DE19960971A1

DE19960971A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE19960971A1
Application number: DE19960971A
Authority: DE
Inventors: Johannes-Joerg Rueger; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2001-03-08

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

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

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

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.