DE10328373B4 - Piezoelectric component with tempering device and use of the component - Google Patents

Piezoelectric component with tempering device and use of the component Download PDF

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Abstract

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), – wobei das Mittel zum Temperieren des Piezoelements Kohlenstoff-Fasern (51) aufweist, wobei das Mittel und die Kohlenstoff-Fasern (51) von den Elektrodenschichten (11, 12, 22, 23) und den Anschlusselementen (30, 31) des Piezoelements (10, 20) mit Hilfe einer elektrisch isolierenden Schicht (54), die einen thermisch leitenden Verbundwerkstoff mit einem elastomeren Polymer aufweist, elektrisch isoliert sind.Piezoelectric component (1) having - at least one piezoelectric element (10, 20) 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, - at least two electrical connection elements (30, 31) for the electrical control of the electrode layers (11, 12, 22, 23) of the piezoelectric element (10, 20), and - at least one means (50) for controlling the temperature of the piezoelectric element (10, 20), - Means for tempering the piezoelectric element comprises carbon fibers (51), wherein the means and the carbon fibers (51) of the electrode layers (11, 12, 22, 23) and the connection elements (30, 31) of the piezoelectric element (10, 20 ) are electrically insulated by means of an electrically insulating layer (54) comprising a thermally conductive composite with an elastomeric polymer.

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 invention relates to a piezoelectric component having at least one piezoelectric element which has at least two electrode layers arranged one above the other and at least one piezoelectric layer arranged between the electrode layers, with at least two electrical connecting elements for the electrical control of the electrode layers of the piezoelectric element and at least one means for tempering the piezoelectric element. The piezoelectric layer and the electrode layers of the piezoelectric element are connected to one another in such a way that an electric field is coupled into the piezoelectric layer by electrical activation of the electrode layers. Due to the coupled-in electric field, the piezoelectric layer is deflected and thus the piezoelement is deflected. In addition to the component, a use of the component is 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 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.The piezoelectric component is, for example, a piezoelectric actuator. The piezoelectric actuator consists for example of a plurality of stacked piezo elements. A piezoelectric actuator with an actuator body in monolithic multilayer construction, for example, from the US Pat. No. 6,236,146 B1 out. In the piezoelectric actuator, a plurality of electrode layers, referred to as internal electrodes, and piezoelectric layers of a piezoceramic are alternately stacked and sintered together to form the monolithic actuator body. For electrical contacting of the electrode layers, adjacent electrode layers are alternately guided on two electrically insulated side surface sections of the actuator body. At these surface portions, the actuator body in each case has a strip-shaped metallization.

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.The known piezoelectric actuator is used for example for controlling an injection valve of an engine of a motor vehicle. The energy fed in by the electrical control is partly lost as heat (lost heat). In a usual with regard to the application, high repetition rate of the control of the piezoelectric actuator can lead to an undesirable heating of the actuator body. For example, the actuator body is heated above the Curie temperature of the piezoelectric material of the piezoelectric layers. It would come to a depolarization of the piezoelectric material and as a result of failure of the piezoelectric actuator.

In der Veröffentlichung AJAYAN, Pulickel M.; ZHOU, Otto Z.: Applications of Carbon Nanotubes. In: Topics Appl. Phys. 80, 2001, S. 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 AJAYAN, Pulickel M .; ZHOU, Otto Z .: Applications of Carbon Nanotubes. In: Topics Appl. Phys. 80, 2001, pp. 391-425, carbon fibers in the form of carbon nanotubes are presented. Such carbon fibers have a tube diameter in the nanometer range. The carbon nanotubes are characterized by high electrical conductivity, high thermal conductivity and high elasticity and thus flexibility.

DE 198 56 185 A1 beschreibt einen piezoelektrischen Aktor, dessen Arbeitswärme über eine die Wärme abführende Schicht aus einem Elastomer mit darin untergebrachten elektrisch leitfähigen Partikeln abgeleitet wird. DE 198 56 185 A1 describes a piezoelectric actuator whose working heat is dissipated via a heat dissipating layer of an elastomer having housed therein electrically conductive particles.

In EP 0 375 851 A2 ist ein Transformator beschrieben, der in einer elektrisch isolierenden Schicht eingekapselt ist, wobei um die elektrisch isolierende Schicht eine Schicht aus einem thermisch leitfähigen Material mit darin eingebetteten Kohlenstoff-Fasern angeordnet ist.In EP 0 375 851 A2 a transformer is described which is encapsulated in an electrically insulating layer, wherein a layer of a thermally conductive material with carbon fibers embedded therein is arranged around the electrically insulating layer.

US 4 861 653 A beschreibt die Herstellung von Kohlenstoff-Fasern sowie deren thermische und elektrische Leitfähigkeit. US 4,861,653 A describes the production of carbon fibers and their thermal and electrical conductivity.

DE 198 56 186 A1 beschreibt einen piezoelektrischen Aktor, dessen Arbeitswärme über eine die Wärme abführende Schicht aus einem Elastomer mit darin untergebrachten elektrisch leitfähigen Partikeln sowie eine metallische Modulwand abgeleitet wird. DE 198 56 186 A1 describes a piezoelectric actuator whose working heat is dissipated via a heat dissipating layer of an elastomer with housed therein electrically conductive particles and a metallic module wall.

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.The object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator in which the probability of heating over the Curie temperature of the piezoelectric material is reduced in comparison to the known prior art.

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 Mittel zum Temperieren des Piezoelements weist Kohlenstoff-Fasern auf, wobei das Mittel und die Kohlenstoff-Fasern von den Elektrodenschichten und den Anschlusselementen mit Hilfe einer elektrisch isolierenden Schicht, die einen thermisch leitenden Verbundwerkstoff mit einem elastomeren Polymer aufweist, elektrisch isoliert sind.To achieve the object, a piezoelectric component having at least one piezoelectric element, which has at least two superimposed electrode layers and at least one arranged between the electrode layers piezoelectric layer having at least two electrical connection elements for electrically driving the electrode layers of the piezoelectric element and at least one means for controlling the temperature of the piezoelectric element specified. The means for tempering the piezoelectric element comprises carbon fibers, wherein the means and the carbon fibers are electrically insulated from the electrode layers and the terminal elements by means of an electrically insulating layer comprising a thermally conductive composite with an elastomeric polymer.

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. Thereby, a necessary operating temperature of the actuator body can be adjusted. In particular, excess heat from the Piezoelectric element can be derived efficiently. The piezo element is 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 a particular embodiment, the carbon fibers have carbon nanotubes. The carbon nanotubes have a tube diameter ranging from a few nm up to 100 nm. A tube length of the carbon nanotubes can be up to several mm. The carbon nanotubes are available as single-walled nanotubes (SWNTs) or multi-walled nanotubes (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 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. Es 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 or the carbon nanotubes also have a high electrical conductivity, they are electrically insulated from the electrically conductive elements of the piezoelectric component, that is, the electrode layers and the electrical connection elements. This is achieved 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. It offers itself to an electrical insulation layer, which has a good thermal conductivity. 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 such that a thermal coupling between the piezoelectric element and this means is given throughout the operation of the piezoelectric component. This means that the thermal coupling is ensured even with deflection of the piezoelectric element. The thermal coupling preferably results from heat conduction between the piezoelectric element and the carbon fibers. For example, both components of the piezoelectric component are firmly connected to each other with the aid of a thermally conductive elastic adhesive.

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.During operation of the piezoelectric component, as a result of the deflection of the piezoelectric element, mechanical stresses occur in the transition region of piezoelectric element conductive adhesive agent for tempering the piezoelectric element. The carbon fibers and in particular the carbon nanotubes are particularly advantageous with respect to this aspect, since they also have a very high elasticity in addition to the very high thermal conductivity. Due to the high elasticity of the carbon nanotubes are able to follow the deflection of the actuator body. Possibly caused by the deflection mechanical stresses are effectively reduced. There remains a very good thermal coupling between the piezoelectric element and the carbon nanotubes obtained.

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 may be isolated. It is also conceivable that the carbon fibers are connected to at least one fiber bundle. The fiber bundle consists of several, individual carbon fibers. The carbon fibers are aligned substantially along a common preferred direction and connected to each other by means of a connecting means. The connecting means is, for example, a wrapping or wrapping of the 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 a further embodiment, the carbon fibers are connected to a fiber fabric together. The carbon fibers or fiber bundles of the carbon fibers are interwoven or intertwined. For example, the fiber fabric is a non-woven of carbon fibers. The fiber fabric, like the carbon fibers and especially the carbon nanotubes themselves, is characterized by high elasticity and flexibility. Since the carbon fibers in the fiber fabric contact each other, thermal conductivity across the fiber web is ensured.

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 a further embodiment, the means for tempering the piezoelectric component comprises a composite material which forms a composite material together 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 may also be incorporated in the cavities of the carbon nanotubes. In this way, the electrical, mechanical and thermal properties of the carbon nanotubes and thus the electrical, mechanical and thermal properties of the composite can be influenced. The carbon nanotubes are particularly suitable for use in a composite material because they are relatively easy to modify. Functional groups, for example hydrophilic or hydrophobic groups, can be bonded to the outer walls of the carbon nanotubes. As a result, a miscibility and / or a strength of the composite of carbon nanotubes and composite material can be influenced.

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 electrically 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. In order to ensure a thermal conductivity of the composite material, a correspondingly high degree of filling of the carbon fibers in the plastic is necessary. The degree of filling of the carbon fibers is so high that a so-called percolation limit is reached or exceeded. At the percolation limit, the carbon fibers touch each other. This ensures the thermal conductivity of carbon fiber to carbon fiber and thus across 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. 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 a particular embodiment, the means for tempering a thermally coupled to the piezoelectric element, the carbon fibers having sheath of the piezoelectric element. The cladding with the carbon fibers may partially or completely surround the piezoelectric element. In particular, thereby a large-scale and thus efficient thermal coupling is 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, in addition to the piezoelectric element and the electrical connection elements of the piezoelectric component are arranged in the enclosure. This leads to a very compact construction of the piezoelectric component. One type of electrical connection elements and their electrical contacting 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.For electrical contacting, for example, at least one of the electrode layers of the piezoelectric element extends to a lateral surface section of the piezoelectric element. There, the electrode layer is electrically conductively connected to at least one electrical connection element. The piezoelectric element has, for example, a square or rectangular base. The lateral surface portion may be located at a corner of the piezoelectric element. This surface portion may also extend along an entire lateral extent of the piezoelectric element. It is also conceivable that the surface portion of almost an 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.For example, connection elements in the form of a wire mesh made of metal wires or in the form of a plurality of individual metal wires have proved to be useful. The wire mesh or the metal wires are soldered to the side surface portion of the piezoelectric element. Such connection elements are characterized by a very high degree of flexibility. Due to the high electrical conductivity of carbon fibers and in particular of carbon nanotubes, the electrical connection element can also be constructed from these materials.

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, the piezoelectric component is a multilayer actuator, in which a plurality of piezo elements are arranged to form a stack-shaped actuator body with a stacking direction. The actuator body may consist of piezo elements bonded together. In this case, the piezoelectric layers of the piezoelectric elements consist for example of a piezoelectric plastic. Preferably, the actuator body is manufactured in monolithic multilayer construction. In this case, the piezoelectric layers consist 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. To produce this actuator body ceramic green sheets with the piezoceramic and electrode layers of the electrically conductive material are alternately stacked and sintered together. Also conceivable is the stacking of ceramic green sheets printed with electrode material on a flat surface.

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 piezoelectric elements of the multilayer actuator are arranged for example in such a way to the stacked actuator, that adjacent piezoelectric elements have a common electrode layer, the electrode layers of the piezoelectric elements in the stacking direction of the actuator body alternately led to at least two mutually electrically insulated, lateral surface portions of the actuator body are and at least one of the surface portions of the actuator body is electrically connected to one of the electrical connection elements.

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 by means 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.For efficient temperature control of the piezoelectric element, the piezoelectric component has a heat sink, which is indirectly thermally coupled via the means for tempering with the piezoelectric element of the piezoelectric component. The heat sink ensures the operation of the piezoelectric component for a temperature gradient, so that heat can be derived from the piezoelectric element via the means for tempering. There is no undesirable heating 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 piezoactuator with a monolithic actuator body, is used to actuate a valve, in particular an injection valve of an internal combustion engine. The internal combustion engine is for example an engine of a passenger car. Due to the efficient cooling of the actuator body with the aid of the carbon fibers, it is also possible in particular to use already known piezoelectric actuators for multiple injections. In the case of multiple injections, the piezoactuators or the injection valves are driven several times in succession. Due to the losses of the piezoceramic, the actuator body would heat too much due to the multiple successive control without efficient cooling.

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.
In summary, the present invention provides significant advantages:
  • - 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 on several embodiments and the associated figures, the invention will be presented in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale figures.

1 zeigt eine Querschnitt eines Piezoaktors mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise, der in einer Umhüllung mit Kohlenstoff-Fasern angeordnet ist. 1 shows a cross section of a piezoelectric actuator with an actuator body in a monolithic multilayer construction, which is arranged in a sheath with carbon fibers.

2 zeigt den Piezoaktor aus 1 in einer perspektivischen Darstellung. 2 shows the piezo actuator 1 in a perspective view.

3 zeigt den Piezoaktor aus 1 ohne Umhüllung von der Seite. 3 shows the piezo actuator 1 without wrapping from the side.

4 zeigt ein Piezoelement des Piezoaktors aus 1 im seitlichen Querschnitt. 4 shows a piezoelectric element of the piezoelectric actuator 1 in lateral cross-section.

5 zeigt einen Ausschnitt einer Kohlenstoff-Nanoröhre von der Seite. 5 shows a section of a carbon nanotube from the side.

6 zeigt ein Fasergewebe aus Kohlenstoff-Nanoröhren. 6 shows a fiber web of carbon nanotubes.

Das piezoelektrische Bauteil 1 ist ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise mit einer quadratischen Grundfläche (1). Bei diesem Aktorkörper 20 ist eine Vielzahl von Piezoelementen 10 entlang der Stapelrichtung 21 übereinander gestapelt und fest verbunden. Ein Piezoelement 10 besteht aus einer piezoelektrischen Schicht 13 aus einer Piezokeramik (4). Die Piezokeramik ist ein Bleizirkonattitanat. Die piezoelektrische Schicht 13 befindet sich zwischen einer Elektrodenschicht 11 und einer weiteren Elektrodenschicht 12 des Piezoelements 10. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten 11 und 12 ist eine Silber-Palladium-Legierung. Die Elektrodenschichten 11 und 12 sind derart an den Hauptflächen der piezoelektrischen Schicht 13 angeordnet, dass durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten 11 und 12 ein elektrisches Feld in der piezoelektrischen Schicht 13 erzeugt wird, so dass es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht 13 und damit zur Auslenkung des Piezoelements 10 kommt.The piezoelectric component 1 is a piezoelectric actuator with an actuator body 20 in monolithic multilayer construction with a square base ( 1 ). In this actuator body 20 is a variety of piezo elements 10 along the stacking direction 21 stacked and firmly connected. A piezo element 10 consists of a piezoelectric layer 13 from a piezoceramic ( 4 ). The piezoceramic is a lead zirconate titanate. The piezoelectric layer 13 is located between an electrode layer 11 and another electrode layer 12 of the piezoelectric element 10 , The electrode material of the electrode layers 11 and 12 is a silver-palladium alloy. The electrode layers 11 and 12 are so on the major surfaces of the piezoelectric layer 13 arranged that by the electrical control of the electrode layers 11 and 12 an electric field in the piezoelectric layer 13 is generated, so that it is for the deflection of the piezoelectric layer 13 and thus for the deflection of the piezoelectric element 10 comes.

Zur elektrischen Kontaktierung sind die Elektrodenschichten 11 und 12 an zwei, elektrisch voneinander isolierte Oberflächenabschnitte 14 und 15 geführt. An diesen Stellen sind die beiden Elektrodenschichten 11 und 12 jeweils mit einem (in 4) nicht dargestellten elektrischen Anschlusselement verbunden. Durch die Führung der Elektroden 11 und 12 an unterschiedliche Oberflächenabschnitte 14 und 15 verfügt jedes Piezoelement 10 über einen piezoelektrisch aktiven Bereich 16 und mindestens zwei piezoelektrisch inaktive Bereiche 17.For electrical contacting are the electrode layers 11 and 12 to two electrically isolated surface sections 14 and 15 guided. At these points are the two electrode layers 11 and 12 each with a (in 4 ), not shown electrical connection element connected. By guiding the electrodes 11 and 12 to different surface sections 14 and 15 has every piezo element 10 over a piezoelectrically active area 16 and at least two piezoelectrically inactive regions 17 ,

Dadurch, dass bei dem Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise eine Vielzahl von Piezoelementen 10 übereinander gestapelt sind, kann ein relativ hoher, absoluter Hub entlang der Stapelrichtung 21 des Aktorkörpers 20 bei einer relativ niedrigen Ansteuerspannung erzielt werden.Because that in the actuator body 20 In monolithic multilayer construction a variety of piezo elements 10 stacked one above the other, can have a relatively high, absolute lift along the stacking direction 21 of the actuator body 20 can be achieved at a relatively low drive voltage.

Benachbarte Piezoelemente 10 weisen jeweils eine gemeinsame Elektrodenschicht auf, so dass im Aktorkörper 20 Elektrodenschichten 22, 23 und piezoelektrische Schichten 24 abwechselnd übereinander angeordnet sind.Adjacent piezo elements 10 each have a common electrode layer, so that in the actuator body 20 electrode layers 22 . 23 and piezoelectric layers 24 are arranged alternately one above the other.

Die Elektrodenschichten 22 und 23 des Aktorkörpers 20 sind an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte 25 und 26 geführt. Die Oberflächenabschnitte 25 und 26 befinden sich an den Ecken 201 und 203 des Aktorkörpers 20 (1 und 3). Zum Herstellen des Aktorkörpers 20 werden keramische Grünfolien mit quadratischen Grundflächen verwendet, die an jeweils einer Ecke frei von Elektrodenmaterial sind, entsprechend übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert.The electrode layers 22 and 23 of the actuator body 20 are on two electrically isolated, lateral surface sections 25 and 26 guided. The surface sections 25 and 26 are located at the corners 201 and 203 of the actuator body 20 ( 1 and 3 ). For producing the actuator body 20 are used ceramic green sheets with square bases, which are free of electrode material at each corner, stacked according to one another and sintered together.

An den beiden Oberflächenabschnitten 25 und 26 ist jeweils eine streifenförmige Metallisierung 27 und 28 aufgetragen, so dass die Elektrodenschichten 23 und 24 abwechselnd elektrisch kontaktiert sind. An den Metallisierungen 27 und 28 ist jeweils ein elektrisches Anschlusselement 30 bzw. 31 vorhanden. Das elektrische Anschlusselement 30 und das weitere elektrische Anschlusselement 31 ist jeweils eine elektrische Kontaktfahne 35. Diese Kontaktfahnen sind zwischen starren elektrischen Anschlüssen in Form von Metallstiften 41 und 42 und der jeweiligen Metallisierung 27 und 28 angeordnet. Jede der Kontaktfahnen 35 ist über eine ihrer Kanten derart mit der entsprechenden Metallisierung 27 und 28 verbunden, dass ein vom Aktorkörper 20 abstehender Bereich 36 vorhanden ist.At the two surface sections 25 and 26 is in each case a strip-shaped metallization 27 and 28 applied so that the electrode layers 23 and 24 alternately electrically contacted. At the metallizations 27 and 28 is in each case an electrical connection element 30 respectively. 31 available. The electrical connection element 30 and the further electrical connection element 31 is in each case an electrical contact lug 35 , These tabs are between rigid electrical terminals in the form of metal pins 41 and 42 and the respective metallization 27 and 28 arranged. Each of the contact flags 35 is over one of its edges so with the corresponding metallization 27 and 28 connected, that one from the actuator body 20 protruding area 36 is available.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel bestehen die Anschlusselement 30 und 31 bzw. die Kontaktfahnen 35 aus Metalldrähten, die über ein elektrisches Verbindungsmittel 29 in Form eines Lots an die jeweilige Metallisierung 37 und 28 und an den jeweiligen Metallstift 41 und 42 angelötet sind. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die elektrischen Anschlusselemente 30 und 31 bzw. die Kontaktfahnen Kohlenstoff-Nanoröhren auf. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren eignen sich diese Materialien nicht nur zur thermischen Kontaktierung des Aktorkörpers 20, sondern auch zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten 22 und 23 des Aktorkörpers 20. Die Anschlusselemente 30 und 31 sind an die Metallisierungen 27 und 28 bzw. die Metallstifte 41 und 42 mit Hilfe eines Leitklebstoffs 29 angeklebt.According to a first embodiment, the connection element consist 30 and 31 or the contact flags 35 made of metal wires, which have an electrical connection means 29 in the form of a solder to the respective metallization 37 and 28 and to the respective metal pin 41 and 42 are soldered. According to a further embodiment, the electrical connection elements 30 and 31 or the contact lugs on carbon nanotubes. Due to the electrical conductivity of the carbon nanotubes, these materials are not only suitable for thermal contacting of the actuator body 20 , but also for electrical contacting of the electrode layers 22 and 23 of the actuator body 20 , The connection elements 30 and 31 are at the metallizations 27 and 28 or the metal pins 41 and 42 with the help of a conductive adhesive 29 glued.

Um im Betrieb des Piezoaktors 1 den Aktorkörper 20 zu kühlen ist ein Mittel zum Temperieren des Aktorkörpers 20 vorhanden.To operate the piezoelectric actuator 1 the actuator body 20 To cool is a means for tempering the actuator body 20 available.

Das Mittel ist eine Umhüllung 50 des Aktorkörpers 20. Die Umhüllung 50 besteht aus einem Silikon-Elastomer, in dem Kohlenstoff-Fasern in Form von Kohlenstoff-Nanoröhren 51 eingebettet sind. Der durchschnittliche Röhrendurchmesser 52 der Kohlenstoff-Nanoröhren 51 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 Aktorkörper 20 nach außen hin gegeben ist.The agent is a serving 50 of the actuator body 20 , The serving 50 consists of a silicone elastomer, in which carbon fibers in the form of carbon nanotubes 51 are embedded. The average tube diameter 52 the carbon nanotubes 51 is a few nm ( 5 ). A tube length of the carbon nanotubes is a few mm. The degree of filling of carbon nanotubes is so high that a heat conduction from the actuator body 20 is given to the outside.

Der Aktorkörper 20, die elektrischen Anschlusselementen 30 und 31 und die Metallstifte 41 und 42 sind zusammen in der Umhüllung 50 mit den Kohlenstoff-Nanoröhren 51 angeordnet. Dazu ist die Umhüllung 50 ein Hohlprofil mit Aussparungen für die Elemente 20, 30, 31, 41 und 42 des Piezoaktors 1. Die Elemente 20, 30, 31, 41 und 42 des Piezoaktors 1 sind von der Umhüllung 50 mit Hilfe einer elektrisch isolierenden Schicht 54 elektrisch isoliert. Die Schicht 54 weist einen thermisch leitenden Verbundwerkstoff mit einem elastomeren Polymer auf.The actuator body 20 , the electrical connection elements 30 and 31 and the metal pins 41 and 42 are together in the serving 50 with the carbon nanotubes 51 arranged. This is the envelope 50 a hollow profile with recesses for the elements 20 . 30 . 31 . 41 and 42 of the piezo actuator 1 , The Elements 20 . 30 . 31 . 41 and 42 of the piezo actuator 1 are from the serving 50 with the help of an electrically insulating layer 54 electrically isolated. The layer 54 has a thermally conductive composite with an elastomeric polymer.

In einer ersten Ausführungsform bezüglich der Umhüllung 50 sind die Kohlenstoff-Nanoröhren 51 in der Umhüllung 50 derart angeordnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren 51 nach dem Verbinden der Umhüllung 50 mit dem Aktorkörper 20 und den Anschlusselementen 35 und 36 bzw. den Anschlussstiften 41 und 42 im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung 21 des Aktorkörpers 20 ausgerichtet sind. In einer weiteren Ausgestaltung ist in der Umhüllung 50 ein Fasergewebe 53 aus Kohlenstoff-Nanoröhren 51 angeordnet (6).In a first embodiment with respect to the envelope 50 are the carbon nanotubes 51 in the serving 50 arranged such that the carbon nanotubes 51 after joining the cladding 50 with the actuator body 20 and the connection elements 35 and 36 or the pins 41 and 42 essentially transverse to the stacking direction 21 of the actuator body 20 are aligned. In a further embodiment is in the envelope 50 a fibrous tissue 53 made of carbon nanotubes 51 arranged ( 6 ).

Zum Herstellen des Piezoaktors 1 wird der Aktorkörper 20 mit den angelöteten bzw. angeklebten elektrischen Anschlusselementen 30 und 31 und den Metallstiften 41 und 42 in ein vorgefertigtes Hohlprofil 50 gesteckt. Danach erfolgt eine Ausrichtung der Elemente des Piezoaktors im Hohlprofil 50. 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.For manufacturing the piezoelectric actuator 1 becomes the actuator body 20 with the soldered or glued electrical connection elements 30 and 31 and the metal pins 41 and 42 in a prefabricated hollow profile 50 plugged. Thereafter, an alignment of the elements of the piezoelectric actuator in the hollow profile 50 , Furthermore, the space between the elements of the piezoelectric actuator and the hollow profile produced by aligning the elements of the piezoelectric actuator is injected by means of an injection molding process with the electrically insulating and thermally conductive composite material. Finally, curing of the composite occurs.

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), – wobei das Mittel zum Temperieren des Piezoelements Kohlenstoff-Fasern (51) aufweist, wobei das Mittel und die Kohlenstoff-Fasern (51) von den Elektrodenschichten (11, 12, 22, 23) und den Anschlusselementen (30, 31) des Piezoelements (10, 20) mit Hilfe einer elektrisch isolierenden Schicht (54), die einen thermisch leitenden Verbundwerkstoff mit einem elastomeren Polymer aufweist, elektrisch isoliert sind.Piezoelectric component ( 1 ) with - at least one piezoelectric element ( 10 . 20 ), the at least two superimposed electrode layers ( 11 . 12 . 22 . 23 ) and at least one piezoelectric layer ( 13 . 24 ), - at least two electrical connection elements ( 30 . 31 ) for the electrical control of the electrode layers ( 11 . 12 . 22 . 23 ) of the piezo element ( 10 . 20 ), and - at least one means ( 50 ) for tempering the piezoelectric element ( 10 . 20 ), - wherein the means for tempering the piezoelectric element carbon fibers ( 51 ), wherein the agent and the carbon fibers ( 51 ) of the electrode layers ( 11 . 12 . 22 . 23 ) and the connection elements ( 30 . 31 ) of the piezo element ( 10 . 20 ) by means of an electrically insulating layer ( 54 ) having a thermally conductive composite with an elastomeric polymer are electrically insulated. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoff-Fasern Kohlenstoff-Nanoröhren aufweisen.The piezoelectric device of claim 1, wherein the carbon fibers comprise carbon nanotubes. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kohlenstoff-Fasern zu einem Fasergewebe (53) miteinander verbunden sind.Piezoelectric device according to claim 1 or 2, wherein the carbon fibers are made into a fiber fabric ( 53 ) are interconnected. Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mittel zum Temperieren des Piezoelements ein Verbundmaterial aufweist, das zusammen mit den Kohlenstoff-Fasern einen Verbundwerkstoff bildet.Piezoelectric device according to one of claims 1 to 3, wherein the means for tempering the piezoelectric element comprises a composite material which forms a composite material together with the carbon fibers. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 4, wobei das Verbundmaterial ein elektrisch isolierendes Material ist.A piezoelectric device according to claim 4, wherein the composite material is an electrically insulating material. 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.Piezoelectric component according to one of claims 1 to 5, wherein the means for tempering a thermally with the piezoelectric element ( 10 . 20 ) coupled, the carbon fibers having sheath ( 50 ) of the piezo element ( 10 . 20 ). Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 6, wobei die elektrischen Anschlusselemente (30, 31) in der Umhüllung (50) angeordnet sind.Piezoelectric device according to claim 6, wherein the electrical connection elements ( 30 . 31 ) in the envelope ( 50 ) are arranged. 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.Piezoelectric component according to one of claims 1 to 7, wherein at least one of the electrode layers ( 11 . 12 . 22 . 23 ) to a lateral surface portion ( 14 . 15 . 25 . 26 ) of the piezo element ( 10 . 20 ) and there with at least one electrical connection element ( 30 . 31 ) is electrically connected. 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.Piezoelectric component according to one of claims 1 to 8 in the form of a multilayer actuator, in which a plurality of piezo elements ( 10 ) to a stack-shaped actuator body ( 20 ) with a stacking direction ( 21 ) are arranged. Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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.Piezoelectric component according to one of claims 1 to 9, wherein the piezoelectric elements ( 10 ) in such a way to the stack-shaped actuator body ( 20 ) are arranged, that - adjacent piezoelectric elements a common electrode layer ( 22 . 23 ) and - the electrode layers ( 22 . 23 ) of the piezo elements ( 10 ) in the stacking direction ( 21 ) of the actuator body ( 20 ) alternately to two electrically isolated side surface sections ( 25 . 26 ) of the actuator body ( 20 ) are guided. 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.Piezoelectric component according to claim 10, wherein at least a part of the carbon fibers of the means for tempering substantially transversely to the stacking direction ( 21 ) of the actuator body ( 20 ) are aligned. Verwendung des piezoelektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Betätigung eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.Use of the piezoelectric component according to one of claims 1 to 11 for actuating a valve, in particular an injection valve of an internal combustion engine.
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