DE102006022997A1

DE102006022997A1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE102006022997A1
Application number: DE102006022997A
Authority: DE
Inventors: Patrick Mattes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2007-11-22
Also published as: US20090102320A1; JP2009538106A; WO2007131965A1; EP2020046A1

Abstract

Es wird ein Piezoaktor (1) mit einem Piezoelement (2), bestehend aus einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen, vorgeschlagen, wobei zwischen den Piezolagen angeordnete Innenelektroden in Richtung des Lagenaufbaus des Piezoelements (2) abwechselnd mit einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind. Es ist ein Aktorfuß (3) und ein Aktorkopf (4) und ein mindestens die Piezolagen des Piezoelements umgebendes Isolationsmedium (5, 6) vorhanden. Die Oberfläche des Piezoelements (2) ist mit einer ersten elektrischen Isolationsschicht versehen und der Piezoaktor (1) ist zumindest im Bereich des Piezoelements (2) mit mindestens einer Lage einer metallischen Folie (5) umwickelt. Auf die Folie (5) und die Verbindungsstellen zum Aktorkopf (4) und zum Aktorfuß (3) überlagernd ist eine Lage eines Kunststoffes (6) aufgetragen.

Description

Die Erfindung betrifft einen zumindest teilweise ummantelten, beispielsweise von flüssigen Medien umströmten Piezoaktor nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Stand der Technik
Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors ein Piezoelement so eingesetzt werden kann, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Das Piezoelement ist aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoelements erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
Beispielsweise ist ein solcher Piezoaktor als Bestandteil eines Piezoinjektors aus der DE 100 26 005 A1 bekannt, der zur Ansteuerung der Düsennadel bei Injekto ren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors verwendet werden kann. Bei diesem Piezoaktor ist ein Piezoelement als Stapel mehrerer elektrisch miteinander gekoppelter piezokeramischer Schichten aufgebaut, das über einen Aktorfuß und einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen zwei Anschlägen gehalten ist. Jede piezokeramische Schicht ist als Piezolage zwischen zwei Innenelektroden eingefasst, über die von außen eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Aufgrund dieser elektrischen Spannung führen die piezokeramischen Schichten dann jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potenzialgefälles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren. Dieser Gesamthub ist über die Höhe der angelegten Spannung veränderbar und kann auf ein mechanisches Stellglied übertragen werden.
Solche bekannte Anordnungen werden häufig zur Einbringung von Kraftstoff in direkt einspritzende Dieselmotoren als so genannte Common Rail Systeme eingesetzt. Bei diesen als Common Rail Injektoren bekannten Systemen kann dabei der Einspritzdruck auf einfache Weise an die Last und Drehzahl des Verbrennungsmotors angepasst werden.
Diese Common Rail Injektoren können dabei so aufgebaut werden, dass eine indirekt vom Piezoaktor gesteuerte Düsennadel vorhanden ist, wobei der Piezoaktor direkt oder indirekt vom Druck des Kraftstoffs umgeben ist und zwischen der Düsennadel und dem Piezoaktor lediglich ein hydraulischer Kopplungsraum vorgesehen ist.
Insbesondere bei solchen Einspritzsystemen ist es wichtig, dass der relativ empfindliche Piezoaktor im Inneren eines Haltekörpers medienbeständig aufgebaut ist.
Der Piezoaktor muss dabei gegenüber den verschiedenen Kraftstoffen als auch gegenüber wechselnden Drücken und Temperaturen resistent sein. Weiterhin ist bei der Montage und beim Transport ein sicheres Handling erforderlich und zusätzlich ist auch noch ein Schutz vor mechanischem Stoß oder Druck insbesondere hinsichtlich der elektrischen Isolierung notwendig.
Um eine elektrische und mechanische Isolierung des Piezoaktors zu erreichen, wird oft eine Ummantelung des Piezoaktormoduls vorgeschlagen. Aus der DE 102 30 032 A1 ist zur Vermeidung der zuvor beschriebenen Nachteile eine Anordnung mit einem Piezoaktor in umströmenden Medien bekannt, bei der die Keramikschichten des Piezoelements in einer formveränderlichen Isolationsmasse vergossen sind, die wiederum in einem seitlich und am oberen und unteren Ende gegenüber dem Medium verschlossenen metallischen Gehäusemantel als Hülse eingebracht ist.
Zu beachten ist hierbei vor allem das Problem der Abdichtung eines Beschichtungswerkstoffs des Piezoaktors und gegebenenfalls einer Hülse an den Endstellen an einem Aktorfuß, einem Aktorkopf und eventuell an einem Haltekörper, in der Regel aus Stahl, um die Anordnung auch hier vor mechanischen Einflüssen zu schützen. Da der Piezoaktor und die Beschichtung oder Ummantelung im Betrieb auch durch seinen Hub zusätzliche mechanische Dehnkräfte aufnehmen muss, werden in herkömmlicher Weise auch Metallhülsen in Verbindung mit Membranen verwendet. Die bekannten Anordnungen sind jedoch in der Herstellung aufwendig und damit kostenintensiv.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Piezoaktor mit einem Piezoelement aus, das aus einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen besteht, wobei zwischen den Piezolagen angeordnete Innenelektroden in Richtung des Lagenaufbaus des Piezoelements abwechselnd mit einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind, mit einem Aktorfuß und einem Aktorkopf und mit einem mindestens die Piezolagen umgebenden Isolationsmedium. Gemäß der Erfindung ist in vorteilhafter Weise die Oberfläche des Piezoelements mit einer ersten elektrischen Isolationsschicht versehen. Weiterhin ist der Piezoaktor, eventuell mitsamt seines unter axialer Vorspannung zusammengehaltenen Aktorfußes und Aktorkopfes mit mindestens einer Lage einer metallischen Folie umwickelt und auf die Folie und die Verbindungsstellen des Piezoelements zum Aktorfuß und zum Aktorkopf überlagernd ist eine Lage eines Kunststoffs aufgetragen.
Mit der Erfindung ist somit ein kostengünstig herstellbarer Piezoaktor gebildet, der wie eingangs erwähnt, Bestandteil eines Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor sein kann, wobei der Kraftstoff den Kunststoff umströmt. Durch die vorgeschlagene Ummantelung ist der erfindungsgemäße Piezoaktor äußerst medienbeständig und gewährleistet außerdem ein sicheres Handling beim Transport und bei der Montage.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform laufen überstehende Enden der metallischen Folie zumindest im Bereich des Aktorfußes in einer Verlängerung zusammen und können somit dicht zu einer im wesentli chen zylindrischen Form zusammengeballt werden, die sich axial weiter erstreckt. Vorteilhaft ist es dabei außerdem, wenn im Aktorfuß eine zentrale axiale Bohrung vorhanden ist, in die die zusammenlaufenden Folienenden im Verbund hineingeführt sind.
Der für die hier gegebene mechanische und thermische Beanspruchng teilelastische Kunststoff, der als letzte Schicht aufgetragen wird, kann auf einfache Weise aus einer Kunststoffumspritzung bestehen, die mit festen Partikeln angereichert ist. Hierbei kann die Kunststoffumspritzung vorzugsweise ein Kunststoff PA66 oder ähnliches sein und die festen Partikel, insbesondere zur Verbesserung der Wärmeleitung im Kunststoff, können zum Beispiel aus Metall oder Silizium bestehen.
Die erste elektrische Isolationsschicht auf der Oberfläche des Piezoelements ist vorzugsweise ein in an sich bekannter Weise aufgetragener elektrisch isolierender Lack in einer Dicke von ca. 100 bis 200 μm. Die darauf gewickelte metallische Folie kann beispielsweise eine Dicke von ca. 10 bis 20 μm betragen.
Abhängig von dem jeweiligen Einsatz des Piezoaktors in einem Aggregat kann der Piezoaktor einen runden oder rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen mit einer Folie und einer Kunststoffumspritzung versehenen, ummantelten Piezoaktor mit einem Aktorkopf und einem Aktorfuß,
2 einen Schnitt durch den Piezoaktor nach der 1 mit rechteckigem Querschnitt und
3 einen Schnitt durch einen mit einer Folie und einer Kunststoffumspritzung versehenen, ummantelten Piezoaktor mit überstehenden zusammengeführten Enden der Folie in einer Bohrung des Aktorfußes.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Ein Piezoelement 2 ist Bestandteil des Piezoaktors 1, der weiterhin noch einen Aktorfuß 3 und einen Aktorkopf 4 zumeist aus Stahl aufweist. Gemäß 2 ist erkennbar, dass der Piezoaktor 1 einen rechteckigen Querschnitt aufweist, er kann jedoch, je nach Anwendungsfall, auch einen runden oder sonst wie angepassten Querschnitt aufweisen.
Im Piezoelement 2 sind hier nicht explizit dargestellte Innenelektroden vorhanden, die über, hier ebenfalls nicht gezeigte, durch den Aktorfuß 3 geführte elektrische Zuleitungen und über Außenelektroden kontaktiert sind. Bei einer Betätigung des Piezoaktors 1 durch eine Spannungsbeaufschlagung der Innenelektroden kann eine hier axial hinter dem Aktorkopf 4 befindliche mechanische Anordnung derart betätigt werden, dass hier beim oben erwähnten Anwendungsfall eine Freigabe einer Düsenöffnung des Einspritzsystems erfolgen kann.
Der Piezoaktor 1 ist in der Regel in einen hier nicht gezeigten Halte- oder Injektorkörper eingebaut, wobei der Kraftstoff durch den Innenraum des Injektorkörpers am Piezoaktor 1 vorgeigeführt wird. Dieser Kraftstoff kann dann beispielsweise bei einem sogenannten Common Rail System unter dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten Raildruck oder einem anderen vorgebbaren Druck in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden.
Um den Piezoaktor 1 vor dem umströmenden Kraftstoff und vor sonstigen schädlichen Einwirkungen zu schützen, ist der Piezoaktor 1 mit der erfindungsgemäßen Ummantelung versehen, bei der zunächst die Oberfläche des Piezoelements 2 mit einer hier ersten elektrischen Isolationsschicht 11 versehen wird, die aus einem elektrisch isolierenden Lack in einer Dicke von ca. 100 bis 200 μm besteht.
Weiterhin ist der Piezoaktor mit mindestens einer Lage einer metallischen Folie 5, beispielsweise mit einer Dicke von ca. 10 bis 20 μm, umwickelt, die auf den Piezoaktor auf das Piezoelement 2 und zumindest teilweise auch auf den Aktorfuß 3 und den Aktorkopf 4 aufgewickelt ist. Dabei sollte das Piezoelement 2 mit dem Aktorfuß 3 und dem Aktorkopf 4 unter axialer Vorspannung zusammengehalten und ausgerichtet werden. Auf die Folie 5 und diese überlappend ist eine Lage eines Kunststoffes 6 aufgetragen.
Der hier vorzugsweise teilelastische Kunststoff 6, der als letzte Schicht aufgetragen wird, kann auf einfache Weise aus einer Kunststoffumspritzung, zum Beispiel aus PA66, bestehen, die mit festen Partikeln, zum Beispiel aus Metall oder Silizium, angereichert ist. Bei einer entsprechenden Auswahl einer Kunststoffumspritzung und der dabei verwendeten Herstellungsapparatur kann eventuell sogar auf die zuvor erwähnte Vorspannung, zum Beispiel mit Rohr- oder Schraubenfedern, zwischen den Elementen des Piezoaktors 1 bei der Umwicklung und der Umspritzung verzichtet werden.
Aus 2 ist ein weitergebildetes Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem das Piezoelement 2 nahezu vollständig umwickelt ist und überstehende Enden 7 der Folie 5 im Bereich des Aktorfußes 3 zusammenlaufen und dann dicht zu einer im wesentlichen zylindrischen Form zusammengeballt werden, die sich axial in eine Bohrung 8 im Aktorfuß 3 erstreckt. Auch hier ist eine Kunstoff 6 als Kunsstoffumspritzung aufgetragen. Aus der 2 ist auch noch schematisch zu entnehmen, wie der Aktorfuß 3 über Dichtkanten 9 an einem Haltekörper 10 anliegt, der hier nur angedeutet ist.

Claims

Piezoaktor (1), bestehend aus einem Piezoelement (2), einem Aktorfuß (3) und einem Aktorkopf (4) und mit einem mindestens das Piezoelemetn umgebenden Isolationsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Piezoelements (2) mit einer ersten elektrischen Isolationsschicht (11) versehen ist, dass der Piezoaktor (1) zumindest im Bereich des Piezoelements (2) mit mindestens einer Lage einer metallischen Folie (5) umwickelt ist und dass auf die Folie (5) und weiter die Verbindungsstellen zwischen dem Piezoelement (2) und den Aktorfuß (3) sowie den Altorkopf (4) überlagernd eine Lage eines Kunststoffes (6) aufgetragen ist.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Enden (7) der metallischen Folie (5) zumindest im Bereich des Aktorfußes (3) in einer Verlängerung zusammenlaufen und dass im Aktorfuß (3) eine zentrale axiale Bohrung (8) vorhanden ist, in die die zusammenlaufenden Enden (7) der Folie (5) im Verbund hineingeführt sind.
Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (6) aus einer Kunststoffumspritzung besteht, die mit festen Partikeln angereichert ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (6) der Kunststoffumspritzung aus PA66 gebildet ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Partikel aus Metall oder Silizium bestehen.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Isolationsschicht (11) auf der Oberfläche des Piezoelements (2) ein elektrisch isolierender Lack in einer Dicke von ca. 100 bis 200 μm ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) einen runden Querschnitt aufweist.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Verwendung eines Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) Bestandteil eines Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor ist, wobei der Kraftstoff den Kunststoff (6) der Kunststoffumspritzung umströmt.