Außenwänden der Kohlenstoff-Nanoröhren können funktionelle Gruppen, beispielsweise hydrophile oder hydrophobe Gruppen, gebunden werden. Dadurch kann eine Mischbarkeit und/oder eine Stärke des Verbundes aus Kohlenstoff-Nanoröhren und Verbundmaterial beeinflusst werden.
- Das Verbundmaterial ist vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Material. Das elektrisch isolierende Material ist beispielsweise ein elektrisch isolierender Kunststoff. Dieser Kunststoff bildet eine polymere Matrix, in die die Kohlenstoff-Fasern eingebettet sind. Der Verbundwerkstoff besteht aus dem Kunststoff und den Kohlenstoff-Fasern. Um eine thermische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs zu gewährleisten, ist ein entsprechend hoher Füllgrad der Kohlenstoff-Fasern im Kunststoff nötig. Der Füllgrad der Kohlenstoff-Fasern ist so hoch gewählt, dass eine sogenannte Perkolationsgrenze erreicht oder überschritten ist. Bei der Perkolationsgrenze berühren sich die Kohlenstoff-Fasern gegenseitig. Dadurch ist die thermische Leitfähigkeit von Kohlenstoff-Faser zu Kohlenstoff-Faser und damit über den gesamten Verbundwerkstoff hinweg gewährleistet.
- Der Kunststoff kann ein beliebiger thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff sein. Im Hinblick auf die Verwendung des Verbundwerkstoffs zur Temperierung des Piezoelements des piezoelektrischen Bauteils ist der Kunststoff vorzugsweise ein elastomerer Kunststoff. Der elastomere Kunststoff, beispielsweise ein Silikon-Elastomer, zeichnet sich durch eine hohe Elastizität bzw. Flexibilität aus. Durch das Einbetten der Kohlenstoff-Fasern in einen elastomeren Kunststoff bleibt die Flexibilität des Kunststoffs im Wesentlichen erhalten. Gleichzeitig wird aber eine effiziente Temperierung des Piezoelements erzielt.
- Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das Mittel zum Temperieren eine thermisch mit dem Piezoelement gekoppelte, die Kohlenstoff-Fasern aufweisende Umhüllung des Piezoelements. Die Umhüllung mit den Kohlenstoff-Fasern kann das Piezoelement teilweise oder vollständig umgeben. Insbesondere ist dadurch eine großflächige und damit effiziente thermische Ankopplung möglich.
- Vorzugsweise sind neben dem Piezoelement auch die elektrischen Anschlusselemente des piezoelektrischen Bauteils in der Umhüllung angeordnet. Dies führt zu einem sehr kompakten Aufbau des piezoelektrischen Bauteils. Eine Art der elektrischen Anschlusselemente und deren elektrische Kontaktierung mit den Elektrodenschichten des Piezoelements sind beliebig.
- Zur elektrischen Kontaktierung erstreckt sich beispielsweise mindestens eine der Elektrodenschichten des Piezoelements an einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements. Dort ist die Elektrodenschicht mit mindestens einem elektrischen Anschlusselement elektrisch leitend verbunden. Das Piezoelement weist beispielsweise eine quadratische oder rechteckige Grundfläche auf. Der seitliche Oberflächenabschnitt kann sich an einer Ecke des Piezoelements befinden. Dieser Oberflächenabschnitt kann sich auch entlang einer gesamten seitlichen Ausdehnung des Piezoelements erstrecken. Denkbar ist auch, dass der Oberflächenabschnitt von nahezu einer gesamten Seite des Piezoelements gebildet ist.
- Bewährt haben sich beispielsweise Anschlusselemente in Form eines Drahtgeflecht aus Metalldrähten oder in Form einer Vielzahl von einzelnen Metalldrähten. Das Drahtgeflecht oder die Metalldrähte sind an den seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements gelötet. Derartige Anschlusselemente zeichnen sich durch eine sehr hohen Flexibilität aus. Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstoff-Fasern und insbesondere von Kohlenstoff-Nanoröhren kann das elektrische Anschlusselement auch aus diesen Materialien aufgebaut sein.
- Das piezoelektrische Bauteil ist beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewandler. Der Biegewandler ist beispielsweise ein sogenannter Bimorph-Biegewandler mit piezoelektrisch aktiven und piezoelektrisch inaktiven Schichten. Der Biegewandler kann dabei aus mehreren Piezoelementen aufgebaut sein. Die piezoelektrischen Schichten können aus piezoelektrischem Kunststoff, beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), oder piezoelektrischer Keramik, beispielsweise Bleizirkonattitanat (Pb(Ti,Zr)O3, PZT), bestehen.
- In einer besonderen Ausgestaltung ist das piezoelektrische Bauteil ein Vielschichtaktor, bei dem eine Vielzahl von Piezoelementen zu einem stapelförmigen Aktorkörper mit einer Stapelrichtung angeordnet sind. Der Aktorkörper kann aus miteinander verklebten Piezoelementen bestehen. Dabei bestehen die piezoelektrischen Schichten der Piezoelemente beispielsweise aus einem piezoelektrischen Kunststoff. Vorzugsweise ist der Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise hergestellt. Dabei bestehen die piezoelektrischen Schichten aus einer Piezokeramik. Die Piezokeramik ist beispielsweise ein Bleizirkonattitanat. Ein Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten ist beispielsweise eine Silber-Palladium-Legierung. Zum Herstellen dieses Aktorkörpers werden keramische Grünfolien mit der Piezokeramik und Elektrodenschichten aus dem elektrisch leitenden Material abwechselnd übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert. Denkbar ist auch das Stapeln von mit Elektrodenmaterial flächig bedruckten keramischen Grünfolien.
- Die Piezoelemente des Vielschichtaktors sind beispielsweise derart zu dem stapelförmigen Aktor angeordnet, dass benachbarte Piezoelemente eine gemeinsame Elektrodenschicht aufweisen, die Elektrodenschichten der Piezoelemente in Stapelrichtung des Aktorkörpers abwechselnd an mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt sind und mindestens einer der Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers mit einem der elektrischen Anschlusselemente elektrisch leitend verbunden ist.
- Eine besonders hohe Flexibilität des Mittels zum Temperieren bei gleichzeitig effizienter thermischer Kopplung wird dadurch erreicht, dass zumindest ein Teil der Kohlenstoff-Fasern quer zur Stapelrichtung des oben beschriebenen Aktorkörpers ausgerichtet ist. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass Abweichungen von der Querausrichtung um bis zu 45° möglich und zulässig sind. Zum Herstellen des Mittels zum Temperieren des Piezoelements mit den ausgerichteten Kohlenstoff-Fasern werden beispielsweise die Kohlenstoff-Fasern in einem noch nicht oder nur teilweise vernetzten Kunststoff mit entsprechend niedriger Viskosität ausgerichtet. Das Ausrichten der Kohlenstoff-Fasern in dem noch nicht vernetzten Kunststoff erfolgt beispielsweise mechanisch mit Hilfe eines Kamms. Nach dem Ausrichten wird der Kunststoff vernetzt. Es bildet sich eine Matrix aus dem Kunststoff, in die die Kohlenstoff-Fasern im Wesentlichen parallel zueinander entlang einer gemeinsamen Vorzugsrichtung ausgerichtet sind. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass bezüglich der Ausrichtung eine Verteilung um die gemeinsame Vorzugsrichtung vorliegt.
- Zur effizienten Temperierung des Piezoelements verfügt das piezoelektrische Bauteil über eine Wärmesenke, die mittelbar über das Mittel zum Temperieren thermisch mit dem Piezoelement des piezoelektrischen Bauteils gekoppelt ist. Die Wärmesenke sorgt im Betrieb des piezoelektrischen Bauteils für einen Temperaturgradienten, so dass Wärme vom Piezoelement über das Mittel zum Temperieren abgeleitet werden kann. Es kommt nicht zu einer unerwünschten Erwärmung des Piezoelements.
- Das piezoelektrische Bauteil, insbesondere das piezoelektrische Bauteil in Form des Piezoaktors mit monolithischem Aktorkörper wird zur Betätigung eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventil einer Brennkraftmaschine verwendet. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise ein Motor eines Personenkraftwagens. Aufgrund der effizienten Kühlung des Aktorkörpers mit Hilfe der Kohlenstoff-Fasern ist es insbesondere auch möglich, bereits bekannte Piezoaktoren für Mehrfacheinspritzungen zu verwenden. Bei Mehrfacheinspritzungen werden die Piezoaktoren bzw. die Einspritzventile mehrfach aufeinander folgend angesteuert. Aufgrund der Verluste der Piezokeramik würde sich der Aktorkörper aufgrund der mehrfachen aufeinander folgenden Ansteuerung ohne effiziente Kühlung zu stark erwärmen.
- Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung vorliegende wesentlichen Vorteile:
- – Durch die sehr gute thermische Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Fasern und insbesondere der Kohlenstoff-Nanoröhren wird ein effizientes Mittel zum Temperieren bzw. zum Kühlen des Piezoelements des piezoelektrischen Bauteils bereitgestellt.
- – Die Kohlenstoff-Fasern führen zu einem flexiblen, dehnbaren Mittel zum Temperieren des Piezoelements.
- – Aufgrund der Flexibilität des Mittels können mechanische Spannungen, deren Ursache in der Auslenkung des Piezoelements oder der Piezoelemente des piezoelektrischen Bauteils zu finden sind, effizient abgebaut werden. Dies trifft insbesondere auf piezoelektrische Bauteile mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise zu.
- – Das piezoelektrische Bauteil zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit aus.
- Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
-
1 zeigt eine Querschnitt eines Piezoaktors mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise, der in einer Umhüllung mit Kohlenstoff-Fasern angeordnet ist. -
2 zeigt den Piezoaktor aus1 in einer perspektivischen Darstellung. -
3 zeigt den Piezoaktor aus1 ohne Umhüllung von der Seite. -
4 zeigt ein Piezoelement des Piezoaktors aus1 im seitlichen Querschnitt. -
5 zeigt einen Ausschnitt einer Kohlenstoff-Nanoröhre von der Seite. -
6 zeigt ein Fasergewebe aus Kohlenstoff-Nanoröhren. - Das piezoelektrische Bauteil
1 ist ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper20 in monolithischer Vielschichtbauweise mit einer quadratischen Grundfläche (1 ). Bei diesem Aktorkörper20 ist eine Vielzahl von Piezoelementen10 entlang der Stapelrichtung21 übereinander gestapelt und fest verbunden. Ein Piezoelement10 besteht aus einer piezoelektrischen Schicht13 aus einer Piezokeramik (4 ). Die Piezokeramik ist ein Bleizirkonattitanat. Die piezoelektrische Schicht13 befindet sich zwischen einer Elektrodenschicht11 und einer weiteren Elektrodenschicht12 des Piezoelements10 . Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten11 und12 ist eine Silber-Palladium- Legierung. Die Elektrodenschichten11 und12 sind derart an den Hauptflächen der piezoelektrischen Schicht13 angeordnet, dass durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten11 und12 ein elektrisches Feld in der piezoelektrischen Schicht13 erzeugt wird, so dass es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht13 und damit zur Auslenkung des Piezoelements10 kommt. - Zur elektrischen Kontaktierung sind die Elektrodenschichten
11 und12 an zwei, elektrisch voneinander isolierte Oberflächenabschnitte14 und15 geführt. An diesen Stellen sind die beiden Elektrodenschichten11 und12 jeweils mit einem (in4 ) nicht dargestellten elektrischen Anschlusselement verbunden. Durch die Führung der Elektroden11 und12 an unterschiedliche Oberflächenabschnitte14 und15 verfügt jedes Piezoelement10 über einen piezoelektrisch aktiven Bereich16 und mindestens zwei piezoelektrisch inaktive Bereiche17 . - Dadurch, dass bei dem Aktorkörper
20 in monolithischer Vielschichtbauweise eine Vielzahl von Piezoelementen10 übereinander gestapelt sind, kann ein relativ hoher, absoluter Hub entlang der Stapelrichtung21 des Aktorkörpers20 bei einer relativ niedrigen Ansteuerspannung erzielt werden. - Benachbarte Piezoelemente
10 weisen jeweils eine gemeinsame Elektrodenschicht auf, so dass im Aktorkörper20 Elektrodenschichten22 ,23 und piezoelektrische Schichten24 abwechselnd übereinander angeordnet sind. - Die Elektrodenschichten
22 und23 des Aktorkörpers20 sind an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte25 und26 geführt. Die Oberflächenabschnitte25 und26 befinden sich an den Ecken201 und203 des Aktorkörpers20 (1 und3 ). Zum Herstellen des Aktorkörpers20 werden keramische Grünfolien mit quadratischen Grundflächen verwendet, die an jeweils einer Ecke frei von Elektrodenmaterial sind, entsprechend übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert. - An den beiden Oberflächenabschnitten
25 und26 ist jeweils eine streifenförmige Metallisierung27 und28 aufgetragen, so dass die Elektrodenschichten23 und24 abwechselnd elektrisch kontaktiert sind. An den Metallisierungen27 und28 ist jeweils ein elektrisches Anschlusselement30 bzw.31 vorhanden. Das elektrische Anschlusselement30 und das weitere elektrische Anschlusselement31 ist jeweils eine elektrische Kontaktfahne35 . Diese Kontaktfahnen sind zwischen starren elektrischen Anschlüssen in Form von Metallstiften41 und42 und der jeweiligen Metallisierung27 und28 angeordnet. Jede der Kontaktfahnen35 ist über eine ihrer Kanten derart mit der entsprechenden Metallisierung27 und28 verbunden, dass ein vom Aktorkörper20 abstehender Bereich36 vorhanden ist. - Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel bestehen die Anschlusselement
30 und31 bzw. die Kontaktfahnen35 aus Metalldrähten, die über ein elektrisches Verbindungsmittel29 in Form eines Lots an die jeweilige Metallisierung37 und28 und an den jeweiligen Metallstift41 und42 angelötet sind. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die elektrischen Anschlusselemente30 und31 bzw. die Kontaktfahnen Kohlenstoff-Nanoröhren auf. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren eignen sich diese Materialien nicht nur zur thermischen Kontaktierung des Aktorkörpers20 , sondern auch zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten22 und23 des Aktorkörpers20 . Die Anschlusselemente30 und31 sind an die Metallisierungen27 und28 bzw. die Metallstifte41 und42 mit Hilfe eines Leitklebstoffs29 angeklebt. - Um im Betrieb des Piezoaktors
1 den Aktorkörper20 zu kühlen ist ein Mittel zum Temperieren des Aktorkörpers20 vorhanden. - Das Mittel ist eine Umhüllung
50 des Aktorkörpers20 . Die Umhüllung50 besteht aus einem Silikon-Elastomer, in dem Kohlenstoff-Fasern in Form von Kohlenstoff-Nanoröhren51 eingebettet sind. Der durchschnittliche Röhrendurchmesser52 der Kohlenstoff-Nanoröhren51 beträgt wenige nm (5 ). Eine Röhrenlänge der Kohlenstoff-Nanoröhren beträgt wenige mm. Der Füllgrad an Kohlenstoff-Nanoröhren ist dabei so hoch, dass eine Wärmeleitung vom Aktorkörper20 nach außen hin gegeben ist. - Der Aktorkörper
20 , die elektrischen Anschlusselementen30 und31 und die Metallstifte41 und42 sind zusammen in der Umhüllung50 mit den Kohlenstoff-Nanoröhren51 angeordnet. Dazu ist die Umhüllung50 ein Hohlprofil mit Aussparungen für die Elemente20 ,30 ,31 ,41 und42 des Piezoaktors1 . Die Elemente20 ,30 ,31 ,41 und42 des Piezoaktors1 sind von der Umhüllung50 mit Hilfe einer elektrisch isolierenden Schicht54 elektrisch isoliert. Die Schicht54 weist einen thermisch leitenden Verbundwerkstoff mit einem elastomeren Polymer auf. - In einer ersten Ausführungsform bezüglich der Umhüllung
50 sind die Kohlenstoff-Nanoröhren51 in der Umhüllung50 derart angeordnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren51 nach dem Verbinden der Umhüllung50 mit dem Aktorkörper20 und den Anschlusselementen35 und36 bzw. den Anschlussstiften41 und42 im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung21 des Aktorkörpers20 ausgerichtet sind. In einer weiteren Ausgestaltung ist in der Umhüllung50 ein Fasergewebe53 aus Kohlenstoff-Nanoröhren51 angeordnet (6 ). - Zum Herstellen des Piezoaktors
1 wird der Aktorkörper20 mit den angelöteten bzw. angeklebten elektrischen Anschlusselementen30 und31 und den Metallstiften41 und42 in ein vorgefertigtes Hohlprofil50 gesteckt. Danach erfolgt eine Ausrichtung der Elemente des Piezoaktors im Hohlprofil50 . Des weiteren wird der durch das Ausrichten der Elemente des Piezoaktors erzeugte Zwischenraum zwischen den Elementen des Piezoaktors und dem Hohlprofil mit Hilfe eines Spritzgussverfahrens mit dem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Verbundwerkstoff ausgespritzt. Schließlich erfolge ein Aushärten des Verbundwerkstoffs.
Claims (12)
- Piezoelektrisches Bauteil (
1 ) mit – mindestens einem Piezoelement (10 ,20 ), das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten (11 ,12 ,22 ,23 ) und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht (13 ,24 ) aufweist, – mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen (30 ,31 ) zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten (11 ,12 ,22 ,23 ) des Piezoelements (10 ,20 ), und – mindestens einem Mittel (50 ) zum Temperieren des Piezoelements (10 ,20 ), dadurch gekennzeichnet, dass – das Mittel zum Temperieren des Piezoelements Kohlenstoff-Fasern (51 ) aufweist, die von den Elektrodenschichten (11 ,12 ,22 ,23 ) und den Anschlusselementen (30 ,31 ) des Piezoelements (10 ,20 ) elektrisch isoliert sind. - Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoff-Fasern Kohlenstoff-Nanoröhren aufweisen.
- Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kohlenstoff-Fasern zu einem Fasergewebe (
53 ) miteinander verbunden sind. - Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mittel zum Temperieren des Piezoelements ein Verbundmaterial aufweist, dass zusammen mit den Kohlenstoff-Fasern einen Verbundwerkstoff bildet.
- Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 4, wobei das Verbundmaterial ein elektrisch isolierendes Material ist.
- Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Mittel zum Temperieren eine thermisch mit dem Piezoelement (
10 ,20 ) gekoppelte, die Kohlenstoff-Fasern aufweisende Umhüllung (50 ) des Piezoelements (10 ,20 ) ist. - Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 6, wobei die elektrischen Anschlusselemente (
30 ,31 ) in der Umhüllung (50 ) angeordnet sind. - Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich mindestens eine der Elektrodenschichten (
11 ,12 ,22 ,23 ) an einen seitlichen Oberflächenabschnitt (14 ,15 ,25 ,26 ) des Piezoelements (10 ,20 ) erstreckt und dort mit mindestens einem elektrischen Anschlusselement (30 ,31 ) elektrisch leitend verbunden ist. - Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in Form eines Vielschichtaktors, bei dem eine Vielzahl von Piezoelementen (
10 ) zu einem stapelförmigen Aktorkörper (20 ) mit einer Stapelrichtung (21 ) angeordnet sind. - Piezoelektrisches Bauteil, wobei die Piezoelemente (
10 ) derart zu dem stapelförmigen Aktorkörper (20 ) angeordnet sind, dass – benachbarte Piezoelemente eine gemeinsame Elektrodenschicht (22 ,23 ) aufweisen und – die Elektrodenschichten (22 ,23 ) der Piezoelemente (10 ) in Stapelrichtung (21 ) des Aktorkörpers (20 ) abwechselnd an zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte (25 ,26 ) des Aktorkörpers (20 ) geführt sind. - Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 10, wobei zumindest ein Teil der Kohlenstoff-Fasern des Mittels zum Temperieren im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung (
21 ) des Aktorkörpers (20 ) ausgerichtet sind. - Verwendung des piezoelektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Betätigung eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.
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