DE102006006076A1

DE102006006076A1 - Piezo-Aktor, Verfahren zum Herstellen eines Piezo-Aktors und Einspritzsystem mit einem solchen

Info

Publication number: DE102006006076A1
Application number: DE102006006076A
Authority: DE
Inventors: Hellmut Freudenberg; Christoph Dr. Hamann; Dejan Jovovic; Maximilian Kronberger; Richard Pirkl; Carsten Dr. Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: DE102006006076B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezo-Aktor, der zumindest ein zwischen einem Piezo-Stapel und einer zumindest den Piezo-Stapel umgebenden Umhüllung angeordnetes Übertragungsmittel aufweist. Das Übertragungsmittel ist elastisch, vorgeformt, passivierend und dazu geeignet, einen außen an der Umhüllung anliegenden Druck auf den Piezo-Stapel zu verteilen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezo-Aktor, ein Verfahren zum Herstellen eines Piezo-Aktors und ein Einspritzsystem mit einem Piezo-Aktor.
Einspritzsysteme und insbesondere lecköllose Common-Rail-Einspritzsysteme erfordern ein Steuerelement wie beispielsweise einen Piezo-Aktor im Hochdruckraum. Um die Arbeitsfähigkeit des Piezo-Aktors auch unter hohen Drücken bis über 2000 bar zu gewährleisten, muss der Druck auch seitlich auf den Piezo-Stapel beziehungsweise Piezo-Keramikkörper wirken können, um die Dehnungsfähigkeit des Piezo-Stapels des Piezo-Aktors zu unterstützen.

Ein solcher Piezo-Aktor ist beispielsweise in der WO 02/061856 A1 beschrieben. Dabei ist der Keramikkörper dieses Piezo-Aktors mit einer Polymer- oder Plastikmanschette umhüllt. Allerdings ist eine hermetische Abdichtung des Keramikkörpers gegenüber dem Kraftstoff unter einem hohen Kraftstoffdruck wie beispielsweise 2000 bar bei den zum Anmeldetag der vorliegenden Patentanmeldung bekannten Kunststoffen kaum oder nicht machbar. Wegen einer fallweise unvermeidbaren elektrischen Leitfähigkeit handelsüblicher Kraftstoffe, zum Beispiel aufgrund eines geringen Säuregehalts, kann es schon bei geringer Benetzung der Piezo-Keramik zu Spannungsüberschlägen zwischen den Innenelektroden des Piezo-Aktors kommen. Zudem treten an den Polungsrissen hohe Dehnungen der Kunststoffumhüllung auf, die dieses Problem verschärfen. Außerdem ist in der WO 02/061856 die Verwendung eines Füllmaterials zwischen dem Piezo-Stapel und der Polymer- oder Plastikmanschette beschrieben. Bei dem beschriebenen Füllmaterial besteht allerdings das Problem, dass es bei einer Dehnung des Piezo-Stapels in entstehende Zwischenräume oder Fugen fließen kann und bei einer entgegengesetzt gerichteten Bewegung des Piezo-Stapels zerstört werden kann. Somit wird über die Betriebsdauer des Piezo-Aktors das Füllmaterial aufgebraucht oder zerstört. Das verminderte Füllmaterial bedingt allerdings, dass der außen an dem Piezo-Aktor anliegende Druck nicht mehr effizient auf den Piezo-Stapel übertragen werden kann.

Außerdem ist der Anmelderin zur Übertragung des Druckes auf den Piezo-Stapel des Piezo-Aktors eine Lösung mit einer hermetisch dichten metallischen Hülse bekannt, die die hydraulischen Kräfte mittels eines Füllstoffes, zum Beispiel aus Kunststoff, auf die Seitenflächen des Piezo-Keramikkörpers überträgt. Diese der Anmelderin bekannte Lösung hat allerdings den Nachteil, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kunststoffen um Größenordnungen über dem der Piezo-Keramik liegen, was folglich einen Volumenausgleich zum Beispiel mittels luft- oder gasgefüllter Hohlräume erfordert. Diese erforderlichen Hohlräume reduzieren allerdings die seitlich übertragbaren Kräfte auf die Piezo-Keramik beziehungsweise den Piezo-Stapel erheblich, sodass die Unterstützung der Längsdehnung des Piezo-Stapels deutlich verringert wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Piezo-Aktor bereitzustellen, bei welchem ein außen an den Piezo-Aktor anliegender Druck auf den Piezo-Stapel des Piezo-Aktors möglichst effizient übertragen und insbesondere verteilt wird.

Eine weitere Aufgabe ist es, einen Piezo-Aktor zu schaffen, welcher insbesondere auch in einer Umgebung hohen Druckes, beispielsweise auch bei über 2000 bar, vor Spannungsüberschlägen geschützt ist.

Des Weiteren ist es eine Aufgabe, einen Piezo-Aktor bereitzustellen, bei welchem ein außen an den Piezo-Aktor anliegender Druck den Piezo-Stapel unter einen quasi-isostatischen allseitigen Druck setzt.

Außerdem ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Piezo-Aktor bereitzustellen, der eine möglichst große Lebensdauer besitzt.

Erfindungsgemäß wird zumindest eine dieser gestellten Aufgaben durch einen Piezo-Aktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren zum Herstellen eines Piezo-Aktors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst.

Demnach wird erfindungsgemäß ein Piezo-Aktor vorgeschlagen, der zumindest ein zwischen einem Piezo-Stapel und einer zumindest den Piezo-Stapel umgebenden Umhüllung angeordnetes, elastisches, vorgeformtes und passivierendes Übertragungsmittel aufweist, welches dazu geeignet ist, einen außen an der Umhüllung anliegenden Druck auf den Piezo-Stapel zu verteilen.

Das erfindungsgemäße Übertragungsmittel ist vorteilhafterweise passivierend, sodass ein Spannungsüberschlag zwischen dem Piezo-Aktor und jeglichen außerhalb des Übertragungsmittels angeordneten Einheiten oder Elementen, wie beispielsweise der Umhüllung des Piezo-Stapels, vermieden wird. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Übertragungsmittel elastisch und vorgeformt und besitzt somit nur geringe viskose Eigenschaften, sodass ein Fließen des Übertragungsmittels in die Fugen des Piezo-Stapels weitgehend vermieden wird oder unmöglich ist. Im Sinne dieser Anmeldung bedeutet elastisch insbesondere, dass das besagte Mittel nur eine geringe Viskosität aufweist und somit nicht in enge Spalte verfließen kann. Elastisch bedeutet also im Wesentlichen nicht-viskos oder nur sehr gering viskos. Vorgeformt bedeutet, dass das Mittel eine vorbestimmbare und vorbestimmte Form aufweist. Nachdem das erfindungsgemäße Übertragungsmittel nicht in die Fugen des Piezo-Stapels fließen kann, kann es auch nicht durch den bewegten Piezo-Stapel insbesondere beim Betrieb des Piezo-Aktors zwischen den Fugen zerstört werden. Somit ergibt sich eine er heblich längere Lebensdauer für das erfindungsgemäße Übertragungsmittel im Gegensatz zu viskosen Füllstoffen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Übertragungsmittel ist es, dass es einen außen an der Umhüllung anliegenden Druck, insbesondere Kraftstoffdruck, auf den Piezo-Stapel verteilt. Somit wird die Dehnungsfähigkeit des Piezo-Stapels durch den lateral einwirkenden Kraftstoffdruck unterstützt, wodurch die Betriebseigenschaften des Piezo-Aktors deutlich verbessert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Übertragungsmittel dazu geeignet, eine erste Relativbewegung zwischen der Umhüllung und dem Übertragungsmittel und eine zweite Relativbewegung zwischen dem Übertragungsmittel und dem Piezo-Stapel aufzunehmen. Durch die Aufnahme der Relativbewegungen ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Umhüllung sowie das Übertragungsmittel jegliche Bewegungen des Piezo-Stapels mitmachen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Piezo-Stapel kreiszylindrisch ausgebildet. Nachdem in der Regel zylinderförmige Umhüllungen verwendet werden, ist es durch den Einsatz des zylinderförmigen Piezo-Stapels möglich, dass der Abstand zwischen der Mantelfläche des Piezo-Stapels in einer Querschnittsebene im Wesentlichen überall gleich zur Mantelfläche der zylinderförmigen Umhüllung ist. Dadurch wird der Raum der zylinderförmigen Umhüllung besser als bei herkömmlichen eckigen Piezo-Stapeln ausgenutzt. Der zylinderförmige Piezo-Stapel wird beispielsweise hergestellt, indem er mit einem Kronenbohrer aus einem fertig geschichteten und gepressten Piezo-Block geschnitten wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Umhüllung als ein Wellrohr ausgebildet, welches eine Vielzahl von N Wellen aufweist und insbesondere metallisch ist. Durch die wellrohrartige Ausgestaltung der Umhüllung ist es erfindungsgemäß möglich, die Aufnahme von Relativbewegungen zu verbessern. Das Wellrohr ist insbesondere metallisch und ermöglicht es vorteilhafter Weise auch bei einer unvermeidbaren elektrischen Leitfähigkeit handelsüblicher Kraftstoffe, den Piezo-Aktor vor Spannungsüberschlägen zu schützen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in zumindest einer Welle zumindest zwei mit der Welle formschlüssige und mit der Welle zumindest teilweise direkt gekoppelte, massive Übertragungsmittel angeordnet. Vorteilhafterweise können massive Übertragungsmittel nicht in die Fugen des Piezo-Stapels geraten oder fließen, sodass eine Zerstörung des erfindungsgemäßen Übertragungsmittels auch bei einem Betrieb des Piezo-Stapels verhindert wird. Somit ergibt sich vorteilhafterweise eine erhöhte Lebensdauer für den erfindungsgemäßen Piezo-Aktor.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist/sind ein Gleitlager und/oder ein Wälzlager zwischen den massiven Übertragungsmitteln und dem Piezo-Stapel angeordnet. Ein Vorteil der Anordnung eines Gleitlagers und/oder eines Wälzlagers besteht darin, dass die Dehnung des Piezo-Stapels in Längsrichtung kaum oder nicht behindert wird, was zu einem uneingeschränkten Betrieb des Piezo-Stapels führt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung bestehen die in einer Welle angeordneten massiven Übertragungsmittel aus zwei ersten Einlegeteilen und zwei zweiten Einlegeteilen, wobei die ersten Einlegeteile und die zweiten Einlegeteile als mit der Welle und dem Piezo-Stapel im Wesentlichen formschlüssige Scheibenabschnitte ausgebildet sind. Vorzugsweise weist das erste Einlegeteil ein größeres Volumen als das zweite Einlegeteil auf. Durch diese Ausgestaltung wird eine sehr einfache und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, die Übertragungsmittel zwischen dem Piezo-Stapel und der Umhüllung anzuordnen, da die ersten Einlegeteile in einem ersten Schritt und die zweiten Einlegeteile in einem zweiten, dem ersten Schritt nachgeordneten Schritt eingelegt werden können, wobei die ersten Einlegeteile in dem zweiten Schritt durch leichten Druck in die Wellen des Wellrohrs gedrückt werden können.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das massive Übertragungsmittel aus Stahl und/oder Keramik und/oder Invar und/oder Nylon (PA66) und/oder einem Elastomer, insbesondere Teflon, ausgebildet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das massive Übertragungsmittel zumindest teilweise, insbesondere ganzflächig, mit einem Elastomer, zum Beispiel Teflon, beschichtet. Vorteilhafterweise wird durch die Beschichtung mit dem Elastomer eine verminderte, beziehungsweise minimale Reibung bei der Übertragung des Druckes auf den Piezo-Stapel ermöglicht. Eine verminderte oder minimale Reibung führt zu einem minimalen Energieverlust bei der Übertragung und Verteilung des außen anliegenden Druckes.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein O-Ring-förmiges Stützelement in zumindest einer Welle des Wellrohres vorgesehen, welches insbesondere aus einem Elastomer, beispielsweise Teflon, besteht. Das O-Ring-förmige Stützelement unterstützt die mechanische Stabilität des Wellrohres und trägt somit zu einer erhöhten Lebensdauer des Piezo-Aktors bei. Vorteilhafterweise ist das O-Ring-förmige Stützelement mit einem Elastomer beschichtet, sodass nur verringerte oder minimale Reibungsverluste auftreten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Übertragungsmittel als eine Mehrzahl von Kügelchen ausgebildet, die insbesondere im Wesentlichen aus Keramik bestehen. Die als Keramik ausgebildeten Kügelchen haben den besonderen Vorteil, dass ihr Wärmedehnungskoeffizient dem des keramischen Piezo-Stapels entspricht oder im Wesentlichen entspricht. Somit ist kein Volumenausgleich zum Beispiel mittels luft- oder gasgefüllter Hohlräume notwendig, welche die übertragbaren lateralen Kräfte erheblich reduzieren würden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind zwischen den Kügelchen und den Piezo-Stapel zwei L-förmig ausgebildete Trennelemente angeordnet, die den Piezo-Stapel zumindest teilweise umfassen. Die L-förmig ausgebildeten Trennelemente erfüllen vorteilhafterweise die Funktion, dass die Kügelchen, auch wenn diese einen sehr kleinen Durchmesser aufweisen sollten, nicht in die Fugen des Piezo-Stapels geraten können. Somit wird vorteilhafterweise verhindert, dass das als eine Mehrzahl von Kügelchen ausgebildete Übertragungsmittel beim Betrieb des Piezo-Stapels zerstört wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein O-Ring-förmiges Ringelement zwischen einer Kopfplatte des Piezo-Aktors und dem Piezo-Stapel zur Aufnahme einer Längsbewegung des Piezo-Aktors und/oder zur Abdichtung des Piezo-Aktors angeordnet. Das O-Ring-förmige Ringelement ist besonders dann von Vorteil, wenn die Umhüllung nicht als Wellrohr sondern beispielsweise nur als Blechmantel ausgebildet ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Wellrohr als ein längs- und querdehnfähiges Wellrohr ausgebildet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Übertragungsmittel eine hohe Steifigkeit in radialer Richtung des Piezo-Stapels und eine relativ zu der hohen Steifigkeit in radialer Richtung, geringe Steifigkeit in axialer Richtung des Piezo-Stapels auf. Vorteilhafterweise ist die hohe Steifigkeit in radialer Richtung des Übertragungsmittels dazu geeignet, den außen an der Umhüllung anliegenden Druck auf den Piezo-Stapel zu verteilen und insbesondere den Piezo-Stapel unter einen quasi-isostatischen allseitigen Druck zu setzen. Dahingegen ist vorteilhafterweise die geringe Steifigkeit in axialer Richtung des Übertragungsmittels dazu geeignet, die bei einer Druckänderung und/oder einer elektrischen Ansteuerung auftretenden Längenänderungen des Piezo-Stapels in axialer Richtung möglichst wenig zu behindern.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Übertragungsmittel zwischen der Umhüllung und dem Piezo-Stapel formschlüssig und/oder kraftschlüssig angeordnet. Das formschlüssige und kraftschlüssige Übertragungsmittel ist insbesondere vorteilhafterweise dazu geeignet, den außen an der Umhüllung anliegenden Druck auf die sehr steife Piezo-Keramik abzuleiten und so die in der Umhüllung entstehende Druckdifferenz möglichst gering zu halten. Außerdem ist das Übertragungsmittel vorzugsweise an den Übergangsstellen zu dem Piezo-Stapel und der Umhüllung großflächig ausgebildet, sodass die elastische Verformbarkeit vorteilhafterweise maximiert wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Übertragungsmittel zumindest ein Übertragungselement auf, das eine Wabenstruktur mit einer Wabenlängsachse in radialer Richtung des Piezo-Stapels aufweist. Ein Übertragungselement mit einer Wabenstruktur mit einer Wabenlängsachse in radialer Richtung hat den besonderen Vorteil, dass sich eine besonders hohe Steifigkeit in radialer Richtung und eine relativ zu der hohen Steifigkeit in radialer Richtung, besonders geringe Steifigkeit in axialer Richtung des Piezo-Stapels ergibt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Übertragungsmittel zumindest ein in radialer Richtung des Piezo-Stapels angeordnetes, stachelartiges oder stäbchenartiges Übertragungselement auf. Alternativ weist das Übertragungsmittel eine Vielzahl in axialer Richtung aufgestapelte, scheibenartige oder ringartige Übertragungselemente auf. Auch das stachelartige oder stäbchenartige Übertragungselement sowie die scheibenartigen oder ringartigen Übertragungselemente besitzen den besonderen Vorteil, für das Übertragungsmittel eine besonders hohe Steifigkeit in radialer Richtung und eine besonders geringe Steifigkeit in axialer Richtung des Piezo-Stapels bereitzustellen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Übertragungsmittel eine Passivierungsschicht auf, die zwischen dem Piezo-Stapel und dem Übertragungselement angeordnet ist. Das Vorsehen einer Passivierungsschicht ist insbesondere dann von besonderem Vorteil, wenn das Übertragungselement aus einem metallischen Werkstoff oder Material ausgebildet ist. Die Passivierungsschicht schützt dann den Piezo-Aktor vor potentiellen Überschlägen zwischen dem Piezo-Stapel und dem Übertragungselement, der Umhüllung oder dem den Piezo-Aktor umfließenden Kraftstoff.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Füllmedium vorgesehen, welches in einem zwischen dem Piezo-Stapel, dem Übertragungselement oder den Übertragungselementen und der Umhüllung freien Raum angeordnet ist. Das Vorsehen des Füllmediums hat den besonderen Vorteil, dass die Wärmeleitfähigkeit des Piezo-Aktors verbessert wird. Außerdem ist das Füllmedium vorteilhafterweise dazu geeignet, Schwingungen, die insbesondere durch die Dehnung des Piezo-Aktors verursacht werden, zu dämpfen. Außerdem wird durch das Füllmedium weiterhin das Übertragungsmittel gedämpft.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Füllmedium als ein temperaturbeständiges und/oder ein wärmeleitendes und/oder ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere als ein Silikon-Elastomer oder ein Silikon-Öl ausgebildet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die hohe Steifigkeit in radialer Richtung größer gleich 10 N/μm, bevorzugt größer gleich 20 N/μm, besonders bevorzugt größer gleich 50 N/μm, und die geringe Steifigkeit in axialer Richtung kleiner gleich 5 N/μm.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors;
2 eine schematische Längsschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors;
3 eine schematische Längsschnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors;
4a und 4b eine schematische Längsschnittansicht und eine schematische Querschnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors;
5a und 5b eine schematische Querschnittsansicht und eine schematische Längsschnittansicht eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors;
6a und 6b eine schematische Querschnittsansicht und eine schematische Längsschnittsansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors;
7 ein schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Piezo-Aktors;
8 eine schematische Längsschnittansicht eines siebten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors;
9 eine schematische Querschnittsansicht des siebten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors nach 8;
10a–10c verschiedene schematische makroskopische Ansichten des Übertragungselementes mit Wabenstruktur gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors;
11 eine schematische Längsschnittansicht eines achten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors;
12 eine schematische Querschnittsansicht des achten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors nach 11; und
13 eine schematische Querschnittsansicht eines neunten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors.
In allen Figuren sind gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Elemente und Einheiten – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 ist gemein, dass ein zwischen einem Piezo-Stapel 2 und einer zumindest den Piezo-Stapel 2 umgebenden Umhüllung 3 angeordnetes, elastisches, vorgeformtes und passivierendes Übertragungsmittel 6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29 vorgesehen ist. Das Übertragungsmittel 6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29 ist dazu geeignet, einen außen an der Umhüllung 3 anliegenden Druck P auf den Piezo-Stapel zu verteilen.
In 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 dargestellt. Der Piezo-Aktor 1 weist einen Piezo-Stapel 2 auf, der aus einer Vielzahl von Piezoelementen besteht. Zwischen der Umhüllung 3 und dem Piezo-Stapel 2 sind massive Übertragungsmittel 6, 7 vorgesehen, wobei in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die Übertragungsmittel 6, 7 dargestellt sind. Die Übertragungsmittel 6, 7 sind dazu geeignet, eine erste Relativbewegung zwischen der Umhüllung 3 und den Übertragungsmitteln 6, 7 und eine zweite Relativbewegung zwischen den Übertragungsmitteln 6, 7 und dem Piezo-Stapel 2 aufzunehmen. Vorzugsweise sind die Übertragungsmittel 6, 7 mit der Umhüllung 3 formschlüssig und mit der Welle 3 zumindest teilweise direkt zur Übertragung und Verteilung des außen anliegenden Druckes P gekoppelt.
Zwischen den massiven Übertragungsmittel 6, 7 und dem Piezo-Stapel 2 ist ein Gleitlager 7 und/oder ein Wälzlager 8 angeordnet.
Außerdem weist der Piezo-Aktor 1 eine erste V-förmige Kammer 22 und eine zweite V-förmige Kammer 23 zur elektrischen Kontaktierung des Piezo-Stapels 2 beispielsweise mittels Bondingdrähten auf.
2 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1. Der Piezo-Stapel 2 und dessen Umhüllung 3, die beispielsweise als Wellrohr 31 ausgebildet ist, sind zwischen einer Kopfplatte 18 und einer Bodenplatte 19 des Piezo-Aktors 1 angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind die Übertragungsmittel als mit einer Teflonschicht beschichtete N Blechhülsen 6a, 7a; 6b, 7b; 6c, 7c; 6d, 7d; 6e, 7e; 6f, 7f; 6g, 7g ausgebildet. Zur Verteilung des außen anliegenden Druckes P weisen die N Blechhülsen jeweils ein Einlegeteil aus einem Elastomer zur Druckübertragung auf. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet die verformungsfähige Zone des Wellrohres 31.
In 3 ist eine schematische Längsschnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 dargestellt. Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von beiden oben diskutierten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 dahingehend, dass die Umhüllung nicht als ein Wellrohr 31 sondern als ein kreiszylindrischer Blechmantel 32 ausgebildet ist. Ist die Umhüllung als ein Blechmantel 32 ausgebildet, so ist es von Vorteil, zwischen der Kopfplatte 18 des Piezo-Aktors 1 und dem Piezo-Stapel 2 ein Ringelement 4, das insbesondere O-Ring-förmig ausgebildet ist, zur Aufnahme der Längsbewegungen des Piezo-Stapels 2 vorzusehen. Bezugszeichen 21 bezeichnet die Rotationsachse des zylinderförmigen Piezo-Aktors 1. Des Weiteren weist der Piezo-Aktor 1 ein Schutz-Gel 24 für die Bondingdrähte zur Kontaktierung des Piezo-Stapels 2 auf. Der Freiraum 20 dient zur Aufnahme des Hubes bei einer Längsdehnung des Piezo-Stapels. Der Freiraum 20 beträgt beispielsweise 200 μm.
Die 4a und 4b zeigen eine schematische Längsschnittansicht und eine schematische Querschnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1. Insbesondere zeigt 4b die in einer Welle 5 angeordneten massiven Übertragungsmittel, welche nach diesem Ausführungsbeispiel aus zwei ersten Einlegeteilen 10, 11 und zwei zweiten Einlegeteilen 12, 13 bestehen. Die ersten Einlegeteile 10, 11 und die zweiten Einlegeteile 12, 13 sind als mit der Welle 5 und dem Piezo-Stapel 2 formschlüssige Scheibenabschnitte ausgebildet. Das massive Übertragungsmittel 6a, 6b, 6c (weitere sind in 4a aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) erstreckt sich über jeweils drei Wellen 5.
Vorzugsweise weist das erste Einlegeteil 10, 11 ein größeres Volumen als das zweite Einlegeteil 12, 13 auf, sodass die Übertragungsmittel zwischen dem Piezo-Stapel 2 und dem Well rohr 31 auf eine besonders einfache Weise angeordnet werden können.
In den 5a und 5b sind eine schematische Querschnittsansicht und eine schematische Längsschnittansicht eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 dargestellt. Insbesondere 5a zeigt den kreiszylindrischen Querschnitt des Piezo-Stapels 2 und der Umhüllung 3. Innerhalb des Kreiszylinders des Piezo-Stapels 2 sind Freiräume 20 für die Metallisierung des Piezo-Stapels 2 und die Kontaktierung desselben, beispielsweise mittels Bonddrähten, vorgesehen.
5b zeigt, dass in den Wellen 5 des Wellrohres 31 jeweils ein O-Ring-förmiges Stützelement 14 vorgesehen ist, welches die mechanische Stabilität des Wellrohres 31 unterstützt und welches insbesondere aus einem Elastomer, beispielsweise Teflon, zu Minimierung von Reibungseffekten besteht. Außerdem weist der erfindungsgemäße Piezo-Aktor 1 nach dem fünften Ausführungsbeispiel ein Schutz-Gel 24 auf, in welchem beispielsweise Bondingdrähte zur Kontaktierung des Piezo-Stapels 2 geführt sind.
Die 6a und 6b zeigen eine Querschnittsansicht und eine Längsschnittansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1. Das sechste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel als eine Mehrzahl von Kügelchen 15 ausgebildet ist, die insbesondere im Wesentlichen aus Keramik bestehen. Vorzugsweise sind zwischen den Kügelchen 15 und dem Piezo-Stapel 2 zwei L-förmig ausgebildete Trennelemente 16, 17 angeordnet, die den Piezo-Stapel 2 zumindest teilweise oder vollständig umfassen.
Außerdem weist der erfindungsgemäße Piezo-Aktor 1 zwischen den L-förmig ausgebildeten Trennelementen 16, 17 und dem Piezo-Stapel 2 vorzugsweise ein Gleitlager 8 und/oder ein Wälzlager 9 auf. Das Gleitlager 8 und/oder das Wälzlager 9 beste hen vorzugsweise im Wesentlichen aus passivierenden Stoffen, das Wälzlager vorzugsweise aus Keramik, sodass ihre Wärmedehnungskoeffizienten dem des Piezo-Stapels 2 im Wesentlichen oder vollständig entsprechen.
6b zeigt, dass auf den Piezo-Stapel 2 ein aus Kugeln oder Kügelchen bestehendes Wälzlager 9 vorgesehen ist. Auf dem Wälzlager 9 sind die L-förmig ausgebildeten Trennelemente 16, 17 angeordnet. Zur verdeutlichten Darstellung weist nur der rechte Teil der 6b sämtliche, diskutierte Merkmale auf. Zwischen dem Trennelement 16 und dem Wellrohr 31 sind die Kügelchen 15 angeordnet. Bezugszeichen 25 bezeichnet die verformungsfähigen Zonen des Wellrohres 31.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Piezo-Aktors 1 anhand des Blockschaltbildes in 7 erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Verfahrensschritte a bis c auf.
Verfahrensschritt a:
Es wird ein Piezo-Stapel 2 bereitgestellt.
Verfahrensschritt b:
Der Piezo-Stapel 2 wird mit einer Umhüllung 3 umhüllt.
Verfahrensschritt C:
Es wird ein elastisches, vorgeformtes und passivierendes Übertragungsmittel 6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29 zwischen dem Piezo-Stapel 2 und der den Piezo-Stapel umgebenden Umhüllung 3 angeordnet. Das Übertragungsmittel 6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29 ist dazu geeignet, einen außen an der Umhüllung 3 anliegenden Druck P auf den Piezo-Stapel 2 zu verteilen.
Vorzugsweise ist das Übertragungsmittel 6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29 als ein massives Übertragungsmittel 6, 7 ausgebildet, die Umhüllung 3 ist als ein Wellrohr 31 mit einer Vielzahl von N Wellen 5 ausgebildet und der oben beschriebene Verfahrensschritt c) wird mittels folgender Verfahrensteil schritte durchgeführt: In einem ersten Verfahrensteilschritt c1) wird das massive Übertragungselement 6, 7 in die Wellen 5 des Wellrohres 31 eingelegt. In einem darauffolgenden Verfahrensteilschritt c2) wird der Piezostapel 2 in das Wellrohr 31 eingeschoben.
In 8 ist eine schematische Längsschnittansicht eines siebten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 dargestellt. Das siebte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 unterscheidet sich von den vorstehenden Ausführungsbeispielen dahingehend, dass zwischen der Umhüllung 3 und dem Piezo-Stapel 2 ein Übertragungselement 26 mit Wabenstruktur als Übertragungsmittel vorgesehen ist. Das Übertragungselement 26 mit Wabenstruktur hat den besonderen Vorteil, dass es eine hohe Steifigkeit in radialer Richtung des Piezo-Stapels 2 und eine relativ zu der hohen Steifigkeit in radialer Richtung, geringe Steifigkeit in axialer Richtung des Piezo-Stapels 2 aufweist.
9 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des siebten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 nach 8. Das Übertragungselement 26 mit Wabenstruktur ist zwischen der Umhüllung 3 und dem Piezo-Stapel 2 angeordnet und hat seine Wabenlängsachse 28 in radialer Richtung des Piezo-Stapels 2.
Die 10a–10c zeigen verschiedene Ausgestaltungen des Übertragungselementes 26 mit Wabenstruktur. Jede der 10a–10c ist eine alternative Ausgestaltung der Wabenstruktur 26. Bezugszeichen 28 bezeichnet die jeweilige Wabenlängsachse 28.
11 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines achten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1. Das achte Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 unterscheidet sich von den vorstehenden Ausführungsbeispielen dahingehend, dass eine Vielzahl von stachel- oder stäbchenartigen Übertragungselementen 27 zwischen der Umhüllung 3 und dem Piezo-Stapel 2 angeordnet ist.
12 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des achten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1. Darin ist die stäbchen- oder stachelartige Form des Übertragungselementes 30 besonders deutlich sichtbar. In einem freien Raum zwischen dem Piezo-Stapel 2 und dem Übertragungselement 27 ist vorzugsweise ein Füllmedium 30 vorgesehen. Das Füllmedium 30 ist insbesondere als ein temperaturbeständiges und/oder ein wärmeleitendes und/oder elektrisch isolierendes Material, insbesondere als ein Silikon-Elastomer oder ein Silikon-Öl ausgebildet.
In 13 ist ein neuntes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 dargestellt. Das neunte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 unterscheidet sich von den vorstehenden Ausführungsbeispielen dahingehend, dass zwischen der Umhüllung 3 und dem Piezo-Stapel 2 eine Vielzahl von in axialer Richtung des Piezo-Stapels 2 aufgestapelte, scheibenartige oder ringartige Übertragungselemente 29 vorgesehen sind. Vorzugsweise kann bei einem metallischen Piezo-Stapel 2 zwischen dem Piezo-Stapel 2 und dem Übertragungselement 29 eine Passivierungsschicht (nicht gezeigt) zur elektrischen Passivierung des Piezo-Stapels 2 vorgesehen werden.
Der erfindungsgemäße Piezo-Aktor 1 wird vorzugsweise in einem Einspritzsystem eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Dabei wird der Piezo-Aktor 1 insbesondere im Hochdruckraum des Einspritzsystems angeordnet. Das Einspritzsystem ist vorzugsweise als ein Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Beispielsweise kann der Piezo-Stapel auch quadratisch ausgebildet sein. Außerdem kann die Passivierungs schicht zwischen dem Übertragungsmittel bzw. Übertragungselement und dem Piezo-Stapel immer dann vorgesehen werden, wenn eine, insbesondere eine zusätzliche Passivierung für den Piezo-Stapel vorteilhaft ist.

Claims

Piezo-Aktor (1) mit zumindest einem zwischen einem Piezo-Stapel (2) und einer zumindest den Piezo-Stapel (2) umgebenden Umhüllung (3) angeordneten, elastischen, vorgeformten und passivierenden Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29), welches dazu geeignet ist, einen außen an der Umhüllung (3) anliegenden Druck (P) auf den Piezo-Stapel (2) zu verteilen.
Piezo-Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) dazu geeignet ist, eine erste Relativbewegung zwischen der Umhüllung (3) und dem Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) und eine zweite Relativbewegung zwischen dem Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) und dem Piezo-Stapel (2) aufzunehmen.
Piezo-Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Stapel (2) kreiszylindrisch ausgebildet ist.
Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) als ein Wellrohr (31) ausgebildet ist, welches eine Vielzahl von N Wellen (5) aufweist und insbesondere metallisch ist.
Piezo-Aktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Welle (5) zumindest zwei mit der Welle (5) formschlüssige und mit der Welle (5) zumindest teilweise direkt gekoppelte, massive Übertragungsmittel (6, 7) angeordnet sind.
Piezo-Aktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleitlager (7) und/oder ein Wälzlager (8) zwischen den massiven Übertragungsmitteln (6, 7) und dem Piezo-Stapel (2) angeordnet sind/ist.
Piezo-Aktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Welle (5) angeordneten massiven Übertragungsmittel (6, 7) aus zwei ersten Einlegeteilen (10, 11) und zwei zweiten Einlegeteilen (12, 13) bestehen, wobei die ersten Einlegeteile (10, 11) und die zweiten Einlegeteile (12, 13) als mit der Welle (5) und dem Piezo-Stapel (2) formschlüssige Scheibenabschnitte ausgebildet sind.
Piezo-Aktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einlegeteil (10, 11) ein größeres Volumen als das zweite Einlegeteil (12, 13) aufweist.
Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das massive Übertragungsmittel (6, 7, 10–13) aus Stahl und/oder Keramik und/oder Invar und/oder Nylon (PA66) und/oder einem Elastomer, insbesondere Teflon, ausgebildet ist.
Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das massive Übertragungsmittel (6, 7, 10–13) zumindest teilweise mit einem Elastomer beschichtet ist.
Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein O-Ring-förmiges Stützelement (14) in zumindest einer Welle (5) des Wellrohres (3) vorgesehen ist, welches insbesondere aus einem Elastomer, beispielsweise Teflon, besteht.
Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) als eine Mehrzahl von Kügelchen (15) ausgebildet ist, die insbesondere im Wesentlichen aus Keramik bestehen.
Piezo-Aktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kügelchen (15) und dem Piezo-Stapel (2) zwei L-förmig ausgebildete Trennelemente (16, 17) angeordnet sind, die den Piezo-Stapel (2) zumindest teilweise umfassen.
Piezo-Aktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleitlager (8) und/oder ein Wälzlager (9) zwischen den L-förmig ausgebildeten Trennelementen (16, 17) und dem Piezo-Stapel (2) angeordnet sind/ist.
Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein O-Ring-förmiges Ringelement (4) zwischen einer Kopfplatte (18) des Piezo-Aktors (1) und dem Piezo-Stapel (2) zur Aufnahme einer Längsbewegung des Piezo-Aktors (1) und/oder zur Abdichtung des Piezo-Aktors (1) angeordnet ist.
Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellrohr (31) als ein längs- und querdehnfähiges Wellrohr ausgebildet ist.
Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) eine hohe Steifigkeit in radialer Richtung des Piezo-Stapels (2) und eine relativ zu der hohen Steifigkeit in radialer Richtung, geringe Steifigkeit in axialer Richtung des Piezo-Stapels (2) aufweist.
Piezo-Aktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) zwischen der Umhüllung (3) und dem Piezo-Stapel (2) formschlüssig und/oder kraftschlüssig angeordnet ist.
Piezo-Aktor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) zumindest ein Übertragungselement (26) aufweist, das eine Wabenstruktur (28) mit einer Wabenlängsachse in radialer Richtung des Piezo-Stapels (2) hat.
Piezo-Aktor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) zumindest ein in radialer Richtung des Piezo-Stapels (2) angeordnetes, stachelartiges oder stäbchenartiges Übertragungselement (27) aufweist oder eine Vielzahl in axialer Richtung aufgestapelte, scheibenartige oder ringartige Übertragungselemente (29) aufweist.
Piezo-Aktor nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) eine Passivierungsschicht aufweist, die zwischen dem Piezo-Stapel (2) und dem Übertragungselement (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) angeordnet ist.
Piezo-Aktor nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllmedium (30) vorgesehen ist, welches in einem zwischen dem Piezo-Stapel (2), dem Übertragungselement (26, 27) oder den Übertragungselementen (26, 27, 29) und der Umhüllung (3) freien Raum angeordnet ist.
Piezo-Aktor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmedium (30) als ein temperaturbeständiges und/oder ein wärmeleitendes und/oder ein elektrisch isolierendes Material ausgebildet ist.
Piezo-Aktor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmedium (30) als ein Silikon-Elastomer oder ein Silikon-Öl ausgebildet ist.
Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe Steifigkeit in radialer Richtung größer gleich 10 N/μm, bevorzugt größer gleich 20 N/μm, besonders bevorzugt größer gleich 50 N/μm, ist und die geringe Steifigkeit in axialer Richtung kleiner gleich 5 N/μm ist.
Verfahren zum Herstellen eines Piezo-Aktors (1) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 25 mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Piezo-Stapels (2); b) Umhüllen des Piezo-Stapels (2) mit einer Umhüllung (3); c) Anordnen eines elastischen, vorgeformten und passivierenden Übertragungsmittels (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) zwischen dem Piezo-Stapel (2) und der den Piezo-Stapel (2) umgebenden Umhüllung (3), wobei das Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) dazu geeignet ist, einen außen an der Umhüllung (3) anliegenden Druck (P) auf den Piezo-Stapel (2) zu verteilen.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (6, 7, 10–13, 15, 26, 27, 29) als ein massives Übertragungsmittel (6, 7) ausgebildet ist, die Umhüllung (3) als ein Wellrohr (31) ausgebildet ist, welches eine Vielzahl von N Wellen (5) aufweist, und der Verfahrensschritt c) mittels folgender Verfahrensteilschritte durchgeführt wird: c1) Einlegen des massiven Übertragungsmittels (6, 7) in die Wellen (5) des Wellrohres (31); und c2) Einschieben des Piezostapels (2) in das Wellrohr (31).
Einspritzsystem mit einem Piezo-Aktor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25, wobei der Piezo-Aktor (1) in einem Hochdruckraum des Einspritzsystems angeordnet ist.
Einspritzsystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem als ein Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet ist.