EP1192671A1 - Piezo actuator with temperature compensation - Google Patents

Piezo actuator with temperature compensation

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Publication number
EP1192671A1
EP1192671A1 EP00945544A EP00945544A EP1192671A1 EP 1192671 A1 EP1192671 A1 EP 1192671A1 EP 00945544 A EP00945544 A EP 00945544A EP 00945544 A EP00945544 A EP 00945544A EP 1192671 A1 EP1192671 A1 EP 1192671A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezo
piezo actuator
compensating
effective direction
actuator according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00945544A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Stoecklein
Friedrich Boecking
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1192671A1 publication Critical patent/EP1192671A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/503—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure with non-rectangular cross-section orthogonal to the stacking direction, e.g. polygonal, circular
    • H10N30/505—Annular cross-section
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H10N30/886—Mechanical prestressing means, e.g. springs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • the invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.
  • a piezo element can be constructed from a material with a suitable crystal structure using the so-called piezo effect.
  • an external electrical voltage is applied, there is a mechanical reaction of the piezo element which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a push or pull in a predeterminable direction.
  • the aforementioned piezo actuators are often used for positioning valves. It should be noted here, among other things, that their lifting capacity for actuation, for example of a valve lifter, is relatively small.
  • the different thermal expansion of the ceramic of the piezo element and the housing leads to problems; the piezo element has a very low temperature expansion and the, as a rule, metallic housing has a positive temperature expansion, which can lead to a drift in the position of the valve tappet without actuation of the piezo element.
  • the piezo actuator described at the outset which can be used, for example, to actuate a mechanical component, advantageously has a piezo element to which, according to the invention, a compensating element is arranged in parallel.
  • the piezoelectric element and the compensating element in wesentli ⁇ chen is particularly advantageous to have the same thermal expansion coefficient so that the temperature-induced expansions of the piezoelectric ⁇ element and the compensating element are canceled at a suitable mechanical attachment of the two elements in the effective direction in such a way that a with a Pressure plate of the piezo element firmly connected actuating element in its position remains.
  • the piezo element lies in its effective direction with one end via a spring on a fixing edge of a housing and with the other end via the pressure plate and a biasing spring against another fixing edge of the housing.
  • a spring plate which is arranged between the piezo element and the spring.
  • the compensating element is additionally arranged on this spring plate, the other end abutting the housing and also lying parallel to the piezo element.
  • the piezo element is produced from a multilayer structure of ceramic piezo layers arranged transversely to the direction of action, which are extended in the direction of action when an external electrical voltage is suitably applied.
  • the compensation element is also made of ceramic with the same thermal expansion coefficient as the layers of the piezoceramic, but this ceramic has no piezo effect. A possible differential expansion between the housing of the piezo actuator and the piezo element, which would lead to a deflection of the actuating element, is thus compensated for by the spring that lies between the spring plate and the fixing edge of the housing.
  • the piezo element is likewise made of a multilayer structure arranged transversely. ten ceramic piezo layers are formed, which extend when an external electrical voltage is applied in the effective direction.
  • the compensating element here is made up of longitudinally arranged piezo layers which shorten in the effective direction when an external electrical voltage is applied.
  • a possible differential expansion between the housing of the piezo actuator and the piezo element, as mentioned above, can be compensated for by an equal temperature coefficient of the piezo element and the compensation element and compensation by means of the spring mentioned.
  • this embodiment according to the invention additionally enables the stroke of the piezo actuator to be increased, as a result of which other additional measures, such as a hydraulic coupling, can be dispensed with. Due to the increased stroke, a stroke ratio that might otherwise be necessary can also be omitted.
  • the piezo element and the compensation element can be constructed in the form of a rod with a round or rectangular cross section. It is also possible here that the piezo element and the compensating element consist of hollow cylinders which are arranged around the axis of the actuating element in order to facilitate an overall cylindrical construction of the piezo actuator.
  • the end of the piezo element with which it rests on the pressure plate and thus acts on the actuating element with a force can advantageously be arranged on the side of the piezo actuator facing away from the effective direction.
  • the useful force of the piezo actuator is a pulling force.
  • the end of the piezo element with which it rests on the pressure plate is on the side of the piezo actuator in the effective direction arranged.
  • the useful force of the piezo actuator is a compressive force.
  • FIG. 1 shows a section through a piezo actuator acting with a tensile force with a compensating element made of ceramic
  • FIG. 2 shows a section along the section line A-A from FIG. 1 with a rod-shaped structure of the piezo element according to FIG. 1 and a first possibility of contacting;
  • FIG. 3 shows a section corresponding to Figure 2 with a second possibility of contacting
  • FIG. 4 shows a section along the section line AA from FIG. 1 with a hollow cylindrical structure of the piezo element according to FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a section through a piezo actuator acting with a compressive force with a compensating element made of piezoceramic layers;
  • FIG. 6 shows a section along the section line A-A from FIG. 5 with a rod-shaped structure of the piezoelectric element according to FIG. 5 and a first possibility of contacting;
  • Figure 7 shows a section corresponding to Figure 6 with a second possibility of contacting
  • FIG. 8 shows a section along the section line A-A from FIG. 5 with a hollow cylindrical construction of the piezo elements according to FIG. 5.
  • a piezo actuator 1 which has a piezo element 2, which is constructed in a manner known per se from piezo foils of a quartz material with a suitable crystal structure, so that, using the so-called piezo effect when an external electrical voltage is applied, not in this figure electrodes shown a mechanical reaction of the piezo actuator 1 takes place.
  • the piezo element 2 is made of ceramic and a compensating element 3 is also made of ceramic, but without a piezo effect, and is pressed with a spring 4 against a fixing edge of the housing 6 via a spring plate 5.
  • the elements 2 and 3 have the same thermal expansion coefficient.
  • the piezo element 2 is preloaded from above with the biasing spring 7 and a pressure plate 8, the piezo element 2 being constructed with layers layered transversely so that it lengthens when an electrical voltage is applied.
  • the Pressure plate 8 is firmly connected to a tension rod 9, which represents the actuating element, for example for a valve lifter.
  • the biasing force F of the spring 7 7 must in this case be substantially less than the biasing force F4 of the spring 4 so that the groove for the maximum net force F - 1, the following relationship applies here as a tensile force, the piezoelectric actuator:
  • the stiffness of the springs 4 and 7 should be as small as possible. Since the temperature expansion of the piezo element 2 is equal to that of the compensating element 3, a possible differential expansion between the housing 6 and the piezo element 2 is compensated for by the spring 4.
  • FIG. 2 and 3 each show an arrangement with rod-shaped piezo elements 2 and compensating elements 3 in a sectional view A-A from FIG. 1.
  • the contacts 10, 11 of the piezo elements 2 are made in the arrangement according to FIG. 2 in the Y direction and contacts 12, 13 according to FIG. 3 in the X direction.
  • FIG. 4 An arrangement with hollow cylindrical piezo elements 2 and compensating elements 3 can also be seen in FIG. 4 in a sectional view A-A from FIG. 1.
  • the contacts 14 and 15 of the piezo elements 2 are attached to the radial side surfaces of the piezo element 2 in this arrangement.
  • FIG. 5 A second exemplary embodiment of the piezo actuator 1 is shown in FIG. 5, the components with the same effect being provided with the same reference numerals as in FIG. 1.
  • the piezo element 2 is also made of a corresponding piezoelectric ra ik; however, a compensating element 20 is also constructed as a piezo element, these elements 2 and 20 being pressed here, for example according to FIG. 1, with the spring 4 via the spring plate 5 against an upper fixing edge of the housing 6.
  • the piezo element 2 is layered transversely so that it is lengthened when an electrical voltage is applied as in the first exemplary embodiment.
  • the piezo layers of the compensating element 20, on the other hand, are longitudinally layered so that they shorten in the effective direction of the piezo actuator 1 when an electrical voltage is applied.
  • the biasing force of the spring 7, via which the lower end of the piezo element 2 is in contact with the housing, must be significantly lower than the biasing force of the spring 4, so that the following relationship applies to the maximum useful force F nutE , here as the compressive force, of the piezo actuator 1:
  • the stiffness of the springs 4 and 7 should also be as small as possible. When an electrical voltage is applied to both elements 2 and 20, the sum of the two individual strokes of the two elements 2 and 20 is obtained as the useful stroke. Since the temperature expansion of the two elements 2 and 20 is also the same here, a possible differential expansion between the housing 6 and the piezo element 2 is also balanced here via the spring 4.
  • FIG. 6 and FIG. 7 show an arrangement with a rod-shaped piezo element 2 and also rod-shaped compensating elements 20 in a sectional view AA from FIG. 5.
  • the contacts of the piezo element 2 are according to FIG. 6 in the X direction and of the compensating element 20 in the Y direction, and in the arrangement according to FIG. 7 for the piezo element 2 in the Y direction.
  • FIG. 8 shows an arrangement with hollow cylindrical piezo elements 2 and compensating elements 20, likewise in a sectional view A-A from FIG. 5.
  • the contacts 14 and 15 of the piezo element 2 and the compensating element 20 are attached to the radial side surfaces in this arrangement.

Abstract

The invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component. According to the invention, a piezo element (2) for subjecting an actuating element (9) to a tensile force or a pressure force, and a compensating element (3; 20) are provided. Said piezo element (2) and said compensating element (3; 20) have essentially the same temperature coefficient of expansion. The compensating element (3; 20) is mechanically coupled with the piezo element (2) in such a way that the temperature-related expansion of the piezo element (2) and the compensating element (3; 20) cancel each other out in the effective direction in such a way that the actuating element (9) remains in its position.

Description

PIEZ0AKT0R MIT TEMPERATURKOMPENSATION PIEZ0AKT0R WITH TEMPERATURE COMPENSATION
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs .The invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt . Bei der Positionierung von Ventilen werden die zuvor genannten Piezoaktoren häufig eingesetzt . Dabei ist hier unter anderem zu beachten, dass ihr Hubvermögen zur Betätigung, beispielsweise eines Ventilstössels , relativ klein ist. Andererseits führt die unterschiedliche Wärmedehnung der Keramik des Piezoelements und des Gehäuses dadurch zu Problemen; das Piezoelement hat eine sehr geringe Temperaturdehnung und das, in der Regel metallische Gehäuse hat eine positive Temperaturdehnung, was zu einer Drift der Position des Ventilstössels ohne eine Ansteue- rung des Piezoelements führen kann.It is generally known that a piezo element can be constructed from a material with a suitable crystal structure using the so-called piezo effect. When an external electrical voltage is applied, there is a mechanical reaction of the piezo element which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a push or pull in a predeterminable direction. The aforementioned piezo actuators are often used for positioning valves. It should be noted here, among other things, that their lifting capacity for actuation, for example of a valve lifter, is relatively small. On the other hand, the different thermal expansion of the ceramic of the piezo element and the housing leads to problems; the piezo element has a very low temperature expansion and the, as a rule, metallic housing has a positive temperature expansion, which can lead to a drift in the position of the valve tappet without actuation of the piezo element.
In üblicher Weise konnte man solche Störeffekte bisher nur durch die Anwendung sehr teurer Materialien, wie z.B. Invar, vermindern, die eine negative Temperaturdet-nung aufweisen. Ein anderer Weg bestand darin, zum Piezoelement in Reihe ein Material mit hoher Temperaturdehnung zu schalten, womit sich jedoch die Steifigkeit des Systems und damit die Aktorkraft reduziert.In the usual way, such interference effects could previously only be achieved by using very expensive materials, such as Reduce Invar, which have a negative temperature detection. Another way was to connect a material with high thermal expansion to the piezo element in series, but this reduces the rigidity of the system and thus the actuator force.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der eingangs beschriebene Piezoaktor, der beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils verwendbar sein kann, -.weist in vorteilhafter Weise ein Piezoelement auf, zu dem erfindungsgemäß ein Ausgleichselement parallel angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Piezoelement und das Ausgleichselement im wesentli¬ chen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen, so dass die temperaturbedingte Dehnungen des Piezo¬ elements und des Ausgleichselements sich bei einer geeigneten mechanischen Anbringung der beiden Elemente in Wirkrichtung derart aufheben, dass ein mit einer Druckplatte des Piezoelements fest verbundenes Betatigungselement in seiner Lage verbleibt . Es kann somit auf einfache Weise erreicht werden, dass nach wie vor ein metallisches Gehäuse, beispielsweise aus Stahl, für den Piezoaktor verwendet wird und das Piezoelement im Gehäuse derart verspannbar ist, dass das Ausgleichselement zur Temperatur- kompensation immer fest mit dem Piezoelement verbunden ist .The piezo actuator described at the outset, which can be used, for example, to actuate a mechanical component, advantageously has a piezo element to which, according to the invention, a compensating element is arranged in parallel. In that the piezoelectric element and the compensating element in wesentli ¬ chen is particularly advantageous to have the same thermal expansion coefficient so that the temperature-induced expansions of the piezoelectric ¬ element and the compensating element are canceled at a suitable mechanical attachment of the two elements in the effective direction in such a way that a with a Pressure plate of the piezo element firmly connected actuating element in its position remains. It can thus be achieved in a simple manner that a metallic housing, for example made of steel, is still used for the piezo actuator and the piezo element can be clamped in the housing such that the compensating element for temperature compensation is always firmly connected to the piezo element.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform liegt das Piezoelement in seiner Wirkrichtung mit einem Ende über eine Feder an einer Fixierkante eines Gehäuses und mit denn anderen Ende über die Druckplatte und eine Vorspannfeder an einer anderen Fixierkante des Gehäuses an. Es ist weiterhin ein Federteller vorhanden, der zwischen dem Piezoelement und der Feder angeordnet ist. Auf diesem Federteller ist erfindungsgemäß zusätzlich das Ausgleichselement angeordnet, das mit dem anderen Ende fest am Gehäuse anstößt und darüber hinaus parallel zu dem Piezoelement liegt.In an advantageous embodiment, the piezo element lies in its effective direction with one end via a spring on a fixing edge of a housing and with the other end via the pressure plate and a biasing spring against another fixing edge of the housing. There is also a spring plate which is arranged between the piezo element and the spring. According to the invention, the compensating element is additionally arranged on this spring plate, the other end abutting the housing and also lying parallel to the piezo element.
Bei einer ersten weitergebildeten Ausführungsform ist das Piezoelement aus einem Mehrschichtaufbau von quer zur Wirkrichtung angeordneten keramischen Piezolagen hergestellt, die sich bei geeigneter Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verlängern. -Das Ausgleichselement ist ebenfalls aus Keramik mit dem gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten wie die Lagen der Piezokeramik aufgebi-it, wobei diese Keramik jedoch keinen Piezoeffekt aufweist. Eine mögliche Differenzdehnung zwischen dem Gehäuse des Piezoaktors und dem Piezoelement, die zu einer Auslenkung des Betätigungselements führen würde, wird somit über die Feder, die zwischen dem Federteller und der Fixierkante des Gehäuse liegt, ausgeglichen.In a first further developed embodiment, the piezo element is produced from a multilayer structure of ceramic piezo layers arranged transversely to the direction of action, which are extended in the direction of action when an external electrical voltage is suitably applied. The compensation element is also made of ceramic with the same thermal expansion coefficient as the layers of the piezoceramic, but this ceramic has no piezo effect. A possible differential expansion between the housing of the piezo actuator and the piezo element, which would lead to a deflection of the actuating element, is thus compensated for by the spring that lies between the spring plate and the fixing edge of the housing.
Bei einer zweiten Ausführungsform ist das Piezoelement ebenfalls aus einem Mehrschichtaufbau von quer angeordne- ten keramischen Piezolagen gebildet, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verlängern. Das Ausgleichselement ist hier jedoch aus längs angeordneten Piezolagen aufgebaut, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verkürzen. Auch hier kann eine mögliche Differenzdehnung zwischen dem Gehäuse des Piezoaktors und dem Piezoelement, wie zuvor erwähnt, durch einen gleichen Temperaturkoeffizienten des Piezoelements und des Ausgleichselements und den Ausgleich über die erwähnte Feder ausgeglichen werden. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform ermöglicht aber zusätzlich noch eine Vergrößerung des Hubs des Piezoaktors wodurch auf andere zusätzliche Maßnahmen, wie z.B. eine hydraulische Kopplung, verzichtet werden kann. Durch den vergrößerten Hub kann ebenfalls auch eine eventuell sonst notwendige Hubübersetzung entfallen.In a second embodiment, the piezo element is likewise made of a multilayer structure arranged transversely. ten ceramic piezo layers are formed, which extend when an external electrical voltage is applied in the effective direction. However, the compensating element here is made up of longitudinally arranged piezo layers which shorten in the effective direction when an external electrical voltage is applied. Here, too, a possible differential expansion between the housing of the piezo actuator and the piezo element, as mentioned above, can be compensated for by an equal temperature coefficient of the piezo element and the compensation element and compensation by means of the spring mentioned. However, this embodiment according to the invention additionally enables the stroke of the piezo actuator to be increased, as a result of which other additional measures, such as a hydraulic coupling, can be dispensed with. Due to the increased stroke, a stroke ratio that might otherwise be necessary can also be omitted.
In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung kann das Piezoelement und das Ausgleichselement stabförmig mit rundem oder rechteckigem Querschnitt aufgebaut sein. Es ist hier auch möglich, dass das Piezoelement und das Ausgleichselement aus Hohlzylindern bestehen, die um die Achse des Betätigungselements angeordnet sind, um einen insgesamt zylindrischen -Aufbau des Piezoaktors zu erleichtern.In advantageous developments of the invention, the piezo element and the compensation element can be constructed in the form of a rod with a round or rectangular cross section. It is also possible here that the piezo element and the compensating element consist of hollow cylinders which are arranged around the axis of the actuating element in order to facilitate an overall cylindrical construction of the piezo actuator.
Bei einer ersten Anwendung des erfindungsgemäßen Piezoaktors kann in vorteilhafter Weise das Ende de Piezoelements mit dem es an der Druckplatte anliegt und somit das Betatigungselement mit einer Kraft beaufschlagt, an der in Wirkrichtung abgewandten Seite des Piezoaktors angeordnet sein. In diesem Fall ist die Nutzkraft des Piezoaktors eine Zugkraft.In a first application of the piezo actuator according to the invention, the end of the piezo element with which it rests on the pressure plate and thus acts on the actuating element with a force can advantageously be arranged on the side of the piezo actuator facing away from the effective direction. In this case, the useful force of the piezo actuator is a pulling force.
Nach einer zweiten vorteilhaften Anwendung ist das Ende des Piezoelements mit dem es an der Druckplatte anliegt, an der in Wirkrichtung liegenden Seite des Piezoaktors angeordnet . In diesem zweiten Fall ist die Nutzkraft des Piezoaktors eine Druckkraft .According to a second advantageous application, the end of the piezo element with which it rests on the pressure plate is on the side of the piezo actuator in the effective direction arranged. In this second case, the useful force of the piezo actuator is a compressive force.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs- form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.These and other features of preferred developments of the invention are evident from the claims and also from the description and the drawings, the individual features being realized individually or in groups in the form of subcombinations in the embodiment of the invention and in other fields be and can represent advantageous and protectable designs for which protection is claimed here.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen temperaturkompensierten Piezoaktors, beispielsweise zur Positionierung eines Ventils, werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the temperature-compensated piezo actuator according to the invention, for example for positioning a valve, are explained with the aid of the drawing. Show it:
Figur 1 einen Schnitt durch einen mit einer Zugkraft wirkenden Piezoaktor mit einem Ausgleichselement aus Keramik;1 shows a section through a piezo actuator acting with a tensile force with a compensating element made of ceramic;
Figur 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A aus Figur 1 mit eirem stabförmigen Aufbau des Piezoelements nach der Figur 1 und einer ersten Möglichkeit der Kontaktierung;FIG. 2 shows a section along the section line A-A from FIG. 1 with a rod-shaped structure of the piezo element according to FIG. 1 and a first possibility of contacting;
Figur 3 einen Schnitt entsprechend der Figur 2 mit einer zweiten Möglichkeit der Kontaktierung;3 shows a section corresponding to Figure 2 with a second possibility of contacting;
Figur 4 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A aus Figur 1 mit einem hohlzylindrischen Aufbau des Piezoelements nach der Figur 1; Figur 5 einen Schnitt durch einen mit einer Druckkraft wirkenden Piezoaktor mit einem Ausgleichselement aus piezokeramischen Lagen;FIG. 4 shows a section along the section line AA from FIG. 1 with a hollow cylindrical structure of the piezo element according to FIG. 1; FIG. 5 shows a section through a piezo actuator acting with a compressive force with a compensating element made of piezoceramic layers;
Figur 6 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A aus Figur 5 mit einem stabförmigen Aufbau der Piezo- ele ente nach der Figur 5 und einer ersten Möglichkeit der Kontaktierung;FIG. 6 shows a section along the section line A-A from FIG. 5 with a rod-shaped structure of the piezoelectric element according to FIG. 5 and a first possibility of contacting;
Figur 7 einen Schnitt entsprechend der Figur 6 mit einer zweiten Möglichkeit der Kontaktierung undFigure 7 shows a section corresponding to Figure 6 with a second possibility of contacting and
Figur 8 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A aus Figur 5 mit einem hohlzylindrischen Aufbau der Piezoelemente nach der Figur 5.8 shows a section along the section line A-A from FIG. 5 with a hollow cylindrical construction of the piezo elements according to FIG. 5.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In Figur 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der ein Piezoelement 2 aufweist, das in an sich bekannter Weise aus Piezofolien eines Quarzmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an in dieser Figur nicht gezeigten Elektroden eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt .In Figure 1, a piezo actuator 1 is shown, which has a piezo element 2, which is constructed in a manner known per se from piezo foils of a quartz material with a suitable crystal structure, so that, using the so-called piezo effect when an external electrical voltage is applied, not in this figure electrodes shown a mechanical reaction of the piezo actuator 1 takes place.
Bei dem Piezoaktor 1 nach der Figur 1 ist das Piezoelement 2 aus Keramik und ein Ausgleichselement 3 ebenfalls aus Keramik, allerdings ohne Piezoeffekt, mit einer Feder 4 über einen Federteller 5 gegen eine Fixierkante des Gehäuse 6 gepresst . Die Elemente 2 und 3 haben dabei den gleichen Temperaturdehnungskoeffizienten. Das Piezoelement 2 wird von oben mit der Vorspannfeder 7 und einer Druckplatte 8 vorgespannt, wobei das Piezoelement 2 so mit quer geschichteten Lagen aufgebaut ist, dass es sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung verlängert . Die Druckplatte 8 ist dabei fest mit einem Zugstab 9 verbunden, der das Betätigungselement, beispielsweise für einen Ventilstössel , darstellt.In the piezo actuator 1 according to FIG. 1, the piezo element 2 is made of ceramic and a compensating element 3 is also made of ceramic, but without a piezo effect, and is pressed with a spring 4 against a fixing edge of the housing 6 via a spring plate 5. The elements 2 and 3 have the same thermal expansion coefficient. The piezo element 2 is preloaded from above with the biasing spring 7 and a pressure plate 8, the piezo element 2 being constructed with layers layered transversely so that it lengthens when an electrical voltage is applied. The Pressure plate 8 is firmly connected to a tension rod 9, which represents the actuating element, for example for a valve lifter.
Die Vorspannkraft F7 der Feder 7 muß dabei wesentlich geringer als die Vorspannkraft F4 der Feder 4 sein, so dass für die maximale Nutzkraft Fnut- , hier als Zugkraft, des Piezoaktors 1 folgende Beziehung gilt:The biasing force F of the spring 7 7 must in this case be substantially less than the biasing force F4 of the spring 4 so that the groove for the maximum net force F - 1, the following relationship applies here as a tensile force, the piezoelectric actuator:
Fnutz = F4 - F L 7Fnutz = F4 - F L 7
Die Steifigkeiten der Federn 4 und 7 sollten dabei möglichst klein sein. Da die Temperaturdehnung des Piezoelements 2 gleich der des Ausgleichselements 3 ist, wird eine mögliche Differenzdehnung zwischen Gehäuse 6 und Piezoelement 2 über die Feder 4 ausgeglichen.The stiffness of the springs 4 and 7 should be as small as possible. Since the temperature expansion of the piezo element 2 is equal to that of the compensating element 3, a possible differential expansion between the housing 6 and the piezo element 2 is compensated for by the spring 4.
Aus Figur 2 und Figur 3 ist jeweils eine Anordnung mit stabförmigen Piezoelementen 2 und Ausgleichselementen 3 in einer Schnittansicht A-A aus der Figur 1 ersichtlich. Die Kontaktierungen 10, 11 der Piezoelemente 2 sind bei der Anordnung nach der Figur 2 in der Y-Richtung und Kontaktierungen 12, 13 nach der Figur 3 in der X-Richtung vorgenommen .2 and 3 each show an arrangement with rod-shaped piezo elements 2 and compensating elements 3 in a sectional view A-A from FIG. 1. The contacts 10, 11 of the piezo elements 2 are made in the arrangement according to FIG. 2 in the Y direction and contacts 12, 13 according to FIG. 3 in the X direction.
Aus Figur 4 ist eine Anordnung mit hohlzylindrischen Piezoelementen 2 und Ausgleichselementen 3 ebenfalls in einer Schnittansicht A-A aus .der Figur 1 ersichtlich. Die Kontaktierungen 14 und 15 der Piezoelemente 2 sind bei dieser Anordnung an den radialen Seitenflächen des Piezoelements 2 angebracht.An arrangement with hollow cylindrical piezo elements 2 and compensating elements 3 can also be seen in FIG. 4 in a sectional view A-A from FIG. 1. The contacts 14 and 15 of the piezo elements 2 are attached to the radial side surfaces of the piezo element 2 in this arrangement.
Ein zweites Ausführungsbeispiel des Piezoaktor 1 ist in Figur 5 gezeigt, wobei hier die gleich wirkenden Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der Figur 1 versehen sind. Auch bei der Anordnung nach der Figur 5 ist das Piezoelement 2 aus einer entsprechenden Piezoke- ra ik; ein Ausgleichselement 20 ist jedoch ebenfalls als ein Piezoelement aufgebaut, wobei diese Elemente 2 und 20 hier in Abwandlung zum Beispiel nach der Figur 1 mit der Feder 4 über den Federteller 5 gegen eine obenliegende Fixierkante des Gehäuse 6 gepresst werden.A second exemplary embodiment of the piezo actuator 1 is shown in FIG. 5, the components with the same effect being provided with the same reference numerals as in FIG. 1. In the arrangement according to FIG. 5, the piezo element 2 is also made of a corresponding piezoelectric ra ik; however, a compensating element 20 is also constructed as a piezo element, these elements 2 and 20 being pressed here, for example according to FIG. 1, with the spring 4 via the spring plate 5 against an upper fixing edge of the housing 6.
Das Piezoelement 2 ist dabei quer geschichtet, so dass es sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung wie beim ersten Ausführungsbeispiel verlängert. Die Piezolagen des Ausgleichselements 20 sind dagegen längsgeschichtet, so dass diese sich bei Anlage einer elektrischen Spannung in Wirkrichtung des Piezoaktors 1 verkürzen.The piezo element 2 is layered transversely so that it is lengthened when an electrical voltage is applied as in the first exemplary embodiment. The piezo layers of the compensating element 20, on the other hand, are longitudinally layered so that they shorten in the effective direction of the piezo actuator 1 when an electrical voltage is applied.
Die Vorspannkraft der Feder 7, über die das untere Ende des Piezoelements 2 am Gehäuse anliegt, muss dabei wesentlich geringer als die Vorspannkraft der Feder 4 sein, so dass für die maximale Nutzkraft FnutE , hier als Druckkraft, des Piezoaktors 1 folgende Beziehung gilt:The biasing force of the spring 7, via which the lower end of the piezo element 2 is in contact with the housing, must be significantly lower than the biasing force of the spring 4, so that the following relationship applies to the maximum useful force F nutE , here as the compressive force, of the piezo actuator 1:
Die Steifigkeiten der Federn 4 und 7 sollten dabei auch hier möglichst klein sein. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an beide Elemente 2 und 20 erhält man als Nutzhub die Summe der beiden Einzelhübe der beiden Elemente 2 und 20. Da die Temperaturdehnung der beiden Elemente 2 und 20 auch hier gleich ist, wird eine mögliche Differenzdehnung zwischen dem Gehäuse 6 und dem Piezoelement 2 auch hier über die Feder 4 ausgeglichen.The stiffness of the springs 4 and 7 should also be as small as possible. When an electrical voltage is applied to both elements 2 and 20, the sum of the two individual strokes of the two elements 2 and 20 is obtained as the useful stroke. Since the temperature expansion of the two elements 2 and 20 is also the same here, a possible differential expansion between the housing 6 and the piezo element 2 is also balanced here via the spring 4.
Aus Figur 6 und Figur 7 ist eine Anordnung mit einem stabförmigen Piezoelement 2 und ebenfalls stabförτnigen Ausgleichselementen 20 in einer Schnittansicht A-A aus der Figur 5 ersichtlich. Die Kontaktierungen des Piezoelements 2 sind nach der Figur 6 in X-Richtung und des Ausgleichselements 20 in Y-Richtung sowie bei der Anordnung nach der Figur 7 beim Piezoelement 2 in der Y- Richtung und bei den Ausgleichselementen 20 in der X- Richtung vorgenommen.FIG. 6 and FIG. 7 show an arrangement with a rod-shaped piezo element 2 and also rod-shaped compensating elements 20 in a sectional view AA from FIG. 5. The contacts of the piezo element 2 are according to FIG. 6 in the X direction and of the compensating element 20 in the Y direction, and in the arrangement according to FIG. 7 for the piezo element 2 in the Y direction. Direction and made with the compensating elements 20 in the X direction.
Aus Figur 8 ist eine Anordnung mit hohlzylindrischen Pie- zoelementen 2 und Ausgleichselementen 20 ebenfalls in einer Schnittansicht A-A aus der Figur 5 ersichtlich. Die Kontaktierungen 14 und 15 des Piezoelements 2 und des Ausgleichselements 20 sind bei dieser Anordnung an den radialen Seitenflächen angebracht. FIG. 8 shows an arrangement with hollow cylindrical piezo elements 2 and compensating elements 20, likewise in a sectional view A-A from FIG. 5. The contacts 14 and 15 of the piezo element 2 and the compensating element 20 are attached to the radial side surfaces in this arrangement.

Claims

Patentansprücheclaims
1) Piezoaktor, mit einem Piezoelement (2) zur Beaufschlagung eines Betätigungseiements (9) mit einer Zug- oder Druckkraft und einem Ausgleichselement (3;20), wobei das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3; 20) im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen und wobei das Ausgleichselement (3; 20) mechanisch derart mit dem Piezoelement (2) gekoppelt ist, dass die temperaturbedingte Dehnungen des Piezoelements (2) und des Ausgleichselements (3; 20) sich in Wirkrichtung derart aufheben, dass das Betätigungselement (9) in seiner Lage verbleibt .1) Piezo actuator, with a piezo element (2) for acting on an actuating element (9) with a tensile or compressive force and a compensating element (3; 20), the piezo element (2) and the compensating element (3; 20) essentially the same Have thermal expansion coefficients and the compensating element (3; 20) is mechanically coupled to the piezo element (2) in such a way that the temperature-related expansions of the piezo element (2) and the compensating element (3; 20) cancel each other out in the effective direction in such a way that the actuating element (9 ) remains in its position.
2) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2) in seiner Wirkrichtung mit einem Ende über eine Feder (4) an einer Fixierkante eines Gehäuses (6) anliegt und mit dem anderen Ende über ei- ne Druckplatte (8) und eine Vorspannfeder (7) an einer anderen Fixierkante des Gehäuses (6) anliegt und mit einem Federteller (5), der zwischen dem Piezoelement (2) und der Feder (4) angeordnet ist, auf dem zusätzlich das Ausgleichselement (3,-20) angeordnet ist, welches mit dem anderen Ende fest am Gehäuse (6) anstößt und dabei im wesentlichen parallel zu dem Piezoelement (2) liegt.2) Piezo actuator according to claim 1, characterized in that the piezo element (2) rests in its effective direction with one end via a spring (4) on a fixing edge of a housing (6) and with the other end via a ne pressure plate (8) and a biasing spring (7) on another fixing edge of the housing (6) and with a spring plate (5), which is arranged between the piezo element (2) and the spring (4), on which the compensating element (3, -20) is arranged, which with the other end abuts the housing (6) and is essentially parallel to the piezo element (2).
3) Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2) aus einem Mehrschichtaufbau von quer angeordneten keramischen Piezolagen besteht, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verlängern und das Ausgleichselement (3) aus Keramik aufgebaut ist.3) Piezo actuator according to claim 2, characterized in that the piezo element (2) consists of a multilayer structure of transversely arranged ceramic piezo layers which extend in the effective direction when an external electrical voltage is applied and the compensating element (3) is made of ceramic.
4) Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2) aus einem Mehrschichtaufbau von quer angeordneten keramischen Piezolagen besteht, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verlängern und dass da= Ausgleichselement (20) aus lä.-gs angeordneten Piezolagen besteht, die sich bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung in Wirkrichtung verkürzen.4) Piezo actuator according to claim 2, characterized in that the piezo element (2) consists of a multi-layer structure of transversely arranged ceramic piezo layers, which extend when an external electrical voltage is applied in the effective direction, and that da = compensating element (20) from long-term arranged piezo layers, which shorten when an external electrical voltage is applied in the effective direction.
5) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3; 20) stabförmig mit rundem oder rechteckigem Querschnitt aufgebaut ist . 6) Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2) und das Ausgleichselement (3;20) aus Hohlzylindern bestehen, die um die Achse des Betätigungselements (9) angeordnet sind.5) Piezo actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element (2) and the compensating element (3; 20) is rod-shaped with a round or rectangular cross section. 6) Piezo actuator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the piezo element (2) and the compensating element (3; 20) consist of hollow cylinders which are arranged around the axis of the actuating element (9).
7) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Piezoelements (2) mit dem es an der Druckplatte (8) anliegt, an der in Wirkrichtung abgewandten Seite des Piezoaktors (2) angeordnet ist, so dass die Nutzkraft (Fnutz) des Piezoaktors (1) eine Zugkraft ist .7) Piezo actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the end of the piezo element (2) with which it rests on the pressure plate (8) is arranged on the side of the piezo actuator (2) facing away from the effective direction, so that the useful force ( F utilization ) of the piezo actuator (1) is a tensile force.
8) Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Piezoelements (2) mit dem es an der Druckplatte (8) anliegt, an der in Wirkrichtung liegenden Seite des Piezoaktors (2) angeordnet ist, so dass die Nutzkraft (Fnutz)des Piezoaktors (1) eine Druckkraft ist.8) Piezo actuator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the end of the piezo element (2) with which it rests on the pressure plate (8) is arranged on the side of the piezo actuator (2) in the effective direction, so that the Useful force (F util ) of the piezo actuator (1) is a compressive force.
9) Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass9) Piezo actuator according to one of the preceding claims, characterized in that
- zwischen dem Piezoelement (2) und dem Ausgleichselement (3; 20) eine Wärmeleitpaste angeordnet ist. - A thermal paste is arranged between the piezo element (2) and the compensating element (3; 20).
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