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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Einheit, die
ein piezoelektrisches Element umfaßt, das zu einer elektrisch
induzierten mechanischen Expansion in einer Dimension in der Lage
ist, wenn es mit einer geeigneten elektrischen Spannung beaufschlagt
wird, und das zwischen einem Begrenzungselement und einem Kolbenelement
angeordnet ist, wobei das Kolbenelement durch die elektrisch induzierte
Expansion des piezoelektrischen Elementes relativ zum Begrenzungselement
bewegbar ist. Die piezeoelektrische Einheit umfaßt desweiteren eine Thermokompensationseinrichtung,
die relative Änderungen
in der Position zwischen dem Kolbenelement und dem Begrenzungselement
infolge einer thermisch induzierten Expansion des piezoelektrischen Elementes
mit Hilfe eines elastischen Elementes, das mechanisch thermisch
induzierte Expansionen des piezoelektrischen Elementes abpuffert,
kompensiert.
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Betätigungseinheiten,
die ein piezoelektrisches Element umfassen, finden üblicherweise
in modernen Motorfahrzeugen zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung
in den Motor des Fahrzeuges Verwendung. Mit Hilfe einer derartigen
Betätigungseinheit
kann eine Ventileinheit schnell und mit hoher Präzision betätigt werden.
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Es
ist bekannt, daß piezoelektrische
Elemente, die üblicherweise
in piezoelektrischen Einheiten verwendet werden, in mindestens einer
Richtung expandieren, wenn eine elektrische Spannung an die Elemente
gelegt wird. Die Richtung und das Ausmaß dieser Expansion hängt von
der Kristallstruktur der piezoelektrischen Elemente, der Richtung
der an die Elemente angelegten Spannung und der Größe der Spannung
ab. Bei üblichen
Einspritzeinheiten, bei denen die Expansion der piezoelektrischen
Elemente benutzt wird, um ein Kolbenelement zur Betätigung einer
Betätigungseinheit,
d.h. einer Ventileinheit, zu bewegen, sind die piezoelektrischen
Elemente und die zum Anlegen der Spannung verwendeten Elektroden üblicherweise
so ausgebildet, daß die
Expansion hauptsächlich
parallel zur Längsachse
der Einheit, d.h. parallel zur Bewegung des Kolbenelementes, erfolgt.
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Die
piezoelektrischen Elemente, die üblicherweise
verwendet werden, sind aus einigen Quarzkeramiken mit einem relativ
großen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
hergestellt. Mit anderen Worten, infolge von thermischen Änderungen
kann sich die Relativlage zwischen dem Kolbenelement und dem Begrenzungselement
und somit der Betätigungseinheit
und/oder die vom Kolbenelement auf die Betätigungseinheit aufgebrachte
Kraft in Abhängigkeit
von der Temperatur verändern,
was zu temperaturabhängigen
Unterschieden im Kraftstoffvolumen führt, das in den Motor eingespritzt
wird. Wenn man die großen
Temperaturänderungen,
denen ein Fahrzeugmotor ausgesetzt sein kann, berücksichtigt, stellt
dies einen nicht tolerierbaren Nachtteil dar.
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Um
die thermisch induzierte Expansion des piezoelektrischen Elementes
zu kompensieren, ist es bekannt, Thermokompensationseinrichtungen
zu verwenden. Das Problem mit der Temperaturkompensation besteht
jedoch darin, daß die
thermisch induzierte Expansion und die elektrisch induzierte Expansion
des piezoelektrischen Elementes zum gleichen Effekt führen, nämlich einer Änderung
der Längsabmessung
des piezoelektrischen Elementes. Es darf jedoch nur eine Art von
Expansion, nämlich die
thermisch induzierte Expansion, kompensiert werden, während die
andere zur Betätigung
der Betätigungseinheit
erforderlich ist.
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Die
DE 199 48 359 A1 beschreibt
ein Doppelwandgehäuse
einer piezoelektrischen Betätigungseinheit,
die ein Keramikrohr um das piezoelektrische Element herum umfaßt, das
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt, der im wesentlichen dem des piezoelektrischen Elementes
entspricht. Auf der einen Seite besitzt das Rohr eine Kappe, die
als Anschlagelement für
die elektrisch induzierte Expansion, d.h. für die Betätigungsbewegung des Kolbenelementes,
wirkt. Dieses Innengehäuse
ist in einem Außengehäuse aus
thermisch beständigem
Material untergebracht, und das Innengehäuse wird von einer starken
Tellerfeder gegen das Außengehäuse vorgespannt.
Somit wird die thermische Expansion des piezoelektrischen Elementes zusammen
mit dem Innengehäuse
von der Tellerfeder abgepuffert, wobei die Tellerfeder stark genug
ist, während
elektrisch induzierten Expansionen des piezoelektrischen Elementes
gegen das Innengehäuse zu
stoßen.
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Ein
wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist
die wichtige Rolle, die die richtige Auswahl der Stärke der
Tellerfeder spielt, die einerseits schwach genug sein muß, um eine
thermische Expansion des piezolelektrischen Elementes und des Innengehäuses zu
ermöglichen, und
andererseits stark genug sein muß, um eine Kompensation der
elektrisch induzierten Expansion zu verhindern. Selbst eine anfangs
richtige Auswahl kann Veränderungen
infolge von Alterung etc. nicht berücksichtigen. Auch müssen das
Innengehäuse und
das piezoelektrische Element in Bezug auf ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten
gut aneinander angepaßt
sein. Geeignete Materialien sind sehr teuer und besitzen oft nachteilige
Eigenschaften, wie Sprödigkeit
oder Weichheit.
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Die
US 5 810 255 A beschreibt
eine Klemmvorrichtung für
eine piezoelektrische Betätigungseinheit
des Kraftstoffeinspritzventils. Die Klemmvorrichtung ist als Klemmring
ausgebildet, der koaxial zu einem piezoelektrischen Stapel angeordnet
ist, welcher in Axialrichtung ein Ventilelement zum Öffnen oder
Schließen
des Ventils bewegt. Wenn eine Betriebsspannung an den Klemmring
gelegt wird, reduziert dieser seinen Innendurchmesser und blockiert den
piezoelektrischen Stapel in seiner Axialposition. Wenn die Betriebsspannung
nicht am Klemmring liegt, kann sich der piezoelektrische Stapel
in Axialrichtung innerhalb des Klemmrings bewegen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Einheit
zu schaffen, mit der die Nachteile des Standes der Technik überwunden
werden, insbesondere eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine
exaktere integrierte thermische Kompensation im wesentlichen unabhängig von
Materialparametern möglich
ist.
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Dieses
Ziel wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs erreicht.
Bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
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Die
piezoelektrische Einheit gemäß der vorliegenden
Erfindung besitzt eine mechanische Isolationseinrichtung zum mechanischen
Isolieren des elastischen Elementes während elektrisch induzierten
Expansionen des piezoelektrischen Elementes. Das bedeutet, daß das elastische
Element in Bezug auf seine Aufgabe als Puffer für die thermisch induzierte
Expansion optimiert werden kann, da es keiner Kraft infolge der
elektrisch induzierten Expansion des piezoelektrischen Elementes
ausgesetzt ist. Dies ist der Effekt der mechanischen Isolation.
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Es
ist vorteilhaft, das mit dem piezoelektrischen Element verbundene
elastische Element über ein
starres Kupplungselement zu verbinden und die mechanische Isolationseinrichtung
so auszubilden, daß bei
Betätigung
eine Kompensationsbewegung des Kupplungselementes blockiert wird.
Es ist der Effekt einer derartigen Ausführung, daß die mechanische Isolation
des elastischen Elementes über
einfache mechanische Maßnahmen
durchgeführt
werden kann. Ein sich bewegendes starres Element bietet einfache
Angriffspunkte für
Blockiereinrichtungen im Gegensatz zu einem elastischen Element
oder dem piezoelektrischen Element. Wenn dem piezoelektrischen Element
keine elektrische Spannung zugeführt wird,
wird die thermisch induzierte Expansion des piezoelektrischen Elementes
in eine Kompensationsbewegung der starren Kupplungseinrichtung überführt und
vom elastischen Element abgepuffert, das entsprechend verformt wird.
Wenn die Kompensationsbewegung des starren Kupplungselementes durch
die Isolationseinrichtung verhindert wird, wird es in einer Position
in Abhängigkeit
von der momentanen Temperatur fixiert und dient als Anschlag für die elektrisch
induzierte Expansion des piezoelektrischen Elementes.
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Bei
der vorliegenden Erfindung umfaßt
die Isolationseinrichtung ein Blockierelement, das zwischen einer
Blockierposition, die eine Kompensationsbewegung des starren Kupplungselementes
verhindert, und einer Befähigungsposition,
die eine Kompensationsbewegung des starren Kupplungselementes ermöglicht,
bewegbar ist. Diese Verbesserung bringt den Vorteil mit sich, daß die Blockierung des
starren Kupplungselementes unter Verwendung eines vorzugsweise kleinen
zusätzlichen
Blockierelementes in einfacher Weise durchgeführt wird, wobei dieses Blockierelement
mit einer entsprechenden Konstruktion des starren Kupplungselementes
zusammenwirkt. Obwohl ein zusätzliches
Teil erforderlich ist, ist die Vorrichtung insgesamt vorteilhaft
wegen der Einfachheit der Bewegung eines kleinen Teiles, insbesondere
unter Ausnutzung einer magnetischen Kraft.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der piezoelektrischen Einheit gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die mechanische Isolationseinrichtung so ausgebildet, daß sie elektromagnetisch
betätigt wird.
Ein Hauptvorteil einer derartigen Ausführungsform besteht darin, daß eine elektromagnetische Betätigung der
mechanischen Isolationseinrichtung im wesentlichen temperaturunabhängig, robust,
schnell und nahezu verschleißfrei
ist. Da eine ziemlich hohe Stromsteuerspannung erforderlich ist,
um in jedem Fall das piezoelektrische Element zu betätigen, ist
es einfach, die Stromversorgung so auszuweiten, daß eine elektromagnetische
Betätigungsvorrichtung gleichzeitig
versorgt wird.
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Bei
einer weiter verbesserten Ausführungsform
ist das Blockierelement als unterteilter Klemmring ausgebildet,
der eine Welle des starren Kupplungselementes kragenförmig umgibt
und diese in der Blockierposition festklemmt. Es ist ein Vorteil
einer derartigen Ausführungsform,
daß ein
Klemmring, der auf einer Welle des starren Kupplungselementes gleitet,
ein leicht zu installierendes Blockierelement vorsieht, das von
einer magnetischen Kraft zwischen seiner Befähigungsposition und seiner
Blockierposition bewegt werden kann, wobei die Einzelteile gegen die
Welle gequetscht werden und deren Bewegung verhindern.
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Bei
einer weiter verbesserten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind mindestens zwei Untereinheiten des
Klemmringes vorgesehen, die jeweils einen sich verjüngenden
Abschnitt umfassen. Desweiteren ist ein festes Anschlagelement mit einer
sich entsprechend verjüngenden Öffnung vorgesehen,
wobei in diese Öffnung
die sich verjüngenden
Abschnitte des Klemmringes gegen die Welle des starren Kupplungselementes
in der Blockierposition gequetscht werden. Es ist ein Vorteil dieser
Ausführungsform,
daß das
Festquetschen der Welle automatisch durchgeführt wird, wenn die sich entsprechend
verjüngenden
Abschnitte des Klemmringes in die sich verjüngende Öffnung des festen Anschlagelementes
getrieben werden.
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Eine
weiter verbesserte Variante der piezoelektrischen Einheit gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß das
feste Anschlagelement eine elektromagnetische Spule trägt, um den
Klemmring zwischen der Blockierposition und der Befähigungsposition
elektromagnetisch zu bewegen. Der Hauptvorteil dieser Ausführungsform
ist in der doppelten Verwendung des Anschlagelementes einmal als
Anschlagelement sowie zum Tragen der elektromagnetischen Spule zu
sehen.
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Es
ist vorteilhaft, wenn ein zweites elastisches Element vorgesehen
ist, daß das
Verriegelungselement in der Befähigungsposition
an Ort und Stelle hält.
Der Hauptvorteil dieser Ausführungsform besteht
darin, daß das
Blockierelement in seiner Befähigungsposition
immer in einer Position nahe am Übergang
in die Blockierposition gehalten werden kann, so daß auf diese
Weise der Übergang
beschleunigt wird, wenn die elektromagnetische Kraft aufgebracht
wird.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung in
größeren Einzelheiten
erläutert.
Hiervon zeigt 1 eine bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
einer piezoelektrischen Einheit 10 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das Funktionsherz der Einheit 10 ist das piezoelektrische
Element 11, das nur zum Teil gezeigt ist. Nicht gezeigt
in 1 ist das Kolbenelement, das durch die elektrisch
in duzierte Expansion des piezoelektrischen Elementes 11 bewegt
werden soll, um irgendeine Betätigungseinheit, d.h.
eine Ventileinheit, zu betätigen.
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Das
piezoelektrische Element 11 ist über ein starres Kupplungselement 13,
das einen Schaft 131 und eine Ruheplatte 132 umfaßt, mechanisch
mit einer Feder 12 verbunden. Die Feder 12 ist
zwischen der Ruheplatte 132 und einer festen Kappe 141 eines starren
Gehäuses 14 vorgespannt.
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Die
soweit erwähnten
Elemente sind in der Lage, für
eine thermische Kompensation des piezoelektrischen Elementes zu
sorgen. Die thermisch induzierte Expansion des piezoelektrischen
Elementes 11 wird in eine Kompensationsbewegung des starren Kupplungselementes 13 überführt und
von der Feder 12 abgepuffert, die entsprechend verformt
wird. Die Kappe 141 des Gehäuses 14 dient als
Anschlagelement für
die Feder 12.
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Wenn
jedoch gemäß der Erfindung
keine weiteren Merkmale vorgesehen würden, würden auch die elektrisch induzierten
Expansionen des piezoelektrischen Elementes 11 zur Betätigung der
Betätigungseinheit
entsprechend kompensiert. Um dies zu verhindern, ist ein fester
Kragen 15 vorgesehen, der am Gehäuse 14 befestigt ist
und ein zentrales Loch aufweist, durch das der Schaft 131 gleiten
kann. Das zentrale Loch besitzt Schrägflächen 151, die sich
bei der dargestellten Ausführungsform
in Richtung auf das piezoelektrische Element 11 öffnen.
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Der
Kragen 15 dient dazu, eine elektrische Spule zu tragen,
die mit elektrischem Strom versorgt werden kann, um eine magnetische
Kraft zu erzeugen. Aufgrund dieser magnetischen Kraft wird ein Klemmring 17 in
Richtung auf den Kragen 15 angezogen.
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Der
Klemmring 17 besteht aus einer Vielzahl von Untereinheiten,
vorzugsweise vier, die den Schaft 131 umgeben. Jede Untereinheit
ist mit einem sich verjüngenden
Abschnitt 171 an ihrem inneren Ende versehen. In der Befähigungsposition
des Klemmringes 17, d.h. wenn der Klemmring 17 nicht von
der magnetischen Kraft der Spule 16 angezogen wird, kann
der Schaft 131 durch die Öffnung zwischen den sich verjüngenden
Abschnitten 171 des Klemmringes 17 gleiten. In
der Blockierposition, d.h. wenn der Klemmring 17 von der
magnetischen Kraft der Spule 16 angezogen wird, gleiten
die sich verjüngenden
Abschnitte 171 des Klemmringes 17 zwischen die
Schrägflächen 151 des
festen Kragens 15. Somit werden die Untereinheiten des
Klemmringes 17 zusammengeführt und üben eine Quetschkraft auf den
Schaft aus, um dessen Bewegung und somit die Kompensation der elektrisch
induzierten Expansion des piezoelektrischen Elementes 11 zu
verhindern.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist eine Feder 18 zwischen dem piezoelektrischen Element 11 und
dem Klemmring 17 vorgesehen. Diese Feder 18 dient
dazu, die sich verjüngenden
Abschnitte 171 des Klemmringes 17, wenn sich dieser
in der Befähigungsposition
befindet, in einem leichten Kontakt mit dem Schaft 131 zu
halten, um die Übergangsbewegung
des Klemmrings 17 von der Befähigungsposition in die Blockierposition
zu minimieren.
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Für eine wirksame
Anwendung der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, die Spule 16 und das
piezoelektrische Element 11 gleichzeitig mit elektrischer
Energie zu versorgen. Auf diese Weise wird das Kupplungselement 13 blockiert,
wann immer das piezoelektrische Element als Betätigungseinheit wirkt. Dessen
Bewegung zur thermischen Kompensation wird jedoch zu jedem anderen
Zeitpunkt ermöglicht,
insbesondere zwischen jeden zwei Betätigungszyklen des piezoelektrischen
Elementes 11, die mit einer ziemlich hohen Frequenz auftreten
können.
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Obwohl
die Erfindung im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann, daß sie in umfangreicher
Weise modifiziert und auch durch viele andere Ausführungsformen
als die hier speziell beschriebene realisiert werden kann.