DE102005014766A1 - Piezoelectric actuator for use in, e.g., automotive engineering for controlling injection valves has piezo-stack, which is electrically connected with contact pins by contact wires according to polarity at opposite longitudinal sides - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, dessen Piezostapel über Drähte und Stifte nach außen kontaktiert und in einem Gehäuse untergebracht ist.The The invention relates to a piezoelectric actuator whose piezo stack via wires and Pins to the outside contacted and in a housing is housed.
Piezoelektrische Aktoren werden beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik zur Ansteuerung von Einspritzventilen verwendet. Der Kern des Aktors ist in der Regel aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten aufgebaut. Die elektrische Kontaktierung des Piezostapels wird durch eine Vielzahl von dünnen Kupferdrähten getätigt, welche an einem Ende am Piezoelement und mit dem anderen Ende je nach Polarität an einem von zwei Kontaktstiften angelötet sind.piezoelectric Actuators are used, for example, in automotive technology to control Injectors used. The core of the actor is usually composed of a plurality of piezoelectric layers. The electrical contacting of the piezo stack is caused by a variety of thin copper wires made, which at one end on the piezoelectric element and with the other end depending on polarity soldered to one of two pins.
Der
Stand der Technik ist in
Zum Schutz gegen beispielsweise in Dieselkraftstoff enthaltene aggressive Komponenten ist das eigentliche Piezoelement von einer Silikonumspritzung umgeben. Diese Silikonumspritzung umgibt sowohl die Kontaktdrähte als auch die Kontaktstifte. Um das Vergießen des Aktors zu vereinfachen, bildet ein äußeres Kunststoffrohr die Gussform für den Aktor. Die Gussform bleibt nach dem Vergießen als äußere Umhüllung erhalten. Beim Einsatz von piezoelektrischen Aktoren sind zu verzeichnende Ausfälle zu einem Großteil auf Ablösungen von Kontaktierdrähten zurückzuführen. Dabei vermindert sich zunächst der Betriebsbereich des Aktors, bis schließlich der Totalausfall folgt. Für die Behebung der Fehlerursache gibt es derzeit keine Lösung.To the Protection against, for example, contained in diesel fuel aggressive Components is the actual piezo element of a silicone encapsulation surround. This silicone coating surrounds both the contact wires as also the contact pins. To simplify the casting of the actuator, forms an outer plastic tube the mold for the actor. The casting mold is retained after casting as an outer shell. When used of piezoelectric actuators are recorded failures to a large part on detachments attributed by Kontaktierdrähten. there decreases first the operating range of the actuator, until finally the total failure follows. For the There is currently no solution to the cause of the error.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Aktor bereitzustellen, der eine geforderte Dauerstandfestigkeit aufweist.Of the Invention is based on the object, a piezoelectric actuator to provide, which has a required creep rupture strength.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Kombination der Merkmale entsprechend Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltung können den Unteransprüchen entnommen werden.The solution This task is done by the combination of features accordingly Claim 1. Advantageous embodiment can be taken from the dependent claims become.
Anhand von Simulationen, insbesondere durch Finite-Element-Simulation ist das einem nach dem Stand der Technik ausgelegten piezoelektrischen Aktor eingeprägte System aus Schwingungselementen analysierbar. Es wurde erkannt, dass im Frequenzbereich von 50-100 kHz besondere Schwingungs-Eigenmoden ausgeprägt sind, bei denen die Kontaktstifte einzelne oder in Kombination die schwingende Masse darstellen und somit beispielsweise Ablösungen von Kontaktierdrähten bewirken. Der zwischen dem Gehäuse des piezoelektrischen Aktors und dem Piezostapel vorhandene Zwischenraum ist mit einer Masse, beispielsweise Silikonmasse, ausgegossen, so dass in dem Schwingungssystem diese zwischen Kontaktstift und Gehäuse bzw. zwischen Kontaktstift und Piezostapel vorhandenen Massenanteile die Funktion eine Feder übernehmen.Based of simulations, especially by finite element simulation is the a designed according to the prior art piezoelectric actuator impressed System of vibration elements analyzable. It was recognized that in the frequency range of 50-100 kHz special vibrational eigenmodes pronounced are where the pins individually or in combination the represent oscillating mass and thus, for example, detachment from bonding wires cause. The between the housing the piezoelectric actuator and the piezo stack existing gap is filled with a mass, for example silicone compound, so that in the vibration system, this between contact pin and housing or Mass fractions existing between the contact pin and the piezo stack the function take over a spring.
Schwingungen der Kontaktstifte mit hohen Amplituden führen direkt zu starken mechanischen Belastungen, insbesondere von Kontaktierungsstellen. Das Schwingungsverhalten der Kontaktstifte bietet ein sehr vielfältiges Bild, wobei sowohl drei als auch zweidimensionale Schwingungen auftreten und wesentliche Biegeschwingungen vorhanden sein können.vibrations the contact pins with high amplitudes lead directly to strong mechanical loads, in particular of contacting stations. The vibration behavior The contact pins offers a very diverse picture, with both three as well as two-dimensional vibrations occur and essential Bending vibrations can be present.
Zur Behebung des bisher vorliegenden Problems wird lediglich das mit dem Kontaktierstift direkt in Zusammenhang stehende System betrachtet. Dies setzt sich zusammen aus dem Kontak tierstift, der die schwingende Masse darstellt, die ungefähr an gegenüberliegenden Seiten mit Federn verbunden ist, die sich zwischen Kontaktierstift und Gehäuse einerseits und zwischen Kontaktierstift und Piezostapel andererseits befinden. Um Schäden in diesem Bereich zu vermeiden, ist es sinnvoll, die Eigenschwingungsbedingungen derart zu verändern, dass keine oder wenige Eigenschwingungsmoden dieses Systems im Bereich zwischen 50 und 100 kHz auftreten. Dies kann durch Veränderung der Masse der Kontaktierstifte nur in begrenztem Maße geschehen. Veränderbare Größen sind jedoch die Länge und die Steifigkeit der in dem System vorhandenen Feder.to Remedy of the hitherto existing problem is only that with considered directly related to the Kontaktierstift system. This is composed of the Kontak animal pin, the swinging Measures that approximately at opposite Pages connected with springs, extending between Kontaktierstift and housing on the one hand and between Kontaktierstift and piezo stack on the other are located. To damage in this area, it makes sense to the natural vibration conditions to change that way that no or few natural modes of this system in the area between 50 and 100 kHz occur. This can be done through change the mass of Kontaktierstifte done only to a limited extent. changeable Sizes are however the length and the stiffness of the spring present in the system.
Somit kann einerseits durch Veränderung der Eigenschaften der Vergussmasse zu höheren Viskositäten und andererseits durch Veränderung der Ausdehnung der Vergussmasse die Charakteristik der in dem Simulationsmodell vorhandenen Federn beeinflusst werden. Somit wird insgesamt das Frequenzspektrum der anregbaren Schwingungen der Kontaktstifte zu deutlich höheren Werten verschoben. Die Erstreckung der Feder wird dazu so verkürzt, dass die Abstände zwischen Kontaktstift und umgebenden Elementen minimiert werden, so dass für die Vergussmasse nur ein geringer Abstand übrig bleibt.Consequently On the one hand, by changing the Properties of the potting compound to higher viscosities and on the other hand by changing the Expansion of the potting compound the characteristic of the simulation model existing springs are affected. Thus, overall, the frequency spectrum the excitable vibrations of the contact pins to significantly higher values postponed. The extension of the spring is so shortened that the distances be minimized between contact pin and surrounding elements, so for the casting compound remains only a small distance.
Im Folgenden werden anhand von schematischen Figuren, die die Varianten der Erfindung darstellen, Ausführungsbeispiele beschrieben.in the The following are the basis of schematic figures, the variants represent the invention, embodiments described.
Die Figuren zeigen ausnahmslos einen Querschnitt durch einen fertig montierten piezoelektrischen Aktor.The Figures invariably show a cross section through a finished mounted piezoelectric actuator.
Maßnahmen zur Verringerungen der Schwingungen an den Kontaktstiften können verschiedenartig sein. Beispielsweise können auch die Durchführungen der Kontaktstifte durch ein an den Piezoaktor anschließendes Metallgehäuse, beispielsweise mit Glasperlen oder einem Glaskeramik-Übergang versehen sein, so dass die Kontaktstifte fixiert sind. Derartigen Lösungen stehen allerdings Vorschriften hinsichtlich einer einfachen Montage entgegen, insbesondere lassen sich bestimmte Verbiegungen oder Pressungen der Kontaktstifte bei derartigen Lösungen nicht weiter ausführen.activities for reducing the vibrations on the contact pins can be various be. For example, you can also the bushings the contact pins by a subsequent to the piezoelectric actuator metal housing, for example be provided with glass beads or a glass-ceramic transition, so that the contact pins are fixed. However, such solutions are rules in terms of ease of assembly, in particular, let certain bends or pressing the pins in such solutions do not continue.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung liegen in der Unterdrückung der unerwünschten Ablösung von Drähten von den Kontaktstiften. Nach wie vor ist eine einfache Herstellung bzw. Montage des Gehäuses durch Strangpressen, Ablängen und Zusammenfügen möglich. Es bedarf keiner Änderungen im Ablauf des Fertigungsprozesses des piezoelektrischen Aktors.The Advantages of the solution according to the invention are in the oppression the unwanted replacement of wires from the pins. Still is a simple production or assembly of the housing by extrusion, cutting to length and joining together possible. There is no need for changes in the course of the manufacturing process of the piezoelectric actuator.
Es ist besonders vorteilhaft, eine hochviskose Vergussmasse einzusetzen, die insbesondere ein aushärtbares Material darstellt, so dass für die Herstellung die Vergussmasse leicht einführbar ist und sich im Anschluss an den Fertigungsprozess verhärtet. Ist die Vergussmasse als Isolator ausgebildet, ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich der Kapselung des elektrisch betriebenen Piezostapels.It is particularly advantageous to use a highly viscous potting compound, in particular, a curable Material represents, so for the preparation of the potting compound is easy to insert and subsequently hardened to the manufacturing process. If the potting compound is designed as an insulator, further results Advantages with regard to the encapsulation of the electrically operated piezo stack.
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2005
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