DE102004005226A1

DE102004005226A1 - Piezoaktor mit einer Isolierschicht

Info

Publication number: DE102004005226A1
Application number: DE102004005226A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2005-08-18
Also published as: WO2005076378A1

Abstract

Ein insbesondere für ein Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs vorgesehener Piezoaktor (10) weist einen Aktorkörper (12) aus einem piezoelektrischen Material auf, welches im Betrieb des Aktorkörpers (12) expandiert und kontrahiert, mindestens eine im Aktorkörper (12) angeordnete Innenelektrode (18), mindestens eine die Innenelektrode (18) elektrisch kontaktierende Außenelektrode (20) und eine die Außenelektrode (20) umgebende Isolationsschicht (22). Erfindungsgemäß ist eine Hülse (24) vorgesehen, die den Aktorkörper (12) und die Isolationsschicht (22) zumindest teilweise unmittelbar umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, insbesondere für ein Einspritzsystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Aktorkörper, aus einem piezoelektrischen Material, welches im Betrieb des Aktorkörpers expandiert und kontrahiert, mindestens einer im Aktorkörper angeordneten Innenelektrode, mindestens einer die Innenelektrode elektrisch kontaktierenden Außenelektrode und einer die Außenelektrode umgebenden Isolierschicht. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Piezoaktors in einem Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs.

Piezoaktoren der oben genannten Bauart werden beispielsweise bei Brennkraftmaschinen als Stellglied für Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsysteme verwendet und sind dort innerhalb des Einspritzsystems in einer Leitung oder Kammer angeordnet, in der sich ferner flüssiger Brennstoff unter teilweise erheblichem Druck befindet. Der Piezoaktor arbeitet als so genannter „nasser Aktor", wobei sein aus mehreren geschichteten Piezoelementen aufgebauter Aktorkörper vom flüssigen Brennstoff umgeben ist. Der unter hohem Druck stehende flüssige Brennstoff wirkt insbesondere auf die Seitenflächen des Aktorkörpers, auf dessen Außenelektroden und auch die sich zwischen den Piezoelementen befindenden Innelektroden ein. Durch den unter Umständen bis zu 1800 bar hohen Druck werden die Innenelektroden stark belastet und unter Umständen in den Aktorkörper hinein gedrängt, sodass die Kontaktierung der Innenelektroden zur Außenelektrode unter Umständen zerstört werden kann.

Aufgabe und Lösung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Piezoaktor der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem eine Beschädigung der Kopplung zwischen Außenelektrode und Innenelektroden durch den Brennstoff, welcher den zugehörigen Aktorkörper umgibt und unter hohem Druck steht, sicher verhindert ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Piezoaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, bei dem eine Hülse vorgesehen ist, die den Aktorkörper und die Isolierschicht zumindest teilweise unmittelbar umgibt. Ferner ist die Aufgabe durch Verwendung eines derartigen erfindungsgemäßen Piezoaktors in einem Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs gelöst.

Erfindungsgemäß ist an einem Piezoaktor ein zusätzliches Bauteil in Gestalt einer Hülse vorgesehen, die derart gestaltet und angeordnet ist, dass sie gezielt den Druck des Kraftstoffes aufnimmt und ableitet, der den Aktorkörper umgibt.

Bei bekannten Piezoaktoren ist im Gegensatz zu dieser erfindungsgemäßen Lösung am Aktorkörper lediglich eine Isolierschicht vorgesehen, die den Aktorkörper und dessen Außenelektroden umgibt und die insgesamt drei Funktionen übernehmen muss.

Die Isolierschicht muss zunächst die Außenelektroden elektrisch isolieren und den Aktorkörper gegenüber dem umgebenden Brennstoff abdichten. Ferner muss die Isolierschicht Wärme vom Aktorkörper auf den flüssigen Brennstoff überleiten und schließlich muss die Isolierschicht als dritte Funktion noch jenen Druck aufnehmen, der vom umgebenden Brennstoff auf den Aktorkörper ausgeübt wird.

Eine Isolierschicht vorzusehen, die all diesen Funktionen in hervorragender Weise gerecht wird, ist ein sehr schwieriges, wenn nicht nahezu unmögliches Unterfangen.

Erfindungsgemäß werden die oben genannten Funktionen hingegen getrennt und auf mehrere Bauteile verteilt. Die sehr schwierige Kombination aus Wärmeleitung, Kraftstoffabdichtung und Kraftübertragung in nur einem Bauelement bzw. einer Isolierschicht ist dadurch erfindungsgemäß vermieden.

Gemäß der Erfindung wird insbesondere die Funktion der Kraftübertragung einer eigens dafür vorgesehenen Hülse zugeordnet, die den Aktorkörper und die Isolierschicht zumindest teilweise unmittelbar umgibt. Die vom flüssigen Brennstoff auf den Aktorkörper geleitete Kraft wird durch die erfindungsgemäße Hülse abgefangen, ohne dass insbesondere die darunter liegende Isolierschicht diese Kraft aufnehmen müsste.

Damit bei einem zylindrischen, insbesondere quaderförmigen oder kreiszylindrischen Aktorkörper die darin angeordneten Innenelektroden insgesamt vor dem vergleichsweise hohen Druck des umgebenden Brennstoffs geschützt sind, ist die erfindungsgemäße Hülse vorteilhaft über die gesamte Höhe des Aktorkörpers hinweg vorgesehen.

Ferner ist es bei einem derartigen Aktorkörper sinnvoll, wenn die Hülse, die den Aktorkörper umgebende Isolierschicht an deren Seitenfläche bzw. Mantelfläche vollständig umschließt. Die Isolierschicht kann dann bei der Herstellung des Piezoaktors zwischen dem Aktorkörper und der Hülse beispielsweise durch einen Spritzprozess vergleichsweise leicht eingebracht werden.

Um eine weitere Trennung der oben genannten Funktionen auf mehrere Bauelemente zu erreichen, ist es bei dem erfindungsgemäßen Piezoaktor ferner von Vorteil, wenn an den Endbereichen der Hülse ein zwischen der Hülse und dem Aktorkörper fluiddicht abdichtendes Dichtelement vorgesehen ist. Ein solches Dichtelement übernimmt gezielt die Funktion der Kraftstoffabdichtung, sodass die Hülse zusammen mit dem Dichtmaterial eine Art Kapsel am Aktorkörper bildet, unter der dann die Innenelektroden, die Außenelektroden und gegebenenfalls auch die Isolierschicht angeordnet sind.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Dichtmaterial kann auch allein eine Art Kapsel um den Aktorkörper herum und dessen Innen- sowie Außenelektroden herum bilden, indem das Dichtmaterial entlang der Innenseite der Hülse, insbesondere in einer zwischen der Hülse und der Isolierschicht verlaufenden Schicht ausgebildet ist.

Vorteilhaft ist ferner eine Lösung mit einem kapselnden Dichtmaterial, bei der sich das Dichtmaterial entlang der Außenseite des Aktorkörpers, insbesondere in einer zwischen der Isolierschicht und dem Aktorkörper verlaufenden Schicht erstreckt.

Bei einer dritten möglichen Variante erstreckt sich das Dichtmaterial schließlich entlang der Außenseite der Hülse, insbesondere in einer die Hülse umschließenden Schicht. Derart ausgebildetes Dichtmaterial übernimmt vollständig die Funktion der Kraftstoffabdichtung, während die darunter liegende Hülse die Kraftübertragung übernimmt und schließlich der zwischen der Hülse und dem Aktorkörper angeordneten Isolationsschicht die Funktion der Wärmeleitung zugeordnet ist. Es ist also eine klare Funktionstrennung geschaffen, sodass die einzelnen Bauelemente eines derartigen Piezoaktors gezielt auf die ihnen zugewiesenen Funktionen angepasst sein können. Eine solche einfache Funktionstrennung zur Darstellung eines „nassen Aktors" ist insbesondere für „Common-Rail-Einspritzsysteme" vorteilhaft, an denen der den Aktorkörper umgebende Brennstoff unter einem vergleichsweise hohen Druck steht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Piezoaktoren anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 einen teilweisen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezoaktors,
2 einen teilweisen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezoaktors,
3 einen teilweisen Längsschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezoaktors,
4 einen teilweisen Längsschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezoaktors und
5 einen teilweisen Längsschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezoaktors.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 10 dargestellt, der als ein wesentliches Bauelement einen zylindrischen Aktorkörper 12 mit einem an dessen Stirnseite angeordneten Aktorkopf 14 umfasst. Der Aktorkörper 12 ist aus mehreren geschichteten Piezoelementen 16 aufgebaut, zwischen denen sich im Wesentlichen dünne, scheibenförmige Innenelektroden 18 befinden. Die Innenelektroden sind jeweils wechselweise an Außenelektroden angeschlossen, von denen in 1 eine Außenelektrode 20 dargestellt ist.
Die Außenelektroden 20 befinden sich jeweils in Gestalt eines Längsstreifens an den Mantel- bzw. Seitenflächen des Aktorkörper 20 und dienen zur elektrischen Kontaktierung der Innenelektroden 18.
Die Außenelektroden 20 und auch die Mantel- bzw. Seitenflächen des Aktorkörpers 12 sind von einer Isolationsschicht 22 umgeben, die bei bekannten Piezoaktoren die folgenden drei Funktionen übernehmen soll:
Die Isolationsschicht soll zum einen eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Aktorkörper und dessen Umgebung herstellen. Sie soll ferner gegenüber dieser Umgebung und insbesondere gegenüber einem sich dort befindenden flüssigen Brennstoff den Aktorkörper und die darin befindlichen Innenelektroden abdichten und schließlich soll die Isolationsschicht auch jene Kraft aufnehmen, die durch den unter bestimmten Betriebszuständen hohen Druck dieses flüssigen Brennstoffs auf den Aktorkörper und dessen Innenelektroden ausgeübt wird.
Bei dem bei in 1 dargestellten Piezoaktor 10 ist diese dritte Funktion bekannter Isolationsschichten auf ein eigenes, zusätzliches Bauteil übertragen, nämlich auf eine dünnwandige Hülse 24, die den Aktorkörper 12 und die zugehörige Isolationsschicht 22 über die gesamte Höhe des Aktorkörpers 12 hinweg unmittelbar umgibt. Die Hülse 24 nimmt damit jene Druckkraft auf, die von einem den Piezoaktor 10 umgebenden und unter hohem Druck stehenden flüssigen Brennstoff ausgeübt wird. Die Hülse 24 schützt die darunter liegenden Isolationsschicht 22 sowie die Außenelektroden 20, die Innenelektroden 18 und die Piezoelemente 16 des Aktorkörpers 12 insgesamt vor einer möglichen mechanischen Beschädigung.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 10 veranschaulicht, bei dem auch die Funktion der Kraftstoffabdichtung zwischen der Umgebung des Aktorkörpers 12 und dessen Innenelektroden 18 von einem separaten Bauelement übernommen wird. Dieses separate Bauelement ist ein Dichtmaterial 26, welches am oberen Endbereich der Hülse 24 zwischen dieser Hülse 24 und dem dort benachbarten Aktorkopf 14 eingespritzt ist. Unter dem Dichtmaterial 26 befindet sich in herkömmlicher Weise die Isolationsschicht 22, die, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, zwischen der Hülse 24 und dem Aktorkörper 12 eingespritzt ist.
In den 3 bis 5 sind Ausführungsbeispiele von Piezoaktoren 10 dargestellt, bei denen mit Hilfe des Dichtmaterials 26 die Innenelektroden 18 gegenüber der Umgebung des Aktorkörpers 12 vollständig gekapselt sind. Das Dichtmaterial 26 ist dazu jeweils wiederum an den Endbereichen der Hülse 24 zwischen dieser Hülse 24 und dem jeweils benachbarten Aktorkopf 14 eingespritzt.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner eine Dichtmaterial-Schicht 28 vorgesehen, die sich ausgehend von dem am Aktorkopf 14 eingespritzten Dichtmaterial 26 zwischen der innerhalb der Hülse 24 angeordneten Isolationsschicht 22 und dem Aktorkörper 12 erstreckt.
Bei dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Dichtmaterial-Schicht 28 ausgehend von dem am Aktorkopf 14 angeordneten Dichtmaterial 26 zwischen der Hülse 24 und der am Aktorkörper 12 angeordneten Isolationsschicht 22.
Bei dem in 5 veranschaulichten Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 10 ist die Dichtmaterial-Schicht 28 schließlich an der Außenseite der Hülse 24 angeordnet. Die Dichtmaterial-Schicht 28 gemäß 5 erstreckt sich entlang der Hülse 24 bis zum Dichtmaterial 26, welches am Ende der Hülse 24 zwischen dem Aktorkopf 14 und der Hülse 24 angeordnet ist und ferner welches ferner das Ende der Hülse 24 selbst umfasst.

Claims

Piezoaktor (10), insbesondere für ein Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs, mit einem Aktorkörper (12) aus einem piezoelektrischen Material, welches im Betrieb des Aktorkörpers (12) expandiert und kontrahiert, mindestens einer im Aktorkörper (12) angeordneten Innenelektrode (18), mindestens einer die Innenelektrode (18) elektrisch kontaktierenden Außenelektrode (20) und einer die Außenelektrode (20) umgebenden Isolationsschicht (22), dadurch gekennzeichnet, dass eine Hülse (24) vorgesehen ist, die den Aktorkörper (12) und die Isolationsschicht (22) zumindest teilweise unmittelbar umgibt.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (12) zylindrisch, insbesondere quaderförmig oder kreiszylindrisch gestaltet ist und die Hülse (24) sich im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Aktorkörpers (12) erstreckt.
Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (12) zylindrisch, insbesondere quaderförmig oder kreiszylindrisch gestaltet ist, die Isolationsschicht (22) den Aktorkörper (12) an dessen Seitenflächen umgibt und die Hülse (24) ihrerseits die Isolationsschicht (22) an deren Seitenfläche vollständig umschließt.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem der Endbereiche der Hülse (24) ein zwischen der Hülse (24) und dem Aktorkörper (12) fluiddicht abdichtendes Dichtmaterial (26) vorgesehen ist.
Piezoaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial (26) sich entlang der Innenseite der Hülse (24), insbesondere in einer zwischen der Hülse (24) und der Isolationsschicht (22) verlaufenden Schicht (28) erstreckt.
Piezoaktor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial (26) sich entlang der Außenseite des Aktorkörpers (12), insbesondere in einer zwischen der Isolationsschicht (22) und dem Aktorkörper (12) verlaufenden Schicht (28) erstreckt.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial (26) sich entlang der Außenseite der Hülse (24), insbesondere in einer die Hülse (24) umschließenden Schicht (28) erstreckt.
Verwendung eines Piezoaktors (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs.