DE102007044751A1

DE102007044751A1 - Piezoaktormodul mit mehreren Piezoaktoren

Info

Publication number: DE102007044751A1
Application number: DE102007044751A
Authority: DE
Inventors: Nicole Neumann; Helmut Sommariva
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Es wird ein Piezoaktormodul (1) mit mindestens zwei in der mechanischen Wirkungsrichtung hintereinander geschalteten Piezoaktoren (2, 3) vorgeschlagen, die zwischen einem Aktorkopf (8) und einem Aktorfuß (9) eingespannt sind. Mindestens die stirnseitigen Verbindungsflächen (4, 5) der sich gegenüberliegenden Piezoaktoren (2, 3) oder auch zu dem Aktorkopf (8) und/oder zum Aktorfuß (9) weisen jeweils eine Wölbung derart auf, dass die stirnseitig aneinanderliegenden Verbindungsflächen (4, 5; 6, 7; 10, 11) ein Gelenk bilden, das in Abhängigkeit von der Größe und Richtung des auf die stirnseitigen Verbindungsflächen (4, 5; 6, 7; 10, 11) wirkenden Drucks eine Anpassung der Lage und/oder der Ausrichtung der Piezoaktoren (2, 3) ermöglicht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Piezoaktormodul mit einer Anordnung von mehreren mechanisch in Reihe geschalteten Piezoaktoren, vorzugsweise zur Verwendung in einem Piezoinjektor, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Ein solcher Piezoinjektor besteht im wesentlichen aus einem Haltekörper und dem in dem Haltekörper angeordneten Piezoaktormodul, das die zwischen einem Kopf- und Fußteil und Anbindebauteilen angeordneten Piezoaktoren aufweist, die jeweils aus mehreren übereinandergestapelten Piezoelementen aufgebaut sind.
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 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 in sogenannten Common Rail Einspritzsystemen (CR-Injektor) aus der DE 10026005 A1 bekannt. Bei diesem Piezoaktor sind ebenfalls Piezoelemente als Stapel angeordnet, der über einen Aktorfuß und einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen zwei Anschlägen gehalten ist. Jede Piezolage ist auch hier zwischen zwei Innenelektroden einge fasst, über die von außen eine elektrische Spannung angelegt 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.
Bei diesen bekannten CR-Injektoren ist in der Regel eine indirekt vom Piezoaktormodul gesteuerte Düsennadel als Kraftstoffventil vorhanden, wobei die Piezoaktoren eine Realisierung der Öffnungs- und Schließfunktion ermöglicht. Für eine Anwendung dieser Piezoinjektoren mit direkter Nadelsteuerung in einem Kraftstoffdruck bis zu 2000 bar reicht jedoch der Hub eines einzelnen Piezoaktors nicht zu der direkten Steuerung aus. Der notwendige Mindesthub kann nun dadurch realisiert werden, dass mindestens zwei Piezoaktoren stirnseitig zu einer Aktorreihe aneinandergefügt werden.
Es ist dabei hinlänglich bekannt, dass diese Reihe aus mehreren einzelnen Piezoaktoren beispielsweise zusammengeklebt ist und mit einem Aktorkopf und einem Aktorfuß gekapselt in einer metallischen Hülse das Herzstück des zuvor erläuterten Piezoinjektors bildet. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass bei einem solchen Piezoaktormodul mit einer relativ großen Länge im Verhältnis zum Durchmesser die Möglichkeit zu einer Ausrichtung gegeben sein sollte, um dadurch eventuell auftretende mechanische Spannungen abzubauen ohne das Piezoaktormodul bzw. die einzelnen Piezoaktoren zu beschädigen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem Piezoaktormodul mit mindestens zwei in der mechanischen Wirkungsrichtung hintereinander geschalteten Piezoaktoren aus, die zwischen einem Aktorkopf und einem Aktorfuß eingespannt sind. Erfindungsgemäß weist mindestens eine der stirnseitigen Verbindungsflächen der sich gegenüberliegenden Piezoaktoren in vorteilhafter Weise jeweils eine Wölbung derart auf, sodass die stirnseitig aneinanderliegenden Verbindungsflächen ein Gelenk bilden, das in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung des auf die stirnseitigen Verbindungsflächen wirkenden Drucks eine Anpassung der Lage und/oder der Ausrichtung der Piezoaktoren ermöglicht.
Es ist darüber hinaus auch noch vorteilhaft, wenn zusätzlich zu den Verbindungsflächen der Piezoaktoren untereinander, auch die stirnseitigen Verbindungsflächen der Piezoaktoren zu dem Aktorkopf und/oder dem Aktorfuß eine konvexe Wölbung derart aufweisen, dass die stirnseitig aneinanderliegenden Verbindungsflächen ein Gelenk bilden, das in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung des auf die stirnseitigen Verbindungsflächen wirkenden Drucks eine Anpassung der Lage und/oder der Ausrichtung der Piezoaktoren ermöglicht.
Die Wölbung kann dabei jeweils auf einfache Weise als eine Halbkugel oder ein Halbkugelausschnitt ausgebildet werden. Hierbei sind Kombinationen einer konvexen und einer konkaven Wölbung ebenso möglich wie die Kombination von zwei konvexen Wölbungen. Auch kann eine ebene Fläche mit einer konvexen Wölbung auf einfache Weise kombiniert werden. Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass mechanische Spannungen im Betrieb des Piezoaktormoduls, zum Beispiel als Piezoinjektor, insbesondere durch Querkräfte im Piezoaktormodul im vorgeschlagenen Gelenk einfach aufgenommen werden können. Somit kann auf einfache Weise eine Schädigung des Piezoaktormoduls, insbesondere durch Risse oder sogar durch einen Bruch eines oder mehrerer Piezoaktoren, vermieden werden.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Piezoaktormoduls kann so realisiert werden, dass die bisher übliche mindestens eine Klebschicht der normalerweise miteinander verklebten einzelnen Piezoaktoren und auch eine oder beide Verklebungen zwischen den äußeren Piezoaktoren und dem Aktorkopf und dem Aktorfuß weggelassen wird.
Durch die beispielsweise im Dm Bereich liegende gewölbte Halbkugel der Wölbung sind die stirnseitigen Verbindungsflächen so gestaltet, dass sich die beiden nach außen gewölbten aneinanderliegenden Stirnflächen als Gelenk herausbilden. Wenn die Erfindung auch bei der Verbindung der jeweils äußeren Piezoaktoren zu dem Aktorkopf und/oder zu dem Aktorfuß angewendet wird, entfällt auch hier die Verklebung und die Wölbungen der Stirnseiten der jeweiligen Piezoaktoren treffen auf eine ebene Fläche des Aktorkopfes oder des Aktorfußes und bilden hier ebenfalls ein Gelenk.
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen metallischen Gelenk zwischen den Piezoaktoren kann bei der Erfindung sich die Keramik der Piezoaktoren bei einer mechanischen Druckbelastung leichter dahingehend anpassen, dass eine Ausrichtung der in der Piezokeramik des jeweiligen Piezoaktors vorhandenen Domänen in Abhängigkeit vom Druck stattfindet. Ein sogenanntes Fressen des Gelenks wird damit verhindert und bei einer Druckentlastung können die Domänen wieder zurückklappen und so den Ausgangszustand der Piezokeramik in den Piezoaktoren wieder herstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktormoduls werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
1 einen Schnitt durch zwei aneinandergereihte Piezoaktoren für ein Piezoaktormodul, die über konvex gewölbte Verbindungsflächen aneinanderliegen,
2 einen Schnitt durch zwei aneinandergereihte Piezoaktoren für ein Piezoaktormodul, die jeweils über eine konkav und eine konvex gewölbte Verbindungsfläche aneinanderliegen und
3 einen Schnitt durch zwei aneinandergereihte Piezoaktoren für ein Piezoaktormodul, die über eine konvex gewölbte und eine ebene Verbindungsfläche aneinanderliegen.
Ausführungsform der Erfindung
Im Folgenden wird anhand 1 ein Piezoaktormodul 1 erläutert, das beispielsweise für einen Piezoinjektor zur Nadelhubsteuerung in einem Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann, wie es eingangs anhand des Standes der Technik beschrieben ist.
Hierzu sind ein Piezoaktor 2 und ein Piezoaktor 3 zur Bildung des Piezoaktormoduls 1 in der mechanischen Wirkrichtung hintereinander geschaltet, sodass mit den in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Piezoelementen ein mechanischer Hub in der Längserstreckung des Piezoaktormoduls 1 bewirkt werden kann. Die hier nur schematisch durch Striche angedeuteten Piezoelemente in den Piezoaktoren 2 und 3 werden durch Innenelektroden der einen Polarität und Innenelektroden der jeweils anderen Polarität und den dazwischenliegenden Piezolagen gebildet.
Die beiden Piezoaktoren 2 und 3 weisen an den sich gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine konvexe, vorzugsweise halbkugelförmige Wölbung auf, sodass stirnseitig aneinanderliegende Verbindungsflächen 4 und 5 ein Gelenk bilden, das in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung des auf die stirnseitigen Verbindungsflächen 4 und 5 wirkenden Drucks eine Anpassung der Lage und/oder der Ausrichtung der Piezoaktoren 2 und 3 ermöglicht.
Weiterhin weisen beim in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auch noch stirnseitige Verbindungsflächen 6 und 7 der Piezoaktoren 2 und 3 zum Aktorkopf 8 und zum Aktorfuß 9 eine konvexe, hier im wesentlichen halbkugelförmige konvexe Wölbung auf, sodass die Wölbung der Verbindungsfläche 6 auf der Stirnseite des Piezoaktors 2 auf eine ebene Fläche 10 des Aktorfußes 9 und die Wölbung der Verbindungsfläche 7 auf der Stirnseite des Piezoaktors 3 auf eine ebene Fläche 11 des Aktorkopfs 8 aufliegt. Die Verbindungsflächen 6 und 10 sowie 7 und 11 bilden somit hier ebenfalls ein Gelenk, das in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung des auf die stirnseitigen Verbindungsflächen 6, 7, 10, 11 wirkenden Drucks eine Anpassung der Lage und/oder der Ausrichtung der Piezoaktoren 2 und 3 ermöglicht.
Aus 2 ist eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen, bei dem der konvex gewölbten Verbindungsfläche 5 des Piezoaktors 3 eine konkav gewölbte Verbindungsfläche 11 des Piezoaktors 2 gegenüberliegt und aus 3 ist ebenfalls eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels zu entnehmen, bei dem der konvex gewölbten Verbindungsfläche 5 des Piezoaktors 3 eine ebene Verbindungsfläche 12 des Piezoaktors 2 gegenüberliegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10026005 A1 [0004]

Claims

Piezoaktormodul mit mindestens zwei in der mechanischen Wirkungsrichtung hintereinander geschalteten Piezoaktoren (2, 3), die zwischen einem Aktorkopf (8) und einem Aktorfuß (9) eingespannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die stirnseitigen Verbindungsflächen (4, 5; 11; 12) der sich gegenüberliegenden Piezoaktoren (2, 3) jeweils mindestens an einer Verbindungsfläche (4, 5; 11; 12) eine Wölbung derart aufweisen, dass die stirnseitig aneinanderliegenden Verbindungsflächen (4, 5) ein Gelenk bilden, das in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung des auf die stirnseitigen Verbindungsflächen (4, 5; 11; 12) wirkenden Drucks eine Anpassung der Lage und/oder der Ausrichtung der Piezoaktoren (2, 3) ermöglicht.
Piezoaktormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch die äußeren stirnseitigen Verbindungsflächen (6, 7, 10, 11) der Piezoaktoren (2, 3) mit dem Aktorkopf (8) und/oder dem Aktorfuß (9) jeweils eine Wölbung derart aufweisen, dass die stirnseitig aneinanderliegenden Verbindungsflächen (6, 7, 10, 11) ein Gelenk bilden, das in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung des auf die stirnseitigen Verbindungsflächen (6, 7, 10, 11) wirkenden Drucks eine Anpassung der Lage und/oder der Ausrichtung der Piezoaktoren (2, 3) ermöglicht.
Piezoaktormodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbungen (4, 5) konvex ausgeführt sind.
Piezoaktormodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbungen konvex (5) und gegenüberliegend konkav (11) ausgeführt sind.
Piezoaktormodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbungen konvex (5) und gegenüberliegend eben (12) ausgeführt sind.
Piezoaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbung (4, 5; 11) jeweils eine Halbkugel oder einen Halbkugelausschnitt darstellt.