DE102006043709A1

DE102006043709A1 - Anordnung eines Piezoaktors in einem Gehäuse

Info

Publication number: DE102006043709A1
Application number: DE102006043709A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-18
Filing date: 2006-09-18
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Es wird ein Piezoaktormodul (20) mit zwischen einem Aktorfuß (4) und einem Aktorkopf (5) eingespannten Piezoelementen (3) vorgeschlagen, wobei eine zumindest die Piezoelemente (3) umgebende Hülse (11) vorhanden ist und zwischen der Hülse (11) und dem Piezoelement (3) mindestens teilweise eine Isolationsmasse (10) angeordnet ist. Die beispielsweise nur als Wulst ausgeführte Isolationsmasse (21) enthält Keramikpartikel (22), die vorzugsweise in einer solchen Dosierung in die Isolationsmasse (21) eingebettet sind, dass eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Piezoaktor (2) und der Hülse (11) erreicht ist. Die Außenelektroden (23, 24) können zur besseren Haftung in ihrer flächenhaften Ausdehnung teilweise innerhalb der Isolationsmasse (21) eingebettet werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines Piezoaktors in einem Gehäuse, beispielsweise bei einem von flüssigen Medien umströmten Piezoaktor, der in einem Piezoinjektor zur zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor einsetzbar ist, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Ein solcher Piezoinjektor besteht im Wesentlichen aus einem Haltekörper und dem in dem Haltekörper angeordneten Piezoaktor, der ein zwischen einem Kopf- und Fußteil angeordnetes Piezoelement aus mehreren übereinander gestapelten Piezolagen aufweist.
Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors Piezoelemente so eingesetzt werden können, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Piezolagen der Piezoelemente sind aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des jeweiligen 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 Piezoaktormodul mit einem solchen Piezoaktor als Bestandteil eines Piezoinjektors in sogenannten Common Rail Einspritzsystemen (CR-Injektor) aus der DE 100 26 005 A1 bekannt. Bei diesem Piezoaktormodul ist ein Stapel mehrerer elektrisch und mechanisch miteinander gekoppelter Piezoelemente über einen Aktorfuß und einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen zwei Anschlägen gehalten. Jede Piezolage der Piezoelemente ist zwischen zwei Innenelektroden eingefasst, über die von außen eine elektrische Spannung ange legt werden kann. Aufgrund dieser elektrischen Spannung führen die Piezoelemente 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.
Um eine elektrische und mechanische Isolierung des Piezoaktors zu erreichen, wird oft auch eine flexible Ummantelung des Piezoaktors vorgeschlagen. Aus der DE 102 30 032 A1 ist eine Anordnung mit einem Piezoaktor in umströmenden Medien bekannt, bei der die Piezoelemente in einer formveränderlichen Isolationsmasse vergossen sind, die wiederum in einem seitlich und am oberen und unteren Ende gegenüber dem Medium verschlossenen Gehäusemantel eingebracht ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einer eingangs beschriebenen Anordnung mit einem Piezoaktor aus, der zwischen einem Aktorfuß und einem Aktorkopf eingespannte Piezoelemente und eine den Piezoaktor umgebende Hülse aufweist, wobei zwischen der Hülse und den Piezoelementen mindestens teilweise eine Isolationsmasse angeordnet ist. Erfindungsgemäß enthält die Isolationsmasse Keramikpartikel, um eine gute Wärmeleitfähigkeit der Isolationsmasse zu gewährleisten.
Ein solcher mit der erfindungsgemäßen Anordnung gebildeter Piezoaktor kann in vorteilhafter Weise Bestandteil eines Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor sein, wobei der Kraftstoff die Hülse des Piezoaktors umströmt.
Der Piezoaktor kann dabei in vorteilhafter Weise mit der Isolationsmasse mit einfachen Montageschritten im Gehäuse montiert werden. Die Keramikpartikel können auf einfache Weise in einer solchen Dosierung in die Isolationsmasse eingebettet werden, dass eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Piezoaktor und der Hülse erreichbar ist. Die Isolationsmasse kann beispielsweise aus Silikonen, Polyamiden, Kautschuk oder vergleichbaren Materialien gebildet sein.
Es sind hierbei schon gute Ergebnisse erzielbar, wenn die über die Keramikpartikel wärmeleitende Isolationsmasse zum Beispiel wulstartig im Bereich der Seitenflächen des Piezoaktors und zwar vorzugsweise nur auf den Seitenflächen mit Außenelektroden zur Kontaktierung der im Piezoelement angebrachten Innenelektroden aufgetragen ist, da hier im Bereich der Außenelektroden, zum Beispiel in einer Ausführung als Siebelektrode, die meiste Wärme abzuleiten ist.
Um auch noch die mechanische Haftung der Isolationsmasse zu verbessern, können die Außenelektroden so gestaltet werden, dass sie sich in ihrer flächenhaften Ausdehnung teilweise innerhalb der Isolationsmasse befinden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Außenelektroden in ihrer Längserstreckung in Richtung des Lagenaufbaus an der jeweiligen Seitenfläche des Piezoelements seitlich mit den Innenelektroden zumindest auf einer Seite kontaktiert und dazwischen erstrecken sie sich zur mechanischen Einbettung halbkreisförmig, keil- oder rechteckförmig in die Isolationsmasse hinein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Außenelektroden in ihrer Längserstreckung in Richtung des Lagenaufbaus an der jeweiligen Seitenfläche des Piezoaktors seitlich mit den Innenelektroden zumindest auf einer Seite kontaktiert und erstrecken sich separat stegartig in die Isolationsmasse hinein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Piezoaktor werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch Teile eines Piezoinjektors mit einem Piezoaktor nach dem Stand der Technik,
2 eine erfindungsgemäße Ausführung der Anbringung einer Isolationsmasse am Piezoaktor als Querschnitt des Piezoelements,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer halbkreisförmigen Einbettung einer Außenelektrode des Piezoaktors in die Isolationsmasse,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer keilförmigen Einbettung einer Außenelektrode des Piezoaktors in die Isolationsmasse,
5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer keilförmigen Einbettung einer Außenelektrode des Piezoaktors in die Isolationsmasse,
6 ein viertes erstes Ausführungsbeispiel einer rechteckförmigen Einbettung einer Außenelektrode des Piezoaktors in die Isolationsmasse und
7 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Einbettung von Teilen einer Außenelektrode des Piezoaktors in die Isolationsmasse.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine herkömmliche an sich bekannte Anordnung 1 mit einem Piezoaktormodul 2 gezeigt, die beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Piezoelemente 3 bilden den eigentlichen Piezoaktor des Piezoaktormoduls 2, das weiterhin noch einen Aktorfuß 4 und einen Aktorkopf 5, zum Beispiel aus Stahl, aufweist. Es sind elektrische Zuleitungen 6 und 7 durch den Aktorfuß 4 geführt, die über hier nicht näher dargestellte Außenelektroden an Innenelektroden 8 und 9 der Piezoelemente 3 kontaktiert sind. Bei einer Betätigung des Piezoaktormoduls 2 durch eine Spannungsbeaufschlagung der Innenelektroden 8 und 9 kann eine hier senkrecht unterhalb des Aktorkopfes 5 befindliche mechanische Anordnung derart betätigt werden, dass hier eine Freigabe einer Düsenöffnung des Einspritzsystems erfolgen kann.
Die Anordnung 1 mit dem Piezoaktormodul 2 ist in einem hier nicht gezeigten Injektorkörper eingebaut, wobei der Kraftstoff durch den Innenraum des Injektorkörpers an der Anordnung 1 vorgeigeführt wird. Dieser Kraftstoff kann dann beispielsweise bei einem sogenannten Common Rail System (CR-Systeme) unter dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten Raildruck oder einem anderen vorgebbaren Druck in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden.
Um die Piezoelemente 3 des Piezoaktormoduls 2 nach der 1 vor dem umströmenden Kraftstoff und vor sonstigen schädlichen Einwirkungen zu schützen, ist eine Isolationsmasse 10 vorhanden, die wiederum mit einer Hülse 11 und einer Membran 12 verschlossen ist.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausbildung eines Piezoaktormoduls 20 im Querschnitt im Bereich eines Piezoelements 3, das hier entsprechend der Darstellung nach der 1 aufgebaut sein kann. Auch bei der Ausführungsform nach der 2 ist eine Hülse 11 vorhanden, vorzugsweise aus Metall (Stahl).
Eine Isolationsmasse 21 ist nach der 2 jeweils nur als Wulst auf die Seitenflächen der Piezoelemente 3 aufgetragen, die mit Keramikpartikeln 22 versetzt ist, um die Wärme aus den Piezoelementen 3 bzw. aus dem Piezoaktormodul 20 über den Kontakt mit dem Gehäuse 11 im montierten Zustand nach außen zu leiten. Bei der 2 sind auch Außenelektroden 23 und 24 zur Kontaktierung der Innenelektroden (vgl. Innenelektroden 8 und 9 nach der 1), in der Regel flächenhaft aufgelötete oder sonst wie elektrisch leitend aufgebrachte Siebelektroden, zu erkennen. Hier würde es auch ausreichen, wenn die Isolationsmasse 21 nur an den Seitenflächen mit den Außenelektroden 23 und 24 angebracht ist.
Aus 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer besonderen Gestaltung der Außenelektroden 23 und 24 zu entnehmen, bei der die Isolationsmassen 21 nur im Bereich der Außenelektroden 23 und 24 angebracht sind. Zur besseren Haftung der Isolationsmassen 21 sind hier die Außenelektrode 23 und 24 halbkreisförmig zwischen den seitlichen Kontaktierungen gewölbt in die Isolationsmasse 21 eingebettet.
4 zeigt eine Abwandlung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer keilförmig in die Isolationsmasse 21 hineingeführten Außenelektrode 24; die hier nicht gezeigte Außenelektrode 23 ist dabei identisch ausgebildet. In 5 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach der 4 gezeigt, bei der die Außenelektrode 24 auf einer Seite noch in die Isolationsmasse 21 ohne elektrische Kontaktierung hineingeführt ist.
6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel mit einer rechteckförmig gewölbt in die Isolationsmasse 21 eingebetteten Außenelektrode 24. Aus 7 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem die hier beispielhaft gezeigte Außenelektrode 24 sich mit separaten Stegen 24a und 24b in die Isolationsmasse 21 erstreckt.

Claims

Anordnung mit einem Piezoaktor, bestehend aus zwischen einem Aktorfuß (4) und einem Aktorkopf (5) eingespannten Piezoelementen (3) und einer den Piezoaktor umgebende Hülse (11), wobei zwischen der Hülse (11) und den Piezoelementen (3) mindestens teilweise eine Isolationsmasse (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsmasse (21) Keramikpartikel (22) enthält.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikpartikel (22) in einer solchen Dosierung in die Isolationsmasse (21) eingebettet sind, dass eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Piezoaktor und der Hülse (11) erreicht ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsmasse (21) wulstartig im Bereich der Seitenflächen der Piezoelemente (3) angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsmasse (21) nur auf den Seitenflächen mit Außenelektroden (23, 24) zur Kontaktierung der an den Piezoelementen (3) angebrachten Innenelektroden angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden (23, 24) in ihrer flächenhaften Ausdehnung teilweise innerhalb der Isolationsmasse (21) eingebettet sind.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden (23, 24) in ihrer Längserstreckung in Richtung des Lagenaufbaus an der jeweiligen Seitenfläche der Piezoelemente (3) seitlich mit den Innenelektroden zumindest teilweise kontaktiert sind und sich dazwischen halbkreisförmig, keil- oder rechteckförmig in die Isolationsmasse (21) erstrecken.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden (23, 24) in ihrer Längserstreckung in Richtung des Lagenaufbaus an der jeweiligen Seitenfläche der Piezoelemente (3) seitlich mit den Innenelektroden kontaktiert sind und sich mit separaten Stegen (24a, 24b) in die Isolationsmasse (21) erstrecken.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Anordnung gebildete Piezoaktormodul (20) Bestandteil eines Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor ist, wobei der Kraftstoff die Hülse (11) des Piezoaktormoduls (20) umströmt.