DE10328373A1 - Piezoelectric component with tempering device and use of the component - 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.The invention relates to a piezoelectric component (1) having at least one piezoelement (10) which has at least two electrode layers (11, 12, 22, 23) arranged one above the other and at least one piezoelectric layer (13, 24) arranged between the electrode layers two electrical connection elements (30, 31) for the electrical control of the electrode layers of the piezoelectric element and at least one means (50) for controlling the temperature of the piezoelectric element. The piezoelectric component is characterized in that the means for controlling the temperature of the piezoelectric element comprises carbon fibers, which are electrically insulated from the electrode layers and the connection elements. The carbon fibers have in particular carbon nanotubes (51), which are characterized by high thermal conductivity and high elasticity. The means for tempering is in particular an envelope of the piezoelectric element. There is a flexible and thermally highly conductive sheath of the piezoelectric element. The piezoelectric component is in particular a piezoelectric actuator with an actuator body (20) in a monolithic multilayer construction. By using the carbon nanotube cladding, heat loss during operation of the piezo actuator can be efficiently dissipated from the actuator body. The piezoelectric actuator is used in particular in the automotive industry for actuating an injection valve of an engine.
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.The The invention relates to a piezoelectric component with at least a piezoelectric element, the at least two superimposed electrode layers and at least one disposed between the electrode layers having piezoelectric layer, with at least two electrical connection elements for the electrical control of the electrode layers of the piezoelectric element and at least one means for controlling the temperature of the piezoelectric element. The piezoelectric layer and the electrode layers of the piezoelectric element are interconnected in such a way that by an electric drive the electrode layers an electric field in the piezoelectric Layer is coupled. Due to the coupled electric field it comes to the deflection of the piezoelectric layer and thus for the deflection of the piezoelectric element. In addition to the component is a use of the Component specified.
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
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.Of the known piezoelectric actuator, for example, to control an injection valve an engine of a motor vehicle used. Which by the electrical Control fed energy is partly lost as heat (heat loss). With a high rate of repetition, which is usual with regard to the application the control of the piezoelectric actuator can be undesirable warming of the actuator body come. For example, the actuator body is above the Curie temperature of the heated piezoelectric material of the piezoelectric layers. It would come to one Depolarization of the piezoelectric material and in consequence thereof to the failure of the piezoelectric actuator.
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.In the publication Carbon Nanotubes, Topics Appl. Phys. 80 (2001), pages 391-425 Carbon fibers in the form of carbon nanotubes (carbon nanotubes) are presented. Such carbon fibers have a tube diameter in the nanometer range. The carbon nanotubes are characterized by a high electrical conductivity, a high thermal conductivity and a high elasticity and therefore flexibility out.
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.task the present invention is to provide a piezoelectric actuator, where the probability of heating above the Curie temperature of the piezoelectric material compared to the prior art of Technology is reduced.
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.to solution The object is a piezoelectric component with at least one Piezoelectric element, the at least two superimposed electrode layers and at least one disposed between the electrode layers having piezoelectric layer, with at least two electrical Connection elements for the electrical control of the electrode layers of the piezoelectric element and at least one means for tempering the piezoelectric element specified. The piezoelectric component is characterized that the means for tempering the piezoelectric element carbon fibers that of the electrode layers and the connecting elements are electrically isolated.
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.The Means for tempering ensures a good thermal connection of the piezoelectric element to an environment. As a result, a necessary operating temperature of the actuator body can be set become. In particular, excess heat from the Piezoelectric element can be derived efficiently. The piezo element becomes cooled. For efficient temperature control carbon fibers are used. The carbon fibers are, for example, graphite fibers.
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.In In a particular embodiment, the carbon fibers have carbon nanotubes. The Carbon nanotubes have a tube diameter which ranges from a few nm to 100 nm. A tube length of Carbon nanotubes can up to several mm. The carbon nanotubes are lying as single-walled nanotubes (Single Walled Nanotubes, SWNTs) or multi-walled nanotubes (Multi Walled Nanaotubes, MWNTs).
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.The carbon fibers and in particular the carbon nanotubes are characterized by a very good thermal conductivity. Since carbon fibers and the carbon nanotubes also have a high electrical conductivity, they are of the electrically conductive elements of the piezoelectric component, that is, the electrode layers and the electrical connection elements, electrically insulated. This is achieved, for example, with a thin electrical insulation layer, which are arranged between the carbon fibers of the means for tempering the piezoelectric element and the electrically conductive elements of the piezoelectric component. In particular, an electrical insulation layer which has good thermal conductivity is suitable for this purpose. Such an insulating layer is formed, for example, by a polymer in which ceramic particles having a relatively good thermal conductivity are incorporated. Such ceramic particles consist for example of aluminum oxide (Al 2 O 3 ). It is conceivable in particular thermally conductive, but electrically insulating conductive adhesive. The means for tempering with the carbon fibers is glued to the piezoelectric element.
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.The Means for tempering is connected to the piezoelectric element in such a way that a thermal coupling between the piezo element and this means given throughout the operation of the piezoelectric component. This means that the thermal coupling even at deflection ensures the piezoelectric element is. The thermal coupling preferably results from heat conduction between the piezo element and the carbon fibers. For example are to both components of the piezoelectric component with Help of a thermally conductive, elastic adhesive firmly bonded together.
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.in the Operation of the piezoelectric component is caused by the deflection of the piezoelectric element to mechanical stresses in the transition region piezo element - conductive adhesive - means for tempering the piezoelectric element. The carbon fibers and in particular the carbon nanotubes are re This aspect particularly advantageous because it next to the very high thermal conductivity also a very high elasticity exhibit. Due to the high elasticity, the carbon nanotubes are in the Position, the deflection of the actuator body to follow. Eventually caused by the deflection mechanical Tensions are effectively reduced. It remains a very good one obtained thermal coupling between the piezoelectric element and the carbon nanotubes.
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.The Carbon fibers can isolated. It is also conceivable that the carbon fibers to at least one fiber bundle connected to each other. The fiber bundle consists of several, single carbon fibers. The carbon fibers are there essentially aligned along a common preferred direction and connected together by means of a connection means. The Connecting means is for example a wrap or a wrapper of Carbon fibers.
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 In another embodiment, the carbon fibers become one Fiber tissue connected together. The carbon fibers or fiber bundles the carbon fibers are interwoven or intertwined. For example, the fiber fabric is a non-woven of carbon fibers. The fiber fabric is characterized as the carbon fibers and in particular the carbon nanotubes themselves, through a high elasticity or flexibility. As the carbon fibers in the fibrous tissue touching each other, the thermal conductivity over the Guaranteed fiber tissue away.
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.In In a further embodiment, the means for tempering the piezoelectric component on a composite material that together forms a composite with the carbon fibers. The composite material acts as a matrix in which the carbon fibers are embedded.
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.in the Case of carbon nanotubes The composite material can also be stored in the cavities of the carbon nanotubes be. In this way, the electrical, mechanical and thermal properties of the carbon nanotubes and thus the electrical, mechanical and thermal properties of the composite influence. The carbon nanotubes are particularly suitable for use in a composite, as they are relatively simple can be modified. On the outer walls of the carbon nanotubes can functional Groups, for example hydrophilic or hydrophobic groups, bound become. As a result, a miscibility and / or a strength of Composite of carbon nanotubes and composite material.
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.The Composite material is preferably an electrically insulating material. The electrically insulating material is, for example, an electrical insulating plastic. This plastic forms a polymeric Matrix in which the carbon fibers are embedded. The composite material consists of the plastic and the carbon fibers. To a thermal conductivity to ensure the composite is a correspondingly high degree of filling the carbon fibers needed in the plastic. The degree of filling of the carbon fibers is chosen so high that reached or exceeded a so-called percolation limit is. At the percolation limit, the carbon fibers touch each other each other. As a result, the thermal conductivity of carbon fiber is too Carbon fiber and so on ensures the entire composite material.
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.The plastic may be any thermoplastic or thermosetting plastic. in the With regard to the use of the composite material for tempering the piezoelectric element of the piezoelectric component, the plastic is preferably an elastomeric plastic. The elastomeric plastic, for example a silicone elastomer, is characterized by a high elasticity and flexibility. By embedding the carbon fibers in an elastomeric plastic, the flexibility of the plastic is substantially maintained. At the same time, however, an efficient temperature control of the piezoelectric element is achieved.
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.According to one special design, the means for tempering a thermal coupled to the piezoelectric element having the carbon fibers wrapping of the piezoelectric element. The serving with the carbon fibers, the piezoelectric element can partially or Completely surround. In particular, this is a large-scale and thus efficient thermal coupling possible.
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.Preferably are in addition to the piezo element and the electrical connection elements arranged the piezoelectric component in the enclosure. This leads to a very compact design of the piezoelectric component. A kind of electrical connection elements and their electrical contact with the electrode layers of the piezoelectric element are arbitrary.
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.to electrical contact extends, for example, at least one of the electrode layers of the piezoelectric element to a side surface portion of the piezoelectric element. There is the electrode layer with at least an electrical connection element electrically connected. The piezoelectric element has, for example, a square or rectangular Floor space on. The lateral surface section may be located at a corner of the piezoelectric element. This surface section can also along an entire lateral extent of the piezoelectric element extend. It is also conceivable that the surface portion of almost one entire side of the piezoelectric element is formed.
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.Have proven For example, connecting elements in the form of a wire mesh made of metal wires or in the form of a plurality of individual metal wires. The Wire mesh or the metal wires are at the side surface section soldered the piezoelectric element. Such connection elements are characterized by a very high flexibility out. Due to the high electrical conductivity of carbon fibers and in particular of carbon nanotubes the electrical connection element also constructed from these materials be.
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.The piezoelectric component is, for example, a piezoelectric bending transducer. The bending transducer is, for example, a so-called bimorph bending transducer with piezoelectrically active and piezoelectrically inactive layers. The bending transducer can be constructed of several piezo elements. The piezoelectric layers may consist of piezoelectric plastic, for example polyvinylidene fluoride (PVDF), or piezoelectric ceramics, for example lead zirconate titanate (Pb (Ti, Zr) O 3 , PZT).
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.In a particular embodiment is the piezoelectric component a multilayer actuator in which a plurality of piezo elements to a stacked one actuator body are arranged with a stacking direction. The actuator body can consist of glued together piezo elements. Exist the piezoelectric layers of the piezoelectric elements, for example from a piezoelectric plastic. Preferably, the actuator body is in monolithic multilayer construction. There are the Piezoelectric layers of a piezoceramic. The piezoceramic is, for example, a lead zirconate titanate. An electrode material of the electrode layers is, for example, a silver-palladium alloy. For producing this actuator body become ceramic green sheets with the piezoceramic and electrode layers from the electrical conductive material alternately stacked on top of each other and sintered together. Also conceivable is stacking with electrode material flat printed ceramic green sheets.
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.The Piezo elements of the multilayer actuator are, for example, too the stacked one Actuator arranged that adjacent piezo elements share a common Have electrode layer, the electrode layers of the piezoelectric elements in the stacking direction of the actuator body alternating at least two electrically isolated from each other, lateral surface sections of the actuator body guided are and at least one of the surface portions of the actuator body with electrically connected to one of the electrical connection elements is.
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.A particularly high flexibility of the means for tempering at the same time efficient thermal coupling is achieved in that at least a portion of the carbon fibers is aligned transversely to the stacking direction of the actuator body described above. In essence, this means that deviations from the transverse alignment of up to 45 ° are possible and permissible. To produce the means for tempering the piezoelectric element with the aligned carbon fibers, for example, the carbon fibers are aligned in a not yet or only partially crosslinked plastic with a correspondingly low viscosity. The alignment of the carbon fibers in the not yet cross-linked plastic, for example, mechanically with the help of a comb. After aligning the plastic is crosslinked. It forms a matrix of the plastic, in which the carbon fibers are aligned substantially parallel to each other along a common preferred direction. Essentially means that there is a distribution about the common preferred direction with respect to the orientation.
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.to efficient temperature control of the piezoelectric element, the piezoelectric component has a heat sink, the indirectly over the means for tempering thermally with the piezoelectric element of the piezoelectric Component is coupled. The heat sink provides during operation of the piezoelectric component for a temperature gradient, so that heat from the piezo element over the means for tempering can be derived. It does not come to an undesirable warming of the piezoelectric element.
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.The piezoelectric component, in particular the piezoelectric component in the form of the piezoelectric actuator with monolithic actuator body to operate a Valve, in particular an injection valve of an internal combustion engine uses. The internal combustion engine is for example an engine of a Passenger car. Due to the efficient cooling of the actuator body with In particular, it is also possible to help the carbon fibers already known piezoelectric actuators for To use multiple injections. For multiple injections The piezo actuators or the injection valves are repeatedly on each other following driven. Due to the losses of the piezoceramic would be the actuator body due to the multiple successive control without efficient cooling to warm too much.
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.
- - Due to the very good thermal conductivity of the carbon fibers and in particular the carbon nanotubes, an efficient means for tempering or cooling of the piezoelectric element of the piezoelectric component is provided.
- - The carbon fibers lead to a flexible, stretchable means for tempering the piezoelectric element.
- - Due to the flexibility of the means, mechanical stresses whose cause can be found in the deflection of the piezoelectric element or the piezoelectric elements of the piezoelectric component can be reduced efficiently. This applies in particular to piezoelectric components with an actuator body in monolithic multilayer construction.
- - The piezoelectric component is characterized by a high reliability.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Based several embodiments and the associated Figures, the invention is presented in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale illustrations represents.
Das
piezoelektrische Bauteil
Zur
elektrischen Kontaktierung sind die Elektrodenschichten
Dadurch,
dass bei dem Aktorkörper
Benachbarte
Piezoelemente
Die
Elektrodenschichten
An
den beiden Oberflächenabschnitten
Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel bestehen
die Anschlusselement
Um
im Betrieb des Piezoaktors
Das
Mittel ist eine Umhüllung
Der
Aktorkörper
In
einer ersten Ausführungsform
bezüglich der
Umhüllung
Zum
Herstellen des Piezoaktors
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