DE102005008718A1

DE102005008718A1 - Aktormodul mit einem Piezoaktor

Info

Publication number: DE102005008718A1
Application number: DE102005008718A
Authority: DE
Inventors: Holger Rapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-08-31
Also published as: TW200722613A; WO2006089818A1

Abstract

Es wird ein Aktormodul mit einem in einer Hülse (9) angeordneten Piezoaktor (1) vorgeschlagen, wobei der Piezoaktor (1) zwischen einem Aktorfuß (10) und einem Aktorkopf (11) eingefasst ist. Der aktorfuß (10) und/oder der Aktorkopf (11) sind aus einem nichtleitenden Material (23) hergestellt, wobei das nichtleitende Material ein Verbundmaterial (23), vorzugsweise ein Pulververbundmaterial, ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aktormodul mit einem Piezoaktor der über ein Kopf- und Fußteil in einem Gehäuse oder einer Hülse liegt, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

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. Solche piezoelektrischen Aktoren eignen sich insbesondere für den Einsatz bei schnellen und präzisen Schaltvorgängen, beispielsweise in verschiedenen Systemen für eine Benzin- oder Dieseleinspritzung in Verbrennungsmotoren.

Der Aufbau dieses Piezoaktors kann hier in mehreren Schichten erfolgen (Multilayer-Aktoren), wobei die Elektroden, über die die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden. Beispielsweise ist ein solcher Piezoaktor aus der DE 199 28 177 A1 bekannt.

Insbesondere bei heute üblichen Piezoaktoren für sogenannte Common-Rail-Injektoren für Dieselmotoren ist der Piezoaktor in ein sogenanntes Aktormodul eingebaut. Dieses Aktormodul besteht aus dem Piezoaktor selbst mit einem Aktorkopf, der die Aktorkraft an das zu betätigende Bauteil weitergibt und einem Aktorfuß, über den sich der Piezoaktor im Injektorkörper abstützt. Diese Anordnung sitzt in einer Hülse, die mit dem Aktorfuß dicht verschweißt ist und es ist in der Regel ein bewegliches Dichtelemetn vorhanden, welche den Aktorkopf und die Hülse dicht, aber gegeneinander verschiebbar verbindet.

Der zuvor erwähnten Aktorfuß hat im wesentlichen die Aufgabe, den Innenraum des Aktormoduls gegen den elektrischen Anschluss des Injektors abzudichten, was beispielsweise durch einen O-Ring erfolgen kann, sowie die elektrische Kontaktierung des Piezoaktors überhaupt zu ermöglichen. Ferner ist der Zwischenraum zwischen dem Piezoaktor und der Hülse in der Regel mit einer Vergussmasse gefüllt.

Sowohl der Aktorfuß als auch der Aktorkopf sind dadurch elektrisch leitend und mit dem Injektorgehäuse verbunden, welches wiederum elektrisch auf Massepotenzial liegt. Dagegen liegen sowohl die Minus- als auch die Plus-Elektrode des Piezoaktors in Folge der Ansteuerung aus der leistungselektronischen Endstufe eines Steuergeräts jeweils auf springendem Potenzial. Zwischen der jeweils untersten Innenelektrode des Piezoaktors und dem Aktorfuß sowie zwischen der jeweils obersten Innenelektrode des Piezaktors und dem Aktorkopf bildet sich hierbei je ein parasitärer Koppelkondensator aus, dessen Kapazität von der Dielektrizitätskonstante ε der Keramikschichten des Piezoaktors, der Querschnittsfläche der jeweiligen Innenelektrode sowie von deren Abstand von der Oberfläche des Aktorfußes bzw. des Aktorkopfs abhängt.

Die Kapazitäten der beiden elektrisch parallelgeschalteten Koppelkondensatoren sollten so klein als möglich gehalten werden, da jedes Mal wenn das Potenzial einer Rand-Innenelektrode des Piezoaktors sich ändert, über die parasitären Kondensatoren ein Ausgleichsstrom mit sehr hochfrequenten Anteilen fließt, der zu hochfrequenten elektromagnetischen Störungen führen kann.

Vorteile der Erfindung

Das eingangs beschriebene Aktormodul mit einem in einer Hülse angeordneten Piezoaktor weist üblicherweise einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden auf, die über eine wechselseitige seitliche Kontaktierung mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt und wobei der Piezoaktor zwischen einem Aktorfuß und einem Aktorkopf eingefasst ist. Erfindungsgemäß ist in vorteilhafter Weise der Aktorfuß und/oder der Aktorkopf aus einem nichtleitendem Material hergestellt.

Mit der Erfindung ist auf einfache Weise erreicht, dass störende Koppelkapazitäten zwischen dem Piezoaktor und dem auf Masse liegenden Gehäuse der Anordnung, zum Beispiel ein Injektorgehäuse eines Common-Rail-Injektors für die Steuerung einer Einspritzdüse für die Zumessung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor, deutlich reduziert werden können, ohne die Injektorfunktion zu beeinträchtigen. Weiterhin werden keine zusätzliche Bauelemente benötigt und keine zusätzliche Kosten verursacht.

Außerdem ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass insbesondere der erfindungsgemäße Aktorfuß auf Grund seiner mechanischen Dämpfungseigenschaften zu einer Geräuschreduzierung beitragen kann.

Gemäß eines besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist das nichtleitende Material des Aktorfußes bzw. des Aktorkopfes ein Verbundmaterial, vorzugsweise ein Pulververbundmaterial. Hierbei kann beispielsweise das Verbundmaterial aus gegeneinander isolierten Metallpartikeln bestehen. Vorteilhaft kann dies realisiert werden, wenn die Metallpartikel durch eine Kunststoff- oder Metalloxidbeimengung verbunden sind.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aktormoduls wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch ein Aktormodul mit einem Piezoaktor aus einem Mehrschichtaufbau von Lagen aus Piezokeramik und Elektroden in einem Anwendungsaufbau nach dem Stand der Technik,
2 eine Darstellung des Aktormoduls nach der 1 mit elektrischen Ersatzschaltbildern,
3a und 3b jeweils einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführung des Aktorkopfes und des Aktorfußes aus einem nichtleitendem Verbundmaterial und
4a und 4b jeweils einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführung des Aktorkopfes und des Aktorfußes nach den 3a und 3b mit elektrischen Ersatzschaltbildern.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Aktormodul mit einem Piezoaktor 1 nach dem Stand der Technik gezeigt, der in an sich bekannter Weise aus Piezofolien 2 eines Keramikmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden 3 und 4 über Kontaktflächen 5 und 6 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt. Die äußere Spannung wird über isolierte Zuleitungen 7 und 8 auf die Kontaktflächen 5 und 6 geführt. Bei einer Beaufschlagung des Piezoaktors 1 mit dieser Spannung kann eine Kraft F ausgeübt werden.
Ferner ist aus der 1 der in einer Hülse 9 des Aktormoduls gehaltene Aktorfuß 10 und der Aktorkopf 11 zu erkennen, die jeweils den Piezoaktor 1 in der Betätigungsrichtung einfassen. Das Aktormodul mit den zuvor beschriebenen Bauelementen ist gemäß der 1 über einen isolierenden O-Ring 12 dicht in einem Injektorkörper 13 für einen hier nicht näher dargestellten Common-Rail-Injektor gehalten.
Aus 2 ist ergänzend zu der Darstellung nach der 1 zu erkennen, dass der Injektorkörper 13 elektrisch auf Masse liegt und dass der aus dem Stand der Technik bekannte Aktorfuß 10 und der Aktorkopf 11 in der Regel spanend aus elektrisch leitendem Material hergestellt sind. Dadurch entsteht zwischen den jeweils letzten dem Aktorfuß 10 und dem Aktorkopf 11 gegenüberliegenden Innenelektroden 3 eine Koppelkapazität C_k1 (zum Aktorfuß 10) und C_k2 (zum Aktorkopf 11), über welche die in der Beschreibungseinleitung erwähnten Störströme fließen können.
Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Aktorfußes 20 ist in 3a und eines Aktorkopfes 21 ist in 3b gezeigt. Sowohl der Aktorfuß 20 als auch der Aktorkopf 21 sind hierbei im Unterschied zum leitenden Metall nach den 1 und 2 aus einem Pulververbundmaterial 23 hergestellt, welches hauptsächlich aus Metallpartikeln besteht, die durch eine Kunststoff- oder Metalloxidbeimengung verbunden sind, wie sie in ähnlicher Weise auch für Magnetkerne verwendet wird.
In diesem vorgeschlagenen Pulververbundmaterial 23 sind die einzelnen Metallpartikel von einer dünnen Kunststoff- oder Oxidschicht umschlossen, welche diese Partikel voneinander isoliert. Das Pulververbundmaterial 23 weist in der Regel eine Kantenbruchfestigkeit von größer als 20kN auf, so dass der Einsatz in einem Aktormodul mit Vorspannkräften, die zum Beispiel statisch 750N betragen und dynamisch 1500N nicht überschreiten, unkritisch ist.
Während beispielsweise bei den angesprochenen Magnetkernen die Wirbelströme drastisch reduziert werden, wird bei einer in 4a und 4b gezeigten Darstellung mit elektrischen Ersatzschaltbildern den anhand der 2 erläuterten Koppelkapazitäten C_k1 und C_k2 jeweils eine weitere Koppelkapazität C_k12 (zum Aktorfuß 10) und C_k22 (zum Aktorkopf 11) in Reihe geschaltet.
Die Koppelkapazitäten C_k12 und C_k22 bilden sich dabei zwischen der aktorseitigen und der gehäuseseitigen Oberfläche des Aktorfußes 10 bzw. des Aktorkopfes 11 aus. Durch diese kapazitive Reihenschaltung reduzieren sich die insgesamt wirksamen Koppelkapazitäten und damit auch die Amplituden der auftretenden Ausgleichsströme erheblich.

Claims

Aktormodul mit einem in einer Hülse (9) angeordneten Piezoaktor (1), wobei – der Piezoaktor (1) zwischen einem Aktorfuß (10) und einem Aktorkopf (11) eingefasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktorfuß (10) und/oder der Aktorkopf (11) aus einem nichtleitendem Material (23) hergestellt sind.
Aktormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das nichtleitende Material ein Verbundmaterial (23), vorzugsweise ein Pulververbundmaterial ist.
Aktormodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verbundmaterial (23) aus gegeneinander isolierten Metallpartikeln besteht.
Aktormodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – bei dem Verbundmaterial (23) die Metallpartikel durch eine Kunststoffbeimengung verbunden sind.
Aktormodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – bei dem Verbundmaterial (23) die Metallpartikel durch eine Oxid-Binderschicht verbunden sind.
Aktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Aktormodul Bestandteil eines Common-Rail-Injektors für die Steuerung einer Einspritzdüse für die Zumessung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor ist.