DE102007004559B4 - Piezo actuator module or piezo actuator with a covering protective layer system and method for producing such a protective layer system - Google Patents

Piezo actuator module or piezo actuator with a covering protective layer system and method for producing such a protective layer system Download PDF

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Abstract

Piezoaktormodul (3), bestehend aus einem Aktorfuß (5) und einem Aktorkopf (4) und dazwischen eingefassten Piezoelementen (6) als Piezoaktor (20) sowie mit einem Schutzschichtsystem aus einem mindestens den Piezoaktor (20) umgebenden Isolationsmedium (21) und einer darüberliegenden metallischen Ummantelung (22), dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmedium (21) zumindest teilweise als eine verdichtete Schüttung (24) ausgeführt ist.Piezo actuator module (3), consisting of an actuator foot (5) and an actuator head (4) and piezo elements (6) enclosed between them as a piezo actuator (20) and with a protective layer system comprising an insulation medium (21) surrounding at least the piezo actuator (20) and an overlying one Metallic casing (22), characterized in that the insulation medium (21) is at least partially designed as a compressed bed (24).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen zumindest teilweise ummantelten, beispielsweise von flüssigen Medien umströmten Piezoaktor oder ein Piezoaktormodul mit einem Schutzschichtsystem nach den gattungsgemäßen Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzschichtsystems für einen Piezoaktor oder ein Piezoaktormodul nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs 14.The invention relates to an at least partially encased piezo actuator, for example flowed around by liquid media, or a piezo actuator module with a protective layer system according to the generic features of claims 1 or 2, and to a method for producing a protective layer system for a piezo actuator or a piezo actuator module according to the generic features of claim 14 ,

Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors Piezoelemente so eingesetzt werden, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Die Piezoelemente sind aus Piezolagen aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden, die die Piezolagen jeweils einschließen, eine mechanische Reaktion der Piezoelemente erfolgt.It is known per se that for the construction of the above-mentioned piezo actuator, piezo elements are used in such a way that the needle stroke of a valve or the like can be controlled using the so-called piezo effect. The piezo elements are constructed from piezo layers made of a material with a suitable crystal structure such that when an external electrical voltage is applied to internal electrodes, each of which includes the piezo layers, the piezo elements undergo a mechanical reaction.

In Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung stellt die mechanische Reaktion einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung dar. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.Depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, the mechanical reaction represents a push or pull in a predeterminable direction. Piezo actuators of this type are suitable, for example, for applications in which stroke movements take place under high actuation forces and high clock frequencies.

Beispielsweise ist ein solcher Piezoaktor als Bestandteil eines Piezoinjektors aus der DE 10026005 A1 bekannt, der zur Ansteuerung der Düsennadel bei Injektoren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors verwendet werden kann. Bei diesem Piezoaktor ist ein Stapel mehrerer elektrisch und mechanisch miteinander gekoppelter Piezoelemente vorhanden, der über einen Aktorfuß und einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen zwei Anschlägen gehalten ist. Aufgrund der angelegten elektrischen Spannung führen die Piezoelemente dann die erwähnten jeweils kleinen 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.For example, such a piezo actuator is part of a piezo injector DE 10026005 A1 known that can be used to control the nozzle needle in injectors for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine. In this piezo actuator, a stack of several electrically and mechanically coupled piezo elements is present, which is held under tension between two stops via an actuator foot and an actuator head. Due to the applied electrical voltage, the piezo elements then carry out the small stroke movements mentioned in the direction of the potential gradient, which add up to the total stroke of the piezo actuator. This total stroke can be changed via the level of the applied voltage and can be transferred to a mechanical actuator.

Solche bekannte Anordnungen werden häufig als Aktormodule zur Einbringung von Kraftstoff in direkt einspritzende Dieselmotoren als sogenannte 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.Such known arrangements are often used as actuator modules for introducing fuel into direct-injection diesel engines as so-called common rail systems. In these systems known as common rail injectors, the injection pressure can be easily adapted to the load and speed of the internal combustion engine.

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.These common rail injectors can be constructed in such a way that there is a nozzle needle controlled indirectly by the piezo actuator, the piezo actuator being directly or indirectly surrounded by the pressure of the fuel and only a hydraulic coupling space being provided between the nozzle needle and the piezo actuator.

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.In the case of such injection systems in particular, it is important that the relatively sensitive piezo actuator in the interior of a holding body is constructed to be media-resistant. The piezo actuator must be resistant to the different fuels as well as to changing pressures and temperatures. Furthermore, safe handling is required during assembly and transport, and protection against mechanical shock or pressure, in particular with regard to the electrical insulation, is also required.

Um eine elektrische und mechanische Isolierung des Piezoaktors zu erreichen, wird oft eine Ummantelung des Piezoaktormoduls vorgeschlagen. Aus der DE 10230032 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. Aus der DE 198 56 185 A1 ist darüber hinaus ein piezoelektrischer Antrieb bekannt, der einen Piezoaktor mit einer Modulwand mit einer elektrischen isolationsschicht zeigt.In order to achieve electrical and mechanical insulation of the piezo actuator, a casing of the piezo actuator module is often proposed. From the DE 10230032 A1 To avoid the disadvantages described above, an arrangement with a piezo actuator in flowing media is known, in which the ceramic layers of the piezo element are encapsulated in a shape-changing insulation compound, which in turn is introduced as a sleeve in a metal housing jacket which is sealed to the side and at the upper and lower ends is. From the DE 198 56 185 A1 a piezoelectric drive is also known, which shows a piezo actuator with a module wall with an electrical insulation layer.

Ein Nachteil der bekannten vergossenen Isolationsmasse ist deren hoher, von den Piezoelementen stark abweichender Wärmeausdehnungskoeffizient, was insbesondere bei Anwendungen in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, bei denen während des Betriebs beispielsweise von einem winterlichen Kaltstart bis hin zu Volllast erhebliche Temperaturveränderungen auftreten, zu erheblichen Schwierigkeiten führen kann. Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch den Umgang mit zur Herstellung der Isolationsmasse geeigneten Werkstoffen zum Vergießen während der Fertigung. So dürfen beispielsweise beim irreversiblen Vergießen des Zwischenraums zwischen Piezoelementen und metallischer Hülse bestimmte Bereiche nicht mit der Isolationsmasse vergossen und auch nicht mit der Isolationsmasse verschmutzt werden, welche ansonsten anhaften bliebe. Darüber hinaus ist der Aufwand zur Reinigung der Fertigungsanlagen sehr hoch, etwa um Verstopfungen durch aushärtende Isolationsmasse vorzubeugen oder um Verschmutzungen durch abtropfende Isolationsmasse zu beseitigen.A disadvantage of the known encapsulated insulation compound is its high coefficient of thermal expansion, which differs greatly from the piezo elements, which can lead to considerable difficulties particularly in applications in internal combustion engines of motor vehicles, in which considerable temperature changes occur during operation, for example from a cold winter start to full load. Another disadvantage arises from the handling of materials suitable for casting the insulation compound for potting during manufacture. For example, in the case of irreversible potting of the space between the piezo elements and the metallic sleeve, certain areas may not be potted with the insulating compound and may not be contaminated with the insulating compound which would otherwise remain attached. In addition, the effort required to clean the production systems is very high, for example to prevent blockages caused by hardening insulation compound or to remove dirt from dripping insulation compound.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Piezoaktormodul oder Piezoaktor aus, wobei das Piezoaktormodul aus einem Aktorfuß und einem Aktorkopf und dazwischen eingefassten Piezoelementen als Piezoaktor besteht. Es ist ein Schutzschichtsystem aus einem mindestens den Piezoaktor umgebenden, insbesondere elektrisch isolierenden Isolationsmedium und einer darüberliegenden metallischen Ummantelung vorhanden, bei dem gemäß Anspruch 1 in vorteilhafter Weise das zumindest teilweise den Zwischenraum zwischen metallischer Ummantelung und Piezoelementen einnehmende Isolationsmedium zumindest teilweise als eine verdichtete Schüttung ausgeführt ist.The invention is based on a piezo actuator module or piezo actuator described at the outset, the piezo actuator module consisting of an actuator base and an actuator head and piezo elements enclosed between them as a piezo actuator. There is a protective layer system consisting of an at least electrically insulating insulation medium surrounding at least the piezo actuator and an overlying metallic sheathing, in which, according to claim 1, the insulation medium at least partially taking up the space between the metallic sheath and the piezo elements is at least partially designed as a compressed bed ,

Gemäß der in dem nebengeordneten Anspruch 2 angegebenen Erfindung ist das zwischen Piezoaktor und metallischer Ummantelung angeordnete Isolationsmedium zumindest teilweise als eine verdichtete Schüttung ausgeführt.According to the invention specified in the independent claim 2, the insulation medium arranged between the piezo actuator and the metallic casing is at least partially designed as a compressed bed.

Ein zumindest teilweise als verdichtete Schüttung ausgeführtes Isolationsmedium ist sehr kostengünstig herstellbar und weist im Hinblick auf die in Frage kommenden Materialien einen nur kleinen bzw. an die Piezoelemente anpassbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Im Vergleich zu den für ein vergossenes Isolationsmedium in Frage kommenden Werkstoffen stehen für eine verdichtete Schüttung wesentlich mehr Materialien oder auch Mischungen aus mehreren Materialien zur Verfügung, sodass eine Anpassung insbesondere in Bezug auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten wesentlich einfacher möglich ist.An insulation medium that is at least partially designed as a compacted bed can be produced very inexpensively and, with regard to the materials in question, has only a small coefficient of thermal expansion or can be adapted to the piezo elements. Compared to the materials that are suitable for a potted insulation medium, there are significantly more materials or mixtures of several materials available for a compacted bed, so that an adjustment, in particular with regard to the coefficient of thermal expansion, is much easier.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein für die verdichtete Schüttung verwendetes, vorzugsweise ein Keramik- und/oder ein Glaspulver umfassendes Material oder ein für die verdichtete Schüttung verwendetes Materialgemisch aus mehreren Materialien im unverdichteten Zustand rieselfähig ist.An advantageous embodiment of the invention provides that a material used for the compacted bed, preferably comprising a ceramic and / or a glass powder, or a material mixture made of several materials used for the compacted bed is free-flowing in the non-compacted state.

Eine Verwendung eines rieselfähigen Materials oder Materialgemischs wirkt sich vorteilhaft auf den Herstellungsprozess aus, da das Material oder Materialgemisch beispielsweise ohne besondere Hilfsmittel transportiert, abgefüllt und zwischen metallische Ummantelung und Piezoaktor eingebracht werden kann.The use of a free-flowing material or mixture of materials has an advantageous effect on the manufacturing process, since the material or mixture of materials can be transported, filled and inserted between the metallic casing and the piezo actuator, for example, without special aids.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das für die verdichtete Schüttung verwendete Material oder Materialgemisch eine runde Körnung aufweist.Another advantageous embodiment of the invention provides that the material or material mixture used for the compacted fill has a round grain.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Material oder als Materialmischung für die verdichtete Schüttung ein Keramik- und/oder ein Glaspulver vorgesehen. Eine aus einem Keramik- und/oder Glaspulver bestehende, verdichtete Schüttung ist unempfindlich gegenüber Feuchtigkeitsaufnahme, ist temperaturunempfindlich und weist keine unerwünschten Alterungsprozesse auf.According to a particularly advantageous embodiment of the invention, a ceramic and / or a glass powder is provided as the material or as a material mixture for the compressed bed. A compacted bed consisting of a ceramic and / or glass powder is insensitive to moisture absorption, is insensitive to temperature and has no undesired aging processes.

Eine zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Keramik-und/oder Glaspulver eine Körnung zwischen 30 µm und 120 µm aufweist.An additional advantageous embodiment of the invention provides that the ceramic and / or glass powder has a grain size between 30 μm and 120 μm.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen Isolationsmedium und Piezoaktor mindestens eine zusätzliche Schutzschicht angeordnet ist, sodass die verdichtete Schüttung zwischen der zusätzlichen Schutzschicht und der metallischen Ummantelung angeordnet ist. Vorzugsweise umhüllt die zusätzliche Schutzschicht die Piezoelemente bzw. den Piezoaktor unmittelbar. Die zusätzliche Schutzschicht ist vorzugsweise als eine Lackschicht ausgeführt. Die Lackschicht ist vorzugsweise direkt auf die Piezoelemente bzw. den Piezoaktor aufgetragen.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that at least one additional protective layer is arranged between the insulation medium and the piezo actuator, so that the compressed bed is arranged between the additional protective layer and the metallic sheathing. The additional protective layer preferably envelops the piezo elements or the piezo actuator directly. The additional protective layer is preferably designed as a lacquer layer. The lacquer layer is preferably applied directly to the piezo elements or the piezo actuator.

Die metallische Ummantelung besteht vorzugsweise aus einer metallischen Hülse oder aus einer Metallfolie.The metallic sheathing preferably consists of a metallic sleeve or a metallic foil.

Vorzugsweise ist zwischen Aktorkopf, metallischer Ummantelung und der verdichteten Schüttung ein umlaufender Dichtring angeordnet.A circumferential sealing ring is preferably arranged between the actuator head, the metallic casing and the compressed bed.

Ebenso ist denkbar, zwischen Aktorkopf, metallischer Ummantelung und verdichteter Schüttung oder zwischen Aktorkopf, metallischer Ummantelung und Dichtring eine Kunststoffumspritzung vorzusehen.It is also conceivable to provide a plastic encapsulation between the actuator head, metallic sheathing and compressed bed or between the actuator head, metallic sheathing and sealing ring.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Verwendung eines oben beschriebenen Piezoaktors oder eines Piezoaktormoduls als Bestandteil eines Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor, wobei der Kraftstoff das Schutzschichtsystem umströmt.Another object of the invention relates to the use of a piezo actuator described above or a piezo actuator module as part of a piezo injector for an injection system for fuel in an internal combustion engine, the fuel flowing around the protective layer system.

Ein anderer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzschichtsystems für ein Piezoaktormodul, bestehend aus einem Aktorfuß und einem Aktorkopf und dazwischen eingefassten Piezoelementen als Piezoaktor oder für einen Piezoaktor, der ein solches Schutzschichtsystem mit mindestens einem den Piezoaktor umgebenden, zumindest teilweise als verdichtete Schüttung ausgeführtes Isolationsmedium und eine darüberliegende metallische Ummantelung umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:

  • - Anordnen der metallischen Ummantelung am Aktorfuß um den Piezoaktor herum, indem die metallische Ummantelung am Aktorfuß beispielsweise mit einer umlaufenden Laserschweißverbindung und/oder mit einer Kunststoffumspritzung befestigt wird, sodass zwischen Piezoaktor und metallischer Ummantelung ein durch den Aktorfuß einseitig verschlossener Ringraum verbleibt,
  • - Aufbringung einer Aktorvorspannung,
  • - Einschütten eines für eine verdichtete Schüttung geeigneten, rieselfähigen Materials oder Materialgemischs in den Ringraum,
  • - Verdichten des rieselfähigen Materials oder Materialgemischs durch gezielte Pulsierung des Piezoaktors,
  • - Anordnung eines den Ringraum mit darin enthaltener verdichteter Schüttung abschließenden Dichtrings zwischen metallischer Ummantelung und Piezoaktor, sowie
  • - Anordnen des Aktorkopfes am verbleibenden freien Ende des Piezoaktors.
Another object of the invention relates to a method for producing a protective layer system for a piezo actuator module, consisting of an actuator base and an actuator head and piezo elements enclosed between them as a piezo actuator or for a piezo actuator that has such a protective layer system with at least one, at least partially as a packed bed surrounding the piezo actuator Insulation medium carried out and an overlying metallic sheath. The method according to the invention comprises the method steps:
  • - Arranging the metallic sheathing on the actuator foot around the piezo actuator, in that the metallic sheathing is fastened to the actuator foot, for example with a circumferential laser welded connection and / or with plastic encapsulation, so that an annular space closed on one side by the actuator foot remains between the piezo actuator and the metallic sheathing,
  • - application of an actuator preload,
  • Pouring a free-flowing material or material mixture suitable for a compacted fill into the annular space,
  • Compression of the free-flowing material or material mixture by targeted pulsation of the piezo actuator,
  • - Arrangement of a sealing ring that closes off the annular space with the compressed bed contained therein, between the metallic sheathing and the piezo actuator, and
  • - Arranging the actuator head on the remaining free end of the piezo actuator.

Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn der Piezoaktor- und Piezoaktormodulaufbau unmittelbar an einem Fertigungsort, beispielsweise auf einer Fertigungslinie, unterbrechungsfrei in einem Fertigungsfluss erfolgt, da der Umgang erst mit Fertigstellung des Piezoaktormoduls unproblematisch ist.It is very advantageous if the piezo actuator and piezo actuator module assembly is carried out directly at a production site, for example on a production line, without interruption in a production flow, since handling is unproblematic only when the piezo actuator module is completed.

Figurenlistelist of figures

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Piezoaktormoduls wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 einen Schnitt durch Teile eines Piezoinjektors mit einem erfindungsge mäßen, ummantelten Piezoaktormodul mit einem Aktorkopf, Piezoelementen als Piezoaktor und einem Aktorfuß, und
  • 2 einen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes, ummanteltes Piezoaktormodul mit einem Schutzschichtsystem aus einem als verdichtete Schüttung ausgeführten Isolationsmedium und einer das Isolationsmedium umhüllenden metallischen Umhüllung.
An embodiment of a piezo actuator module according to the invention is explained with reference to the drawings. Show it:
  • 1 a section through parts of a piezo injector with an inventive, sheathed piezo actuator module with an actuator head, piezo elements as a piezo actuator and an actuator foot, and
  • 2 a partial section through an encased piezo actuator module according to the invention with a protective layer system consisting of an insulation medium designed as a compacted bed and a metallic sheath enveloping the insulation medium.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

Ein in 1 dargestellter Piezoinjektor 1 umfasst im Wesentlichen einen Haltekörper 2 und einen in dem Haltekörper 2 angeordnetes Piezoaktormodul 3, das unter anderem einen Aktorkopf 4 und einen Aktorfuß 5 aufweist. Es sind dabei zwischen dem Aktorkopf 4 und dem Aktorfuß 5 mehrere übereinandergestapelte Piezoelemente 6 zur Bildung des eigentlichen Piezoaktors 20 vorhanden, die jeweils aus Piezolagen aus Piezokeramik und diese einschließende Innenelektroden 7 und 8 bestehen.An in 1 shown piezo injector 1 essentially comprises a holding body 2 and one in the holding body 2 arranged piezo actuator module 3 , which among other things an actuator head 4 and an actuator foot 5 having. It is between the actuator head 4 and the actuator foot 5 several stacked piezo elements 6 to form the actual piezo actuator 20 available, each made of piezoceramic layers and these enclosing internal electrodes 7 and 8th consist.

Die Innenelektroden 7 und 8 der Piezoelemente 6 sind mit Außenelektroden 10 und 11 und dann über ein Steckerteil 9 elektrisch kontaktiert. Das Piezoaktormodul 3 ist über einen Koppler 12 mit einer Düsennadel 13 verbunden. Durch Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente 6 über die Innenelektroden 7 und 8 und die daraus folgende mechanische Reaktion wird, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert, eine Düsenöffnung 14 freigegeben. Das Piezoaktormodul 3 wird bei der dargestellten Anwendung nach der 1 als Piezoinjektor 1 in einem Raum 15 von dem mit dem Piezoinjektor 1 zu dosierenden Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor umströmt.The internal electrodes 7 and 8th of the piezo elements 6 are with external electrodes 10 and 11 and then via a plug part 9 electrically contacted. The piezo actuator module 3 is via a coupler 12 with a nozzle needle 13 connected. By applying a voltage to the piezo elements 6 over the internal electrodes 7 and 8th and the resulting mechanical reaction, as explained in the introduction to the description, becomes a nozzle opening 14 Approved. The piezo actuator module 3 is in the application shown after the 1 as a piezo injector 1 in a room 15 from the one with the piezo injector 1 flows around metered fuel for an internal combustion engine.

In 2 ist das den Piezoaktor 20 umfassende Piezoaktormodul 3 detailliert dargestellt. Zur Vereinfachung sind die den Piezoaktor 20 bildenden Piezoelemente nicht im Einzelnen dargestellt. Das Piezoaktormodul 3 verfügt über ein Schutzschichtsystem aus einem mindestens den Piezoaktor 20 umgebenden Isolationsmedium 21 und einer um das Isolationsmedium 21 herum angeordneten metallischen Ummantelung 22, beispielsweise einer Metallfolie oder einer Metallhülse. Die metallische Ummantelung 22 reicht vom Aktorkopf 4 zum Aktorfuß 5. Die metallische Ummantelung 22 ist am Aktorfuß 5 mit einer umlaufenden Laserschweißnaht befestigt. Das Isolationsmedium 21 ist als verdichtete Schüttung 24 aus einem in unverdichtetem Zustand rieselfähigen Material ausgeführt. Das Material für die verdichtete Schüttung 24 ist ein Keramik- und/oder ein Glaspulver mit einer runden Körnung zwischen 30 µm und 120 µm. Das Keramik- und/oder Glaspulver ist nicht zwischen Piezoaktor 20 und metallischer Ummantelung 22 eingebrannt. Zwischen verdichteter Schüttung 24 und Piezoaktor 20 ist eine zusätzliche Schutzschicht 23 in Form einer direkt auf die Piezoelemente bzw. den Piezoaktor 20 aufgetragenen Lackschicht angeordnet, sodass die verdichtete Schüttung 24 zwischen der zusätzlichen Schutzschicht 23 und der metallischen Ummantelung 22 angeordnet ist. Zwischen Aktorkopf 4, metallischer Ummantelung 22 und verdichteter Schüttung 24 ist ein umlaufender Dichtring 25 angeordnet. Der Bereich zwischen Aktorkopf 4, metallischer Ummantelung 22 und umlaufendem Dichtring 25 ist mit einer Kunststoffumspritzung 26 versehen. Die Kunststoffumspritzung 25 besteht vorzugsweise aus einer Epoxidmoldmasse.In 2 is the piezo actuator 20 comprehensive piezo actuator module 3 presented in detail. To simplify, they are the piezo actuator 20 forming piezo elements are not shown in detail. The piezo actuator module 3 has a protective layer system consisting of at least the piezo actuator 20 surrounding insulation medium 21 and one around the insulation medium 21 metallic casing arranged around 22 , for example a metal foil or a metal sleeve. The metallic casing 22 extends from the actuator head 4 to the actuator foot 5 , The metallic casing 22 is at the actuator foot 5 attached with a circumferential laser weld seam. The insulation medium 21 is as a compacted bed 24 made of a free flowing material in an uncompressed state. The material for the compacted fill 24 is a ceramic and / or a glass powder with a round grain between 30 µm and 120 µm. The ceramic and / or glass powder is not between the piezo actuator 20 and metallic sheathing 22 baked. Between compacted fill 24 and piezo actuator 20 is an additional protective layer 23 in the form of a directly on the piezo elements or the piezo actuator 20 applied layer of lacquer arranged so that the compacted fill 24 between the additional protective layer 23 and the metallic casing 22 is arranged. Between actuator head 4 , metallic sheathing 22 and compacted fill 24 is a circumferential sealing ring 25 arranged. The area between the actuator head 4 , metallic sheathing 22 and all-round sealing ring 25 is with a plastic coating 26 Mistake. The plastic encapsulation 25 consists preferably of an epoxy molding compound.

Die Herstellung der verdichteten Schüttung 24 des Schutzschichtsystems läuft wie folgt ab: Durch Anordnen der metallischen Ummantelung 22 am Aktorfuß 5 um den Piezoaktor 20 herum, beispielsweise durch Befestigen der metallischen Ummantelung 22 am Aktorfuß durch eine umlaufende Laserschweißverbindung und/oder eine Kunststoffumspritzung, entsteht zwischen Piezoaktor und metallischer Ummantelung ein durch den Aktorfuß 5 einseitig verschlossener Ringraum. Nachdem die metallische Ummantelung 22 am Aktorfuß 5 angeordnet ist, wird eine Aktorvorspannung auf den Piezoaktor 20 aufgebracht, beispielsweise durch Anlegen einer Spannung über das Steckerteil 9. Anschließend wird ein für die verdichtete Schüttung 24 geeignetes Material, wie etwa ein Keramik- oder ein Glaspulver, welches im unverdichteten Zustand rieselfähig ist, in den Ringraum hineingeschüttet. Nachdem das zumindest vor dem Verdichten rieselfähige Material in den Ringraum hineingeschüttet wurde, wird das Material durch gezielte Pulsierung des Piezoaktors 20 verdichtet. Im Anschluss an das Verdichten wird ein den Ringraum mit darin enthaltener verdichteter Schüttung 24 abschließender umlaufender Dichtring 25 zwischen metallischer Ummantelung 22 und Piezoaktor 20 angeordnet und der Aktorkopf 4 am verbleibenden freien Ende des Piezoaktors 20 befestigt.The production of the compacted bed 24 of the protective layer system works as follows: By arranging the metallic sheathing 22 at the actuator foot 5 around the piezo actuator 20 around, for example by attaching the metallic casing 22 on the actuator foot by a circumferential laser welded connection and / or a plastic encapsulation, the actuator foot creates between the piezo actuator and the metallic sheathing 5 ring space closed on one side. After the metallic sheathing 22 at the actuator foot 5 is arranged, an actuator bias on the piezo actuator 20 applied, for example by applying a voltage across the plug part 9 , Then one for the compacted bed 24 suitable material, such as a ceramic or a glass powder, which is free-flowing in the uncompressed state, poured into the annular space. After the free-flowing material has been poured into the annular space, at least before the compression, the material is pumped through a targeted pulsation of the piezo actuator 20 compacted. Following the compression, the annular space with the compressed bed contained therein 24 final all-round sealing ring 25 between metallic sheathing 22 and piezo actuator 20 arranged and the actuator head 4 at the remaining free end of the piezo actuator 20 attached.

Claims (14)

Piezoaktormodul (3), bestehend aus einem Aktorfuß (5) und einem Aktorkopf (4) und dazwischen eingefassten Piezoelementen (6) als Piezoaktor (20) sowie mit einem Schutzschichtsystem aus einem mindestens den Piezoaktor (20) umgebenden Isolationsmedium (21) und einer darüberliegenden metallischen Ummantelung (22), dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmedium (21) zumindest teilweise als eine verdichtete Schüttung (24) ausgeführt ist.Piezo actuator module (3), consisting of an actuator foot (5) and an actuator head (4) and piezo elements (6) enclosed between them as a piezo actuator (20) and with a protective layer system comprising an insulation medium (21) surrounding at least the piezo actuator (20) and an overlying one Metallic sheathing (22), characterized in that the insulation medium (21) is at least partially designed as a compressed bed (24). Piezoaktor (20) mit Piezoelementen (6) und mit einem Schutzschichtsystem aus einem mindestens die Piezoelemente (6) umgebenden Isolationsmedium (21) und einer darüberliegenden metallischen Ummantelung, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmedium (21) zumindest teilweise als eine verdichtete Schüttung (24) ausgeführt ist.Piezo actuator (20) with piezo elements (6) and with a protective layer system consisting of an insulation medium (21) surrounding at least the piezo elements (6) and an overlying metallic sheath, characterized in that the insulation medium (21) at least partially as a compressed bed (24) is executed. Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein für die verdichtete Schüttung (24) verwendetes Material oder Materialgemisch zumindest im unverdichteten Zustand rieselfähig ist.Piezo actuator module or piezo actuator after Claim 1 or 2 , characterized in that a material or material mixture used for the compressed bed (24) is free-flowing at least in the non-compressed state. Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das für die verdichtete Schüttung (24) verwendete Material oder Materialgemisch eine runde Körnung aufweist.Piezo actuator module or piezo actuator after Claim 3 , characterized in that the material or material mixture used for the compressed bed (24) has a round grain. Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material oder Materialgemisch für die verdichtete Schüttung (24) ein Keramik- und/oder ein Glaspulver verwendet wird.Piezo actuator module or piezo actuator according to one of the preceding claims, characterized in that a ceramic and / or a glass powder is used as the material or material mixture for the compressed bed (24). Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramik- und/oder Glaspulver eine Körnung zwischen 30 µm und 120 µm aufweist.Piezo actuator module or piezo actuator after Claim 5 , characterized in that the ceramic and / or glass powder has a grain size between 30 microns and 120 microns. Piezoaktor oder Piezoaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Isolationsmedium (21) und Piezoaktor (20) mindestens eine zusätzliche Schutzschicht (23) angeordnet ist.Piezo actuator or piezo actuator module according to one of the preceding claims, characterized in that at least one additional protective layer (23) is arranged between the insulation medium (21) and the piezo actuator (20). Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schutzschicht (23) als eine Lackschicht ausgeführt ist.Piezo actuator module or piezo actuator after Claim 7 , characterized in that the additional protective layer (23) is designed as a lacquer layer. Piezoaktor oder Piezoaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Ummantelung (22) aus einer metallischen Hülse besteht.Piezo actuator or piezo actuator module according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic casing (22) consists of a metallic sleeve. Piezoaktor oder Piezoaktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Ummantelung (22) aus einer Metallfolie besteht.Piezo actuator or piezo actuator module according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the metallic casing (22) consists of a metallic foil. Piezoaktor oder Piezoaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Aktorkopf (4), metallischer Ummantelung (22) und der verdichteten Schüttung (24) ein umlaufender Dichtring (25) vorgesehen ist.Piezo actuator or piezo actuator module according to one of the preceding claims, characterized in that a circumferential sealing ring (25) is provided between the actuator head (4), metallic sheathing (22) and the compressed bed (24). Piezoaktor oder Piezoaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Aktorkopf (4), metallischer Ummantelung (22) und verdichteter Schüttung (24) oder Dichtring (25) eine Kunststoffumspritzung vorgesehen ist.Piezo actuator or piezo actuator module according to one of the preceding claims, characterized in that a plastic extrusion coating is provided between the actuator head (4), metallic sheathing (22) and compressed packing (24) or sealing ring (25). Verwendung eines Piezoaktors (20) oder eines Piezoaktormoduls (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (20) oder das Piezoaktormodul (3) Bestandteil eines Piezoinjektors (1) für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor ist, wobei der Kraftstoff das Schutzschichtsystem umströmt.Use of a piezo actuator (20) or a piezo actuator module (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo actuator (20) or the piezo actuator module (3) is part of a piezo injector (1) for an injection system for fuel in an internal combustion engine, wherein the fuel flows around the protective layer system. Verfahren zur Herstellung eines Schutzschichtsystems für ein Piezoaktormodul (3), bestehend aus einem Aktorfuß (5) und einem Aktorkopf (4) und dazwischen eingefassten Piezoelementen (6) als Piezoaktor (20) oder für einen Piezoaktor (20), welches Schutzschichtsystem ein mindestens den Piezoaktor (20) umgebendes, zumindest teilweise als verdichtete Schüttung (24) ausgeführtes Isolationsmedium (21) und eine darüberliegende metallische Ummantelung (22) umfasst, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: - Anordnen der metallischen Ummantelung (22) am Aktorfuß (5) um den Piezoaktor (20) herum, sodass zwischen Piezoaktor (20) und metallischer Ummantelung (22) ein durch den Aktorfuß (5) einseitig verschlossener Ringraum verbleibt, - Aufbringung einer Aktorvorspannung, - Einschütten eines rieselfähigen Materials oder Materialgemischs in den Ringraum, - Verdichten des rieselfähigen Materials oder Materialgemischs durch gezielte Pulsierung des Piezoaktors (20), - Anordnung eines den Ringraum mit darin enthaltener verdichteter Schüttung (24) abschließenden Dichtrings zwischen metallischer Ummantelung (22) und Piezoaktor (20), sowie - Anordnen des Aktorkopfes (4) am verbleibenden freien Ende des Piezoaktors (20).Method for producing a protective layer system for a piezo actuator module (3), consisting of an actuator base (5) and an actuator head (4) and piezo elements (6) enclosed between them as a piezo actuator (20) or for a piezo actuator (20), which protective layer system provides at least one Insulating medium (21) surrounding the piezo actuator (20), at least partially in the form of a compressed bed (24), and an overlying metallic sheath (22), characterized by the method steps: Arranging the metallic sheathing (22) on the actuator foot (5) around the piezo actuator (20) so that an annular space closed on one side by the actuator foot (5) remains between the piezo actuator (20) and the metallic sheathing, - applying an actuator pretension, Pouring a free-flowing material or material mixture into the annular space, - compressing the free-flowing material or material mixture by targeted pulsation of the piezo actuator (20), - arranging a sealing ring between the metallic casing (22) and the piezo actuator (sealing the annular space with the compressed bed (24) contained therein) 20), and - arranging the actuator head (4) on the remaining free end of the piezo actuator (20).
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