DE19960971A1 - Piezoaktor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einem Piezoaktor (10) zur Wandlung eines elektrischen Ansteuersignals in eine mechanische Hubbewegung, mit wenigstens einem Stapel von miteinander gekoppelten Piezoelementen (11). Es wird vorgeschlagen, beispielsweise zur elektrischen Regelbarkeit dieser Hubbewegung, den Piezoaktor (10) in Reihe mit einem Sensor (16) zu schalten. Dieser Sensor (16) besteht aus wenigstens einem zweiten Stapel von Piezoelementen (17), liegt unmittelbar am Piezoaktor (10) an und erzeugt ein zur Hubbewegung proportionales Spannungssignal, das einer Regelelektronik (22) zuführbar ist.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Piezoaktor zur Wandlung
eines elektrischen Ansteuersignals in eine mechanische
Hubbewegung entsprechend der Gattung des Anspruchs 1.
Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für
Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen
Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
Exemplarisch sei diesbezüglich auf Injektoren zur
Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines
Verbrennungsmotors verwiesen.
Ein gattungsgemäßer Piezoaktor ist aus der DE 196 15 694 C1
bereits bekannt. Dieser Piezoaktor weist einen Stapel
mehrerer elektrisch miteinander gekoppelter Piezoelemente
auf, die unter Vorspannung zwischen zwei relativ zueinander
beweglichen Anschlägen gehalten sind. Jedes dieser
Piezoelemente umfaßt zwei Elektrodenschichten und eine
dazwischenliegende piezokeramische Schicht, an die über die
Elektrodenschichten eine elektrische Spannung anlegbar ist.
Aufgrund dieser Spannung führen die piezokeramischen
Schichten kleine Hubbewegungen in Richtung des
Potentialgefälles aus, die sich zum Gesamthub des
Piezoaktors addieren. Dieser Gesamthub ist über die Höhe der
angelegten Spannung veränderbar und kann auf ein
mechanisches Stellglied übertragen werden.
Beim bekannten Piezoaktor liegt keine Rückmeldung über das
Maß des Gesamthubs vor.
Demgegenüber weist ein Piezoaktor mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil auf, daß er mit einem
Sensor mechanisch in Reihe geschaltet ist, der ein der
Hubbewegung proportionale Spannungssignal an eine
Regelelektronik abgibt. Mit dieser Regelung ist auf eine
einfache Weise zum Beispiel die Geschwindigkeit der
Hubbewegung bestimmbar oder im Falle des Einsatzes eines
derartigen Piezoaktors bei einem Injektor zur Einspritzung
von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors
eine Einspritzverlaufsformung durch Variation des
Einspritzbeginns, des Einspritzendes und der Einspritzmenge
darstellbar. Ferner kann das Signal des Sensors im
Servicefall zur Dedektierung eines defekten oder klemmenden
Piezoaktors ausgenutzt werden. Ferner läßt sich bei der
Herstellung des Piezoaktors über den Sensor die mechanische
Vorspannung der Piezoelemente kalibrieren. Der
vorgeschlagene Sensor baut besonders kompakt und ist dadurch
mit dem Piezoaktor in einem gemeinsamen Gehäuse
unterzubringen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung
eines einzigen Stapels getrennt verschalteter Piezoelemente.
Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der
Beschreibung. So liefert der Sensor Spannungssignale, die
die Hubbewegung der Piezoelemente besonders genau
beschreiben, wenn er koaxial zum Piezoaktor angeordnet ist
und/oder aus denselben Piezoelementen besteht wie dieser.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. In vereinfachter Darstellung zeigt die einzige
Figur einen erfindungsgemäß mit einem Sensor versehenen
Piezoaktor in der Seitenansicht.
Der in der einzigen Figur dargestellte Piezoaktor 10 ist aus
einem Stapel von Piezoelementen 11 aufgebaut und weist
beispielhaft eine kubische oder eine zylindrische
Außenkontur auf. Die den Piezoaktor 10 bildenden und in
ihrem Aufbau beispielsweise in der DE 196 15 694 C1
beschriebenen Piezoelemente 11 bestehen jeweils aus einer
zwischen zwei Elektrodenschichten 11a angeordneten
piezokeramischen Schicht 11b. Über mit den
Elektrodenschichten 11a verbundene und nach außen geführte
Anschlußleitungen 12 und 14 ist an diese piezokeramische
Schicht 11b eine elektrische Spannung anlegbar. Der
piezoelektrische Effekt besteht bekanntermaßen darin, daß
aufgrund dieser Spannung die piezokeramische Schicht 11b
eine zur Höhe der Spannung proportionale Kontraktion oder
Dekontraktion ausführt, vorausgesetzt, daß die einzelnen
Piezoelemente 11 stets unter mechanischer Vorspannung
stehen. Diese Vorspannung kann beispielsweise von
federbeaufschlagten, mechanischen Anschlägen aufgebracht
werden, die an den einander gegenüberliegenden Stirnflächen
des Piezoaktors 10 anliegen (nicht gezeichnet) und die zur
Übertragung einer Hubbewegung auf ein zu betätigendes
Bauteil beweglich zueinander geführt sind. Die Kontraktion
beziehungsweise Dekontraktion der Piezoelemente 11 erfolgt
in Richtung des Potentialgefälles und ist maßlich sehr
gering. Für eine technische Verwertbarkeit dieses Effekts
weist der Piezoaktor 10 eine Vielzahl von Piezoelementen 11
auf.
Wird ein derartiger Piezoaktor 10 in Wirkverbindung mit
einem Stellglied gebracht, beispielsweise einem Schieber
eines Ventils, so kann diesem Schieber durch
Spannungsbeaufschlagung der Piezoelemente 11 eine
Hubbewegung aufgezwungen werden. Letztere kann mit einer
hohen Frequenz und einer hohen Genauigkeit erzeugt werden;
zudem ist ein Piezoaktor 10 in der Lage hohe Kräfte
aufzubringen. Erfindungsgemäß ist dieser an sich bekannte
Piezoaktor 10 mechanisch in Reihe mit einem Sensor 16
geschaltet. Der Sensor 16 ist exemplarisch konzentrisch zum
Piezoaktor 10 angeordnet und weist ebenfalls eine kubische
oder zylindrische Außenkontur auf. Während im
Ausführungsbeispiel die Breite bzw. der Durchmesser des
Piezoaktors 10 mit der des Sensors 16 übereinstimmt, sind
die Längenmaße beider Bauelemente unterschiedlich.
Der Sensor 16 ist ebenfalls aus einem Stapel von
Piezoelementen 17 aufgebaut, deren Elektrodenschichten 17a
mittels nach außen führenden Signalleitungen 18 und 20
elektrisch kontaktiert sind. Zwischen den
Elektrodenschichten 17a befindet sich eine piezokeramische
Schicht 17b. Mit der Spannungsbeaufschlagung des Piezoaktors
10 und dessen Längenänderung gelangt diese piezokeramische
Schicht 17b des Sensors 16 aufgrund ihrer Einspannung
zwischen den mechanischen Anschlägen unter Druck und gibt
infolge der Umkehrbarkeit des piezoelektrischen Effekts
Spannungssignale über die Elektrodenschichten 17a an eine
über Signalleitungen 18 und 20 verbundene Regelelektronik 22
ab. Diese Spannungssignale stellen somit zur Längenänderung
des Piezoaktors 10 proportionale Antwortsignale dar. Die
Regelelektronik 22 wertet diese Antwortsignale aus und
errechnet daraus neue Ansteuersignale für den Piezoaktor 10.
Somit ist mit dem vorgeschlagenen Piezoaktor 10 auf einfache
Weise ein elektromechanischer Regelkreis darstellbar.
Die unterschiedliche Länge des Piezoaktors 10 gegenüber dem
Sensor 16 ermöglicht, daß die Längenänderung des Piezoaktors
10 nicht vollständig von der dazu entgegengesetzt
gerichteten Längenänderung des Sensors 16 aufgezehrt wird,
sondern daß zumindest ein gewisser technisch verwertbarer
Hub des Piezoaktors 10 erhalten bleibt.
Anstelle der Ausbildung eines Regelkreises lassen sich die
Spannungssignale des Sensors 16 auch noch anderweitig
nutzen. Beispielsweise können die Signalleitungen 18 und 20
auch in Kontakten enden, über die dann im Servicefall die
Funktion des Piezoaktors 10 elektronisch diagnostizierbar
ist. Klemmende oder mechanisch defekte Piezoaktoren 10 wären
dadurch leicht feststellbar; darüber hinaus wäre aber auch
eine genauere Kalibrierung der auf die Piezoelemente 11
einwirkenden mechanischen Vorspannung realisierbar.
Selbstverständlich sind Änderungen oder Ergänzungen am
beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne vom
Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Claims (8)
1. Piezoaktor (10) zur Wandlung eines elektrischen
Ansteuersignals in eine mechanische Hubbewegung, mit
wenigstens einem Stapel von elektrisch miteinander
gekoppelten Piezoelementen (11), die aus jeweils wenigstens
zwei Elektrodenschichten (11a) und einer dazwischen
angeordneten piezokeramischen Schicht (11b) bestehen und die
unter Vorspannung zwischen relativ beweglichen Anschlägen
gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoaktor
(10) mechanisch in Reihe mit einem Sensor (16) geschaltet
ist, der ein zur Hubbewegung proportionales elektrisches
Signal abgibt und daß dieser Sensor (16) wenigstens einen
zweiten Stapel miteinander zusammenwirkender und unmittelbar
an einer Stirnseite des Piezoaktors (10) anliegender
Piezoelemente (17) aufweist.
2. Piezoaktor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Stapel von Piezoelementen (11 und 17) koaxial
zueinander angeordnet und elektrisch voneinander getrennt
sind.
3. Piezoaktor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Höhe des Stapels von Piezoelementen
(17) des Sensors (16) kleiner ist als die Höhe des Stapels
von Piezoelementen (11) des Piezoaktors (10).
4. Piezoaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (17) des Sensors (16)
identisch zu den Piezoelementen (11) des Piezoaktors (10)
aufgebaut sind.
5. Piezoaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (11 und 17)
monolithische Piezoelemente sind.
6. Piezoaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Stapel von Piezoelementen (11
und 17) elektrisch voneinander getrennte Bestandteile eines
Bauelements sind.
7. Piezoaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Regelelektronik (22) die Signale
des Sensors (16) in Ansteuersignale für den Piezoaktor (10)
wandelt.
8. Elektromechanischer Injektor zur Einspritzung von
Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors mit
einem Gehäuse, in dem ein die Kraftstoffmenge zumessendes
Stellglied beweglich geführt ist und mit einem dieses
Stellglied beaufschlagenden, elektrisch ansteuerbaren
Piezoaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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