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Dokumentenidentifikation DE102006046018A1 10.04.2008
Titel Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechanischen Motors
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Dietz, Armin, 97276 Margetshöchheim, DE;
Gottlieb, Bernhard, Dr., 81739 München, DE;
Kappel, Andreas, Dr., 85649 Brunnthal, DE;
Kastl, Harald Johannes, 95686 Fichtelberg, DE;
Keller, Roland, 97241 Bergtheim, DE;
Lenk, Andreas, Dr., 01728 Bannewitz, DE;
Schuh, Carsten, Dr., 85598 Baldham, DE
DE-Anmeldedatum 28.09.2006
DE-Aktenzeichen 102006046018
Offenlegungstag 10.04.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.04.2008
IPC-Hauptklasse H02N 2/02(2006.01)A, F, I, 20060928, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02N 2/12(2006.01)A, L, I, 20060928, B, H, DE   
Zusammenfassung Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechanischen Motors, bei dem eine angetriebene Welle von einem in Achslängsrichtung betrachtet im Querschnitt innen runden, an die Welle angepassten Ring umgeben ist, zwei Kraftrichtungen auf jeweils zwei benachbarten Außenflächen definiert sind, die durch den Mittelpunkt des Innenringes verlaufen und entlang jeder der Kraftlinien mindestens ein Piezomehrschichtaktor kraftschlüssig an jeweils einer Ringaußenseite ansetzt, wobei der Piezomehrschichtaktor einen lang gestreckten rechteckigen Querschnitt aufweist und jeweils symmetrisch zu einer Kraftrichtung positioniert ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechanischen Motors.

Ein elektromechanischer Motor setzt elektrische Energie in mechanische bzw. Bewegungsenergie um. Wird in einem elektromechanischen Motor ein piezoelektrischer Aktor eingesetzt, so kann man dies als einen piezoelektrischen Motor bezeichnen. Eine andere Bezeichnung wäre beispielsweise "Piezoelektrischer Aktuatorantrieb/Piezoelectric Actuator Drive/PAD". Ein PAD besteht beispielsweise aus einer Welle mit umgreifendem Ring, welcher von außen mit zwei um 90° gegeneinander angestellten Piezoaktoren in Verschiebebewegungen versetzt wird. In einer anderen Form kann eine Hohlwelle mit innen liegenden mindestens zwei Piezoaktoren, die ebenfalls 90° gegeneinander versetzt sind, angetrieben werden.

Zur Erzeugung der Verschiebebewegungen des Ringes werden entlang zweier um 90° gegeneinander versetzter, durch den Mittelpunkt des Ringes laufender Zentrallinien/Kraftlinien, Hubbewegungen erzeugt. Dies geschieht mittels der jeweiligen Piezoaktoren. Die bekannten und hierfür bisher eingesetzten PADs, die aus der Serienherstellung für Diesel-Einspritzsysteme stammen, weisen auf deren bisherigem Einsatzgebiet, der Injektion von unter Druck stehendem Kraftstoff in Verbrennungskammern, entsprechende Merkmale auf.

Brennstoff-Injektoren sind heutzutage lang gestreckt und zylinderförmig im Querschnitt ausgebildet. Die lang gestreckte Form weist Durchmesser von wenigen Zentimetern auf und ist beispielsweise 10–20 cm lang. Ein Injektor besteht aus der eigentlichen Einspritzdüse und einer in Reihe geschalteten Piezoaktoreinheit. Daraus ist ersichtlich, dass die Form von bisher verwendeten oder bekannten PADs in Längsrichtung im Querschnitt rund, und entlang ihrer Achse lang gestreckt ausgeführt ist. Die Piezoaktoren sind als piezokeramische Multilager/Vielschichtaktoren ausgebildet und bestehen aus alternierend angeordneten Schichten aus Piezokeramik und Innenelektroden-Material. Das Innenelektroden-Material muss den im Verlauf des Herstellungsprozesses der Aktoren, auch bezeichnet als Stack, stattfindenden thermischen Behandlungen wie Entbinderungsprozesse bis ca. 500°C, Sinterung bis ca. 1100°C, standhalten und besteht daher entweder aus teuren Edelmetall-Legierungen wie beispielsweise AgPd, oder aber aus Kupfer, was eine wesentlich aufwändigere und damit kostenintensivere Herstellung nach sich zieht. Die Piezokeramik weist selbst zumindest im Bereich der Einspritzventile wegen des dort geforderten großen Arbeitstemperaturbereiches von –40 bis +150°C eine sehr hohe Curie-Temperatur, 300°C oder mehr, auf. Dies bedeutet für die zur Verfügung stehende nutzbare Dehnung der Piezokeramik eine starke Einschränkung. Die Dicke der aktiven Keramikschichten liegen für kommerziell verfügbare Serienaktoren bei ca. 80–100 &mgr;m. Entsprechende Ansteuerspannungen sind im Bereich von 160–230 V möglich. Normalerweise weisen die beschriebenen Aktoren quasi runde Querschnitte auf, was bei vielen Anwendungen, insbesondere bei Kraftstoff-Injektoren den verfügbaren Bauraum unter Berücksichtigung von Kostengesichtspunkten optimal ausnutzt.

Insgesamt sind bisher serienmäßig gefertigte Piezoaktoren entlang ihrer Wirkungsachse extrem lang gestreckt ausgeführt, mit einem großen Arbeitstemperaturbereich verbunden, weisen sehr hohe Lade- und Entladungsströme im Spitzenbereich auf und müssen entsprechend mit hoher Qualität gefertigt werden, um eine ausreichende Standzeit zu gewährleisten.

Die Entwicklung bei Piezoaktoren zum Antrieb eines piezomechanischen Motors ist mit Ausgestaltungen verbunden gewesen, die anstelle von zwei Aktoren vier oder mehr eingesetzt haben. Ziel war eine allgemeine Leistungssteigerung, wobei nach wie vor lediglich zwei Richtungen, die 90° gegeneinander versetzt sind, mit Hubbewegungen bedient werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde unter Beibehaltung von Auslenkung und Steifigkeit eines Piezomehrschichtaktors eine auf einen Piezoelektrischen Antrieb angepasste Form eines Piezomehrschichtaktors bereit zu stellen dessen Bauvolumen wesentlich verringert ist und dessen Verlustwärme bei vergleichbaren Verhältnissen wesentlich reduziert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Kombination der Merkmale des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.

Um den bei einem PAD Motor gegebenen Bauraum optimal auszunutzen wird die grundlegende Querschnittsform des Piezomehrschichtaktors nicht quadratisch oder rund dargestellt sondern in rechteckiger lang gestreckter Form. Gleichzeitig wird entlang einer Kraftrichtung lediglich ein Piezomehrschichtaktor eingesetzt. Dies ergibt eine Bestückung mit insgesamt zwei Piezomehrschichtaktoren.

Dabei wird das Verhältnis zwischen aktiver Fläche und inaktivem Kontaktierungsbereich wesentlich verbessert.

Im Folgenden werden anhand der begleitenden schematischen die Erfindung nicht einschränkenden Figuren im Ausführungsbeispiel beschrieben.

1 zeigt eine Aufsicht auf einen Piezomehrschichtaktor,

2 zeigt eine Frontansicht im Schnitt eines Piezomehrschichtaktors mit entsprechend positionierten Elektroden,

3 zeigt eine Seitenansicht eines Piezomehrschichtaktors mit Kontaktierungsschicht,

4 zeigt einen PAD mit pro Kraftrichtung jeweils einem Piezomehrschichtaktor, dessen Grundfläche rechteckig und lang gestreckt ist und der sowohl auf die Kraftlinie entsprechend ausgerichtet, als auch an den Ring des Aktuators angepasst ist,

5 zeigt einen PAD mit pro Kraftrichtung jeweils einem Piezomehrschichtaktor, dessen Grundfläche rechteckig und lang gestreckt ist und der sowohl auf die Kraftlinie entsprechend ausgerichtet, als auch an den Ring des Aktuators angepasst ist.

Bei einem beschriebenen neu gestalteten Piezomehrschichtaktor 6 kann durch den geringen notwendigen Arbeitstemperaturbereich des Piezostacks von ca. –40 bis +80°C eine effektivere Piezokeramik mit niedrigerer Curietemperatur eingesetzt werden. Aufgrund der relativ kurzzeitigen Ansteuerungsdauer bei intermittierendem Betrieb des Motors wie z. B. bei einem Autofenster und der damit nur in geringem Maße zu berücksichtigenden Eigenerwärmung durch Verlustwärme des Piezostacks kann die Ansteuerfrequenz höher gewählt werden, was eine gesteigerte Leistungsabgabe des Stacks zu Folge hat.

Mit den bereits beschriebenen Maßnahmen kann das für gleiche Auslenkung und Steifigkeit notwendige Bauvolumen um ca. 25% verringert werden, woraus wiederum Material und Prozesskosten eingespart werden können. Es ergeben sich somit Stack-Abmessungen von beispielsweise 3,5·20 mm2 im Querschnitt mit beispielsweise 30 mm Bauhöhe.

Aufgrund der Maßnahmen an der Bauform ist ein Mehrschichtkondensatordesign der Innenelektroden vorteilhaft. Dies ist verbunden mit einer vollflächigen inaktiven Kontaktierungszone an den Stack-Schmalseiten. Die Prozesstoleranzen hinsichtlich Bedruckungsgenauigkeit der Innenelektroden, dem Trennen im Grünzustand, dem Schleifen des gesinterten Bauteiles sowie der Aufbringung der Außenmetallisierung können damit aufgeweitet werden was insgesamt günstig ist.

Da die elektrische Ansteuerung des Piezostacks mit einem sinusförmigen Ansteuerimpuls von weniger als 1 kHz erfolgt, beispielsweise bei 300 Hz, treten nur Lade-/Entladeströme im Spitzenbereich von < 5A auf.

Zur Darstellung der unterschiedlichen Verhältnisse sei auf einen Piezomultilayer-Stack in einem Einspritzsystem verwiesen, der Spitzenströme von ca. 30A aufweisen kann. In Verbindung mit der größeren zur Verfügung stehenden Kontaktierungsfläche kann die Außenkontaktierung des Piezostacks daher wesentlich einfacher gehalten werden. Somit können Kettenbonds, Leitkleber, und planare Strukturen verwendet werden. Die Außenkontaktierung ist einfacher gegen die aktiven Seitenflächen des Stacks zu passivieren, da es insgesamt keinerlei bauraumbedingte Notwendigkeit für beispielsweise entlang der aktiven Seitenflächen des Stacks liegende Kontaktgins auf den aktiven Seiten gibt. Aufgrund der geringen Spitzenströme kann die Innenelektrode eine geringere Leitfähigkeit aufweisen, was ermöglicht, dass das Innenelektrodenmaterial mit Keramikpartikeln verdünnt werden kann. Das Volumen würde sich dabei um beispielsweise 20% verringern. Die Innenelektrode könnte andererseits eine geringere Schichtdicke aufweisen.

Die Einzelschichtdicke wird vergrößert, beispielsweise auf 160 &mgr;m, um die Anzahl an Innenelektroden pro Bauhöhe zu reduzieren. Beispielsweise werden unterschiedliche Prozesse vereinfacht, wie der im Bedruckungsprozess für die Innenelektrode oder die Anzahl benötigter Grünfolien. Die Ansteuerspannung steigt zwar gleichzeitig um den gleichen Betrag auf ca. 460 Volt, man verbleibt jedoch im Spannungsbereich für relativ kostengünstige Elektronikbauelemente. Anders ausgedrückt lässt sich eine höhere Ansteuerungsspannung mit den anderen Betriebsparametern hinnehmen. Die niedrigere Arbeitstemperatur ermöglicht den Einsatz einfacherer Passivierungsmaterialien anstelle von Silikon-Elastomeren.

Die im Vergleich zur dominierenden Anwendung im Bereich der Kraftstoffeinspritzsysteme deutlich unterschiedlichen Umgebungsbedingungen sowie Performance- und Zuverlässigkeitsanforderungen an den Piezostack sind eingehend analysiert worden. Aufbauend darauf wurde ein neuer Stack entwickelt, der sich durch entscheidende Einsparungen hinsichtlich Material- und Prozessaufwand auszeichnet, was den Weg freimacht für eine Serienherstellung des Piezomehrschichtaktors 6 für den Einsatz an einem piezoelektrischen Motor.

Mit den beschriebenen lang gestreckten Piezoaktoren 6 lassen sich Aktoren mit erhöhter Hubkraft herstellen, die auch eine verbesserte Sicherheit gegen Ausknicken aufweisen.

In 1 ist eine Aufsicht auf einen Piezomehrschichtaktor 6 dargestellt, wobei jeweils ein inaktiver Kontaktierungsbereich 1, eine Außenmetallisierung/-kontaktierung 2, ein aktiver Stackbereich 5 bezeichnet sind.

2 zeigt eine Frontansicht mit einem Schnitt eines Piezomehrschichtaktors 6 mit entsprechend positionierten Elektroden, wobei inaktive Kontaktierungsbereiche 1, Innenelektroden 3 und Außenmetallisierung/-kontaktierung 2 am aktiven Piezomehrschichtaktor 6 bezeichnet sind.

3 zeigt eine Seitenansicht eines Piezomehrschichtaktors 6, die zur Ansicht nach 2 um 90° gedreht ist und somit die Außenmetallisierung/-kontaktierung 2, zur Front hat.

In 4 stellt einen PAD mit pro Kraftrichtung jeweils einem Piezomehrschichtaktor 6 dar, dessen Grundfläche rechteckig und lang gestreckt ist, hier in Seitenansicht zu sehen, der sowohl auf die Kraftlinie entsprechend ausgerichtet als auch an den Ring des Aktuators angepasst ist. Der Antriebskörper 8 des PAD ist außen quadratisch ausgebildet. Die innere Öffnung zur Aufnahme der Welle 9 passt mit der Bohrung im Antriebskörper 8 zusammen.


Anspruch[de]
Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechanischen Motors, bei dem eine Welle (9) durch einen diese ringförmig an einem Durchgang umgebenden Antriebskörper (8), der queraxial verschiebbar ist, antreibbar ist, indem mindestens zwei um jeweils ca. 90° gegeneinander versetzte Piezomehrschichtaktoren (6) mit entsprechenden Kraftrichtungen (12), deren Wirkungslinien durch den Mittelpunkt des Durchgangs des Antriebskörpers (8) verlaufen, kraftschlüssig an entsprechenden Ringaußenseiten ansetzen, wobei Piezomehrschichtaktoren einen lang gestreckten rechteckigen Querschnitt aufweisen und jeweils symmetrisch zu einer Kraftrichtung positioniert sind. Piezomehrschichtaktor zum Antrieb eines elektromechanischen Motors, bei dem eine äußere Hohlwelle (11) durch eine innere Hohlwelle (10), die queraxial verschiebbar ist, antreibbar ist, indem mindestens zwei um jeweils ca. 90° gegeneinander versetzte Piezomehrschichtaktoren (6) mit entsprechenden Kraftrichtungen (12), deren Wirkungslinien durch den Mittelpunkt der inneren Hohlwelle verlaufen, kraftschlüssig an entsprechenden Positionen der Ringinnenseite (13) ansetzen, wobei Piezomehrschichtaktoren einen lang gestreckten rechteckigen Querschnitt aufweisen und jeweils symmetrisch zu einer Kraftrichtung positioniert sind. Piezomehrschichtaktor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem an den Aktorschmalseiten mindest an eine inaktive Kontaktierungszone vorhanden ist. Piezomehrschichtaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Innenelektroden eine Schichtdicke von ca. 160 &mgr;m aufweisen. Piezomehrschichtaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Material von Innenelektroden mit Keramikpartikeln versetzt ist. Piezomehrschichtaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zur Optimierung mit dem Arbeitstemperaturbereich des Piezomehrschichtaktors von ca. –40 bis +80°C eine Piezokeramik mit entsprechend niedriger Curietemperatur vorhanden ist. Piezomehrschichtaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Außenkontaktierung des Piezomehrschichtaktors in Form von Kettenbonds, durch Leitkleber oder planare Strukturen dargestellt wird.






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