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WO2004114425A1 - Piezoelektrisches bauteil mit temperiervorrichtung und verwendung des bauteils - Google Patents

Piezoelektrisches bauteil mit temperiervorrichtung und verwendung des bauteils Download PDF

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WO2004114425A1
WO2004114425A1 PCT/EP2004/050773 EP2004050773W WO2004114425A1 WO 2004114425 A1 WO2004114425 A1 WO 2004114425A1 EP 2004050773 W EP2004050773 W EP 2004050773W WO 2004114425 A1 WO2004114425 A1 WO 2004114425A1
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WO
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piezoelectric
piezoelectric component
piezo
piezo element
electrode layers
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Application number
PCT/EP2004/050773
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Inventor
Carsten Schuh
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • 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
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
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    • F02M59/46—Valves
    • F02M59/466—Electrically operated valves, e.g. using electromagnetic or piezoelectric operating means
    • F02M59/468—Electrically operated valves, e.g. using electromagnetic or piezoelectric operating means using piezoelectric operating means

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric component with at least one piezo 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 connection elements for electrically controlling the electrode layers of the piezo element and at least one means for tempering the piezo element.
  • the piezoelectric layer and the electrode layers of the piezo element are connected to one another in such a way that an electrical field is coupled into the piezoelectric layer by means of an electrical control of the electrode layers. Due to the injected electric field, the piezoelectric layer is deflected and thus the piezo element is deflected.
  • the use of the component is specified.
  • the piezoelectric component is, for example, a piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator consists, for example, of a multiplicity of stacked piezo elements.
  • a piezo actuator with an actuator body in a monolithic multilayer construction can be seen, for example, from US Pat. No. 6,236,146 B1.
  • a multiplicity of electrode layers, which are referred to as internal electrodes, and piezoelectric layers made of a piezo ceramic are alternately stacked on top of one another and sintered together to form the monolithic actuator body.
  • adjacent electrode layers are alternately guided on two lateral surface sections of the actuator body that are electrically insulated from one another. On These surface sections each have a strip-shaped metallization.
  • the known piezo actuator is used, for example, to control an injection valve of an engine of a motor vehicle.
  • the energy fed in by the electrical control is partially lost as heat (heat loss).
  • heat loss In the case of a high repetition rate of the actuation of the piezo actuator which is customary with regard to the application, undesired heating of the actuator body can occur.
  • the actuator body is heated via the Curie temperature of the piezoelectric material of the piezoelectric layers. This would result in depolarization of the piezoelectric material and consequently in failure of the piezo actuator.
  • carbon fibers are presented in the form of carbon nanotubes. 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.
  • the object of the present invention is to provide a piezo actuator in which the probability of heating via the Curie temperature of the piezoelectric material is reduced in comparison with the known prior art.
  • a piezoelectric component with at least one piezo 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 connection elements for electrically controlling the electrode layers of the piezo element and at least specified a means for tempering the piezo element.
  • the piezoelectric component is characterized in that the means for tempering the piezo element has carbon fibers which are electrically insulated from the electrode layers and the connection elements.
  • the means for tempering ensures a good thermal connection of the piezo element to an environment. A necessary operating temperature of the actuator body can thereby be set. In particular, excess heat can be efficiently dissipated from the piezo element.
  • the piezo element is cooled.
  • Carbon fibers are used for efficient tempering.
  • the carbon fibers are, for example, graphite fibers.
  • the carbon fibers have carbon nanotubes.
  • the carbon nanotubes have a tube diameter that ranges from a few nm to 100 nm.
  • a tube length of the carbon nanotubes can be up to several mm.
  • Carbon nanotubes are available as single-walled nanotubes (SWNTs) or multi-walled nanotubes (Multi-Walled Nanaotubes, MWNTs).
  • SWNTs single-walled nanotubes
  • MWNTs multi-walled Nanaotubes
  • the carbon fibers and especially the carbon nanotubes are characterized by 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 to say the electrode layers and the electrical connection elements. This is achieved, for example, with a thin electrical insulation layer which is arranged between the carbon fibers of the means for tempering the piezo element and the electrically conductive elements of the piezoelectric component. In particular, an electrical insulation layer is suitable for this purpose has good thermal conductivity. Such
  • the insulation layer is formed, for example, by a polymer into which ceramic particles with a relatively good thermal conductivity are incorporated.
  • ceramic particles consist for example of aluminum oxide (Al2O3).
  • thermally conductive, but electrically insulating conductive adhesive is conceivable.
  • the means for tempering with the carbon fibers is glued to the piezo element.
  • the means for tempering is connected to the piezo element in such a way that there is a thermal coupling between the piezo element and this means during the entire operation of the piezoelectric component. This means that the thermal coupling is ensured even when the piezo element is deflected.
  • the thermal coupling preferably results from heat conduction between the piezo element and the carbon fibers.
  • both components of the piezoelectric component are firmly connected to one another with the aid of a thermally conductive, elastic adhesive.
  • the deflection of the piezo element leads to mechanical stresses in the transition area between the piezo element and the conductive adhesive and means for tempering the piezo element.
  • the carbon fibers and in particular the carbon nanotubes are particularly advantageous with regard to this aspect since, in addition to the very high thermal conductivity, they also have a very high elasticity. Because of the high elasticity they are
  • Carbon nanotubes are able to follow the displacement of the actuator body. Any mechanical stresses caused by the deflection are effectively reduced. A very good thermal coupling between the piezo element and the carbon nanotubes is retained.
  • the carbon fibers can be isolated. It is also conceivable that the carbon fibers are connected to one another to form at least one fiber bundle.
  • the fiber bundle consists of several individual carbon fibers.
  • the carbon fibers are essentially aligned along a common preferred direction and connected to one another with the aid of a connecting means.
  • the connecting means is, for example, a wrapping or a covering of the carbon fibers.
  • the carbon fibers are connected to one another to form a fiber fabric.
  • the carbon fibers or fiber bundles from the carbon fibers are interwoven or intertwined.
  • the fiber fabric is a fleece made of carbon fibers.
  • the fiber fabric like the carbon fibers and in particular the carbon nanotubes themselves, is characterized by a high degree of elasticity or flexibility. Since the carbon fibers touch each other in the fiber fabric, the thermal conductivity is guaranteed across the fiber fabric.
  • the means for tempering the piezoelectric component has a composite material which, together with the carbon fibers, forms a composite material.
  • the composite material acts as a matrix in which the carbon fibers are embedded.
  • the composite material can also be embedded 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 material can be influenced.
  • the carbon nanotubes are particularly suitable for
  • Carbon nanotubes can be bound to functional groups, for example hydrophilic or hydrophobic groups. As a result, a miscibility and / or a strength of the composite of carbon nanotubes and composite material can be influenced.
  • the composite material is preferably an electrically insulating material.
  • the electrically insulating material is, for example, an electrically insulating plastic. This plastic forms a polymer matrix in which the carbon fibers are embedded.
  • the composite material consists of the plastic and the carbon fibers. In order to ensure 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 are selected so high that a so-called percolation limit is reached or exceeded.
  • the carbon fibers touch each other at the percolation limit. This ensures the thermal conductivity from carbon fiber to carbon fiber and thus across the entire composite.
  • the plastic can be any thermoplastic or thermosetting plastic.
  • the plastic is preferably an elastomeric plastic.
  • the elastomeric plastic for example a silicone elastomer, is characterized by high elasticity or flexibility. By embedding the carbon fibers in an elastomeric plastic, the flexibility of the plastic is essentially retained. At the same time, however, an efficient temperature control of the piezo element is achieved.
  • the covering with the carbon fibers can partially or completely surround the piezo element. In particular, this enables a large-area and thus efficient thermal coupling.
  • the electrical connection elements of the piezoelectric component are preferably also arranged in the casing. This leads to a very compact structure of the piezoelectric component.
  • At least one of the electrode layers of the piezo element extends to a lateral surface section of the piezo element.
  • the electrode layer is connected in an electrically conductive manner to at least one electrical connection element.
  • the piezo element has, for example, a square or rectangular base area.
  • Surface section can be located at a corner of the piezo element. This surface section can also extend along an entire lateral extent of the piezo element. It is also conceivable that the surface section is formed by almost an entire side of the piezo element.
  • connection elements in the form of a wire mesh made of metal wires or in the form of a large number of individual metal wires have proven successful, for example.
  • the wire mesh or the metal wires are soldered to the lateral surface section of the piezo element.
  • Such connection elements are characterized by a very high degree of flexibility. Because of the high electrical conductivity of carbon fibers and in particular of carbon nanotubes, the electrical connection element can also be constructed from these materials.
  • 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 from several piezo elements.
  • the piezoelectric layers can consist of piezoelectric plastic, for example polyvinylidene fluoride (PVDF), or piezoelectric ceramic, for example lead zirconate titanate (Pb (Ti, Zr) ⁇ 3, PZT).
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • Pb (Ti, Zr) ⁇ 3, PZT lead zirconate titanate
  • the piezoelectric component is a multilayer actuator, in which a multiplicity of piezo elements are arranged to form a stack-shaped actuator body with a stacking direction.
  • the actuator body can consist of piezo elements glued together.
  • the piezoelectric layers of the piezo elements consist, for example, of a piezoelectric plastic.
  • the actuator body is preferably produced in a monolithic multilayer construction.
  • 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.
  • ceramic green foils with the piezoceramic and electrode layers made of the electrically conductive material are alternately stacked on top of one another and sintered together. It is also conceivable to stack ceramic green foils printed with electrode material.
  • the piezo elements of the multilayer actuator are arranged, for example, in relation to the stack-shaped actuator in such a way that adjacent piezo elements have a common electrode layer, the electrode layers of the piezo elements in the stacking direction of the actuator body alternately on at least two electrically insulated, lateral ones Surface sections of the actuator body are guided and at least one of the surface sections of the actuator body is electrically conductively connected to one of the electrical connection elements.
  • a particularly high flexibility of the means for tempering with simultaneously efficient thermal coupling is achieved in that at least some of the carbon fibers are aligned transversely to the stacking direction of the actuator body described above. This essentially means that deviations from the transverse alignment by up to 45 ° are possible and permissible.
  • the aligned carbon fibers are aligned in a plastic that has not yet or only partially crosslinked and has a correspondingly low viscosity.
  • the carbon fibers in the not yet crosslinked plastic are aligned mechanically, for example, with the aid of a comb. After alignment, the plastic is cross-linked.
  • a matrix is formed from the plastic, in which the carbon fibers are aligned essentially parallel to one another along a common preferred direction. This essentially means that there is a distribution around the common preferred direction with regard to the alignment.
  • the piezoelectric component has a heat sink which is indirectly thermally coupled to the piezo element of the piezoelectric component via the temperature control means.
  • the heat sink ensures a temperature gradient during operation of the piezoelectric component, so that heat can be dissipated from the piezo element via the means for tempering. There is no undesired heating of the piezo element.
  • the piezoelectric component in particular the piezoelectric component in the form of the piezo actuator 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. Because of the efficient cooling of the actuator body with the aid of the carbon fibers, it is in particular also possible to use already known piezo actuators for multiple injections. In the case of multiple injections, the piezo actuators or
  • the very good thermal conductivity of the carbon fibers and in particular the carbon nanotubes provides an efficient means for tempering or cooling the piezo element of the piezoelectric component.
  • the carbon fibers lead to a flexible, stretchable means for tempering the piezo element.
  • the piezoelectric component is characterized by high reliability.
  • the invention is presented in more detail below with the aid of several exemplary embodiments and the associated figures.
  • the figures are schematic and do not represent true-to-scale illustrations.
  • FIG. 1 shows a cross section of a piezo actuator with an actuator body in a monolithic multilayer construction, which is arranged in an envelope with carbon fibers.
  • Figure 2 shows the piezo actuator of Figure 1 in a perspective view.
  • FIG. 3 shows the piezo actuator from FIG. 1 without a cover from the side.
  • FIG. 4 shows a piezo element of the piezo actuator from FIG. 1 in a lateral cross section.
  • Figure 5 shows a section of a carbon nanotube from the side.
  • FIG. 6 shows a fiber fabric made of carbon nanotubes.
  • the piezoelectric component 1 is a piezo actuator with an actuator body 20 in a monolithic multilayer construction with a square base area (FIG. 1).
  • a multiplicity of piezo elements 10 are stacked one above the other along the stacking direction 21 and firmly connected.
  • a piezo element 10 consists of a piezoelectric layer 13 made of a piezo ceramic (FIG. 4).
  • the piezoceramic is a lead zirconate titanate.
  • the piezoelectric layer 13 is located between an electrode layer 11 and a further electrode layer 12 of the piezo element 10.
  • the electrode material of the electrode layers 11 and 12 is a silver-palladium Alloy.
  • the electrode layers 11 and 12 are arranged on the main surfaces of the piezoelectric layer 13 in such a way that the
  • Electrode layers 11 and 12 an electric field is generated in the piezoelectric layer 13 so that the piezoelectric layer 13 is deflected and thus the piezo element 10 is deflected.
  • the electrode layers 11 and 12 are on two electrically insulated from one another
  • each piezo element 10 has a piezoelectrically active region 16 and at least two piezoelectrically inactive regions 17.
  • Adjacent piezo elements 10 each have a common electrode layer, so that electrode layers 22, 23 and piezoelectric layers 24 are arranged alternately one above the other in the actuator body 20.
  • the electrode layers 22 and 23 of the actuator body 20 are guided on two lateral surface sections 25 and 26 which are electrically insulated from one another.
  • the surface sections 25 and 26 are located at the corners 201 and 203 of the actuator body 20 (FIGS. 1 and 3). Ceramic green foils are used to manufacture the actuator body 20 used with square bases, which are free of electrode material at one corner, stacked accordingly and sintered together.
  • a strip-like metallization 27 and 28 is applied to each of the two surface sections 25 and 26, so that the electrode layers 23 and 24 are alternately electrically contacted.
  • An electrical connection element 30 or 31 is provided on the metallizations 27 and 28, respectively.
  • the electrical connection element 30 and the further electrical connection element 31 are each an electrical contact lug 35.
  • These contact lugs are arranged between rigid electrical connections in the form of metal pins 41 and 42 and the respective metallization 27 and 28.
  • Each of the contact lugs 35 is connected via one of its edges to the corresponding metallization 27 and 28 in such a way that an area 36 protruding from the actuator body 20 is present.
  • Connection elements 30 and 31 or the contact tabs 35 made of metal wires, which are soldered to the respective metallization 37 and 28 and to the respective metal pin 41 and 42 via an electrical connecting means 29 in the form of a solder.
  • the electrical connection elements 30 and 31 or the contact tabs have 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 the electrical contacting of the electrode layers 22 and 23 of the actuator body 20.
  • the connecting elements 30 and 31 are connected to the metallizations 27 and 28 and the Metal pins 41 and 42 glued with the aid of a conductive adhesive 29.
  • a means for tempering the actuator body 20 is provided.
  • the agent is a sheathing 50 of the actuator body 20.
  • the sheathing 50 consists of a silicone elastomer in which carbon fibers in the form of carbon nanotubes 51 are embedded.
  • the average tube diameter 52 of the carbon nanotubes 51 is a few nm (FIG. 5).
  • the tube length of the carbon nanotubes is a few mm.
  • the degree of filling of carbon nanotubes is so high that there is heat conduction from the actuator body 20 to the outside.
  • the actuator body 20, the electrical connection elements 30 and 31 and the metal pins 41 and 42 are arranged together in the casing 50 with the carbon nanotubes 51.
  • the sheathing 50 is a hollow profile with cutouts for the elements 20, 30, 31, 41 and 42 of the piezo actuator 1. Die
  • Elements 20, 30, 31, 41 and 42 of the piezo actuator 1 are electrically insulated from the envelope 50 with the aid of an electrically insulating layer 54.
  • Layer 54 has a thermally conductive composite material with an elastomeric polymer.
  • the carbon nanotubes 51 are arranged in the covering 50 such that the carbon nanotubes 51 after the covering 50 has been connected to the actuator body 20 and the connecting elements 35 and 36 or the connecting pins 41 and 42 are oriented essentially transversely to the stacking direction 21 of the actuator body 20.
  • a fiber fabric 53 made of carbon nanotubes 51 is arranged in the casing 50 (FIG. 6).
  • the actuator body 20 with the soldered or glued electrical connection elements 30 and 31 and the metal pins 41 and 42 is inserted into a prefabricated hollow profile 50.
  • the elements of the piezo actuator are then aligned in the hollow profile 50.
  • the space between the elements created by the alignment of the elements of the piezo actuator becomes the piezo actuator and the hollow profile are injected with the aid of an injection molding process with the electrically insulating and thermally conductive composite material. Finally, the composite material is cured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil (1) mit mindestens einem Piezoelement (10), das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten (11, 12, 22, 23) und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht (13, 24) aufweist, mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen (30, 31) zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements und mindestens einem Mittel (50) zum Temperieren des Piezoelements. Das piezoelektrische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Temperieren des Piezoelements Kohlenstoff-Fasern aufweist, die von den Elektrodenschichten und den Anschlusselementen elektrisch isoliert sind. Die Kohlenstoff-Fasern weisen insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren (51) auf, die sich durch eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine hohe Elastizität auszeichnen. Das Mittel zum Temperieren ist insbesondere eine Umhüllung des Piezoelements. Es liegt eine flexible und thermisch hochleitfähige Umhüllung des Piezoelements vor. Das piezoelektrische Bauteil ist insbesondere ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper (20) in monolithischer Vielschichtbauweise. Mit Hilfe der Umhüllung mit den Kohlenstoff­Nanoröhren kann Verlustwärme im Betrieb des Piezoaktors vom Aktorkörper effizient abgeleitet werden. Der Piezoaktor wird insbesondere in der Automobilindustrie zur Betätigung eines Einspritzventils eines Motors verwendet.

Description

Beschreibung
Piezoelektrisches Bauteil mit Temperiervorrichtung und Verwendung des Bauteils
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.
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 Bl 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.
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.
In der Veröffentlichung Carbon Nanotubes, Topics Appl. Phys . 80 (2001) , Seiten 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.
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.
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 piezoelektrische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Temperieren des Piezoelements Kohlenstoff-Fasern aufweist, die von den Elektrodenschichten und den Anschlusselementen elektrisch isoliert sind.
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.
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.
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 beispielweise 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. Insbesondere 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 (AI2O3) . Denkbar ist insbesondere thermisch leitender, aber elektrisch isolierender Leitklebstoff. Das Mittel zum Temperieren mit den Kohlenstoff-Fasern ist an das Piezoelement geklebt.
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.
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. 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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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)θ3, PZT) , bestehen.
In einer besonderen Ausgestaltung ist das piezoelektrische Bauteil ein Vielschichtaktor, bei dem eine Vielzahl von Piezoelementen zu einem stapeiförmigen 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.
Die Piezoelemente des Vielschichtaktors sind beispielsweise derart zu dem stapeiförmigen 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 .
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.
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. 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.
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. Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figur 1 zeigt eine Querschnitt eines Piezoaktors mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise, der in einer Umhüllung mit Kohlenstoff-Fasern angeordnet ist.
Figur 2 zeigt den Piezoaktor aus Figur 1 in einer perspektivischen Darstellung.
Figur 3 zeigt den Piezoaktor aus Figur 1 ohne Umhüllung von der Seite.
Figur 4 zeigt ein Piezoelement des Piezoaktors aus Figur 1 im seitlichen Querschnitt.
Figur 5 zeigt einen Ausschnitt einer Kohlenstoff-Nanoröhre von der Seite.
Figur 6 zeigt ein Fasergewebe aus Kohlenstoff-Nanoröhren.
Das piezoelektrische Bauteil 1 ist ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise mit einer quadratischen Grundfläche (Figur 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 (Figur 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.
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 Figur 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.
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.
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.
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 (Figuren 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.
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.
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.
Um im Betrieb des Piezoaktors 1 den Aktorkörper 20 zu kühlen ist ein Mittel zum Temperieren des Aktorkörpers 20 vorhanden. 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 (Figur 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.
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.
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 (Figur 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 Verbundwerksto fs.

Claims

Patentansprüche
1. 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) , dadurch gekennzeichnet, dass - das Mittel zum Temperieren des Piezoelements
Kohlenstoff-Fasern (51) aufweist, die von den
Elektrodenschichten (11, 12, 22, 23) und den
Anschlusselementen (30, 31) des Piezoelements (10, 20) elektrisch isoliert sind.
2. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoff-Fasern Kohlenstoff-Nanoröhren aufweisen.
3. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kohlenstoff-Fasern zu einem Fasergewebe (53) miteinander verbunden sind.
4. Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mittel zum Temperieren des Piezoelements ein Verbundmaterial aufweist, dass zusammen mit den Kohlenstoff-Fasern einen Verbundwerkstoff bildet.
5. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 4, wobei das Verbundmaterial ein elektrisch isolierendes Material ist.
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.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 6, wobei die elektrischen Anschlusselemente (30, 31) in der Umhüllung (50) angeordnet sind.
8. 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.
9. Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in Form eines Vielschichtaktors, bei dem eine Vielzahl von Piezoelementen (10) zu einem stapeiförmigen Aktorkörper (20) mit einer Stapelrichtung (21) angeordnet sind.
10. Piezoelektrisches Bauteil, wobei die Piezoelemente (10) derart zu dem stapeiförmigen 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.
11. 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.
12. Verwendung des piezoelektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Betätigung eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine .
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