EP1929553A1 - Arrangement comprising a piezoactuator - Google Patents

Arrangement comprising a piezoactuator

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Publication number
EP1929553A1
EP1929553A1 EP06792691A EP06792691A EP1929553A1 EP 1929553 A1 EP1929553 A1 EP 1929553A1 EP 06792691 A EP06792691 A EP 06792691A EP 06792691 A EP06792691 A EP 06792691A EP 1929553 A1 EP1929553 A1 EP 1929553A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
holding body
actuator
contact elements
piezoelectric
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06792691A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rudolf Heinz
Dieter Kienzler
Udo Schaich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1929553A1 publication Critical patent/EP1929553A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M51/005—Arrangement of electrical wires and connections, e.g. wire harness, sockets, plugs; Arrangement of electronic control circuits in or on fuel injection apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/168—Assembling; Disassembling; Manufacturing; Adjusting
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/80—Constructional details
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    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the invention relates to an arrangement with a piezoelectric actuator, for example as a piezoelectric injector for actuating a mechanical component such as a valve or the like, with an electrical connection for the control of the piezoelectric element according to the generic features of the main claim.
  • a piezoelectric actuator for example as a piezoelectric injector for actuating a mechanical component such as a valve or the like, with an electrical connection for the control of the piezoelectric element according to the generic features of the main claim.
  • a piezoelectric element can be used so that by utilizing the so-called piezoelectric effect, a control of the needle stroke of a valve or the like can be made.
  • the piezoelectric element is constructed of a material having a suitable crystal structure such that when an external electrical voltage is applied, a mechanical reaction of the piezoelectric element takes place which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a pressure or tension in a predeterminable direction.
  • Such piezoelectric actuators are suitable, for example, for applications in which lifting movements take place under high operating forces and high clock frequencies.
  • such a piezoelectric actuator is known from DE 100 26 005 A1, which can be used to control the nozzle needle in injectors for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a piezoelectric element constructed as a stack of several electrically coupled together piezoceramic layers, which is held under bias between two stops. Each piezoceramic layer is enclosed as a piezoelectric layer between two internal electrodes via which an electrical voltage can be applied from the outside. Because of this electrical voltage, the piezoceramic layers then each carry out small strokes in the direction of the potential gradient, which add up to the total stroke of the piezoelectric actuator. This total stroke is variable by the amount of voltage applied and can be transferred to a mechanical actuator.
  • a piezoelectric actuator is also described in EP 1 174 615 A3, in which a piezoelectric element is present as an actuator for the direct needle stroke control of an injection injector for an internal combustion engine. Between the piezo element as an actuator and the needle sits only a coupler with a hydraulic ratio to the expansion compensation. With an activation of the piezoelectric element in this case the held under bias to the closure of the injection nozzle needle is moved away from the nozzle opening, as the needle directly translated follows the movement of the actuator.
  • the piezoelectric element is applied via an actuator foot to a sealing seat in the interior of the piezoactuator, wherein the piezoelement is additionally pressed by a spring in order to effect a good sealing seat in addition to the pressing force of the liquid held under high pressure.
  • the possibly insufficient pressure forces on the sealing seat represent a critical quantity here, whereby particular attention must be paid to a precise guidance of the components involved in the sealing seat.
  • the invention is based on an arrangement described above with a piezoelectric actuator having a multi-layer structure of piezoelectric layers in a piezoelectric element, which are held in a holding body, wherein the piezoelectric element is a mutual contacting of internal electrodes with contact elements.
  • the actuator foot can be pressed by means of a Switzerlandverschraubung to a spherical sealing seat on the holding body in an advantageous manner.
  • the invention Zaverschraubung is effected by an extension of the Aktorfußes is guided in the direction of actuation by the holding body through a screw which has a screwed onto a thread of Aktorfußverinrung mother and by rotation of the mother a tensile force and thus an additional sealing force arises on the crowned sealing seat.
  • the actuator module is pressed with the piezoelectric element against an example crowned sealing seat to seal, for example, when using the piezoelectric actuator as injection injector, the entire module in terms of trapped liquid under high pressure.
  • the pressure of the liquid supports the sealing effect (self-reinforcing principle), but can be improved with the invention Glasverschraubung the sealing effect.
  • a support disk can still be arranged between the nut and the bearing surface of the nut on the holding body, which is held non-rotatably on the holding body and also on the driver's foot extension by means of pin or pin-type connections both to the bearing surface on the holding body and to the actuator foot extension.
  • the mother is thus supported on the preferably spherical support disk and by the pins or pins, the support disk can be initially secured on one or both sides against rotation on the holding body.
  • the helical Aktorfußverinrung does not rotate with the mother, it is by another pin or pin-like connections, for example, with a one- or two-sided nose on the support disk, which engages in a one- or two-sided groove on the Aktohrfußverinrung, twisting prevents the Aktorfußes.
  • the actuator foot on the sealing seat has a spherical or conical contour for producing a so-called.
  • Ball-cone seal so that with the Switzerlandverschraubung a correct orientation of the Aktorfußes in the pulling direction is effected.
  • the piezoelectric actuator on a mechanical coupler for controlling, for example, a nozzle needle of the injection injector can be aligned so that the coupler does not jam or the coupler is not tilted and leaking frontally.
  • the electrical lines which are guided through the actuator foot to the contact elements preferably guided by a Glaseinschmelzung to the outside of the contact elements of the piezoelectric element.
  • the electrical lines which are guided through the actuator base to the contact elements preferably guided by a Glaseinschmelzung inside lying in the inner recesses of the piezoelectric element contact elements.
  • the actuator foot in the region of the connection to the active layers of the piezoelectric element may be divided into two, wherein a connection of the electrical lines via a respective connector during assembly of the two parts of the actuator base is effected.
  • the piezoelectric actuator according to the invention has the following advantages:
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a conventional arrangement of a single-stage piezoelectric injector with a piezoelectric actuator for controlling a nozzle needle in fuel injection systems to explain the basic structure
  • 2 shows a partial section through a holding body for the piezoelectric actuator according to the invention with a Switzerlandverschraubung on the actuator base and an external electrical contacting of the piezoelectric element
  • 2 shows a partial section through a holding body for the piezoelectric actuator according to the invention with a Switzerlandverschraubung on the actuator base and an internal electrical contacting of the piezoelectric element
  • a piezo injector or injection injector due to the proposed application and can be used for example for Nadelhub horrung in the injection system for fuel in an internal combustion engine.
  • a holding body 2 In the upper part of a holding body 2 is present, which can be adjusted in its geometric dimensions substantially to the specific site. It can be seen a plug part 3, by which the electrical voltage for driving the piezoelectric element can be connected with a plug also adapted specifically to the application.
  • the leadership of the electrical line and a possible supply of the fuel to be controlled with the piezoelectric injector 1 in the holding body 2 is not visible in this case and not essential for the function of the invention.
  • a piezoactuator with a piezoelectric element 5 is arranged, which acts on a nozzle needle 7 when actuated via a mechanical arrangement located vertically below with a coupler 6 such that a release of a nozzle opening 8 takes place can.
  • a guided in the interior of the piezoelectric actuator 1 through the interior 4 fuel can thus be injected into the combustion chamber of an internal combustion engine, not shown here.
  • the piezoelectric element 5 is according to the figure 1 via an actuator base 9 at the top of a spherical sealing seat in the interior 4, wherein the piezoelectric element 5 for Effect of a good sealing seat with a spring 10 is pressed.
  • a high-pressure seal to an electrical connection space 11 is necessary here, through which two electrical lines 12 and 13 are led to the piezoelectric element 5.
  • the actuator foot 9 in deviation from the previously described example, rests on the holding body 2 via a so-called ball-and-cone seal 20 and an actuator foot extension 21 is guided vertically upwards as a pull-type screw connection.
  • the leadership of the lines 12 and 13 is made here in separate bore; However, they can also be performed in a single bore.
  • the upper end of the Aktorfußverinrung 21 has a thread 24 on which a nut 25 can be screwed, so that hereby the sealing seat 20 can be provided with a contact pressure.
  • the nut 25 is supported on a support plate 26 with a spherical surface.
  • the support disc 26 in turn rests on the holding body 2 and is secured by means of a pin 27 which engages in a recess 28 on the holding body 2, against twisting when tightening the nut 25.
  • the support plate 26 also has a nose 29 which engages in a groove 30 of the Aktorfußverinrung 21 and thus also prevents rotation of the Aktorfußverinrung 21 when tightening the nut 25.
  • FIG. 3 shows an alternative exemplary embodiment of a piezo injector according to the invention, in which the electrical leads 12 and 13 are connected to internal contact elements 31 and 32 of the piezoelectric element 5. are clocked.
  • the actuator foot 9 is divided on the piezoelectric element 5 and still has a foot part 33.
  • the lines 12 and 13 are each connected via a plug connection 34 and 35 with the inner contact elements 31 and 32.
  • the piezoelectric element 5 can first be tested independently of the extended actuator foot 9 or 21 and then connected to the lower foot part 33 via the connectors 34 and 35 during assembly with the lines 12 and 13.
  • the foot part 33 can then be welded, for example, to the actuator base 9 with the actuator foot extension 21.
  • the lines 12 and 13 are additionally pressure-sealed by a glass melt 36 to the outside against leakage of a weld 37 or the piezoelectric element. 5
  • the invention is commercially applicable to controlling the stroke of a fuel injection needle, for example diesel fuel, in a motor vehicle.

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Abstract

The invention relates to an arrangement comprising a piezoactuator, for example, a piezoinjector which is used to actuate a mechanical component. Said arrangement comprises a multilayered structure of piezolayers which are maintained as piezoelements (5) in the maintaining body (2). Internal electrodes and contact elements (22, 23, 31, 32) are in mutual contact on the piezoelement (5). An actuator base (9,21;33) is arranged between the piezoelement (5) and the maintaining body (2), and electric lines (12, 13) are guided towards the contact elements (22, 23;31,32). Said actuator base (9,21;33) is pressed against the maintaining body (2) on a sealing seat (20) in order to seal an inner chamber (4) by means of a pressurised liquid. Said actuator base (9,21;33) can be pressed against a maintaining body (2) on a spherical sealing seat (20) by means of a traction screwing (21,25).

Description

Anordnung mit einem PiezoaktorArrangement with a piezoelectric actuator
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Piezoaktor, beispielsweise als Piezoinjektor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, mit einem elektrischen Anschluss für die Ansteuerung des Piezoelements nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.The invention relates to an arrangement with a piezoelectric actuator, for example as a piezoelectric injector for actuating a mechanical component such as a valve or the like, with an electrical connection for the control of the piezoelectric element according to the generic features of the main claim.
Stand der TechnikState of the art
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 aus der DE 100 26 005 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 Piezoelement, wie erwähnt, als Stapel mehrerer elektrisch miteinander gekoppelter piezokeramischen Schichten aufgebaut, der 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 Potentialgefälles 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.It is known per se that for the construction of the aforementioned piezoelectric actuator, a piezoelectric element can be used so that by utilizing the so-called piezoelectric effect, a control of the needle stroke of a valve or the like can be made. The piezoelectric element is constructed of a material having a suitable crystal structure such that when an external electrical voltage is applied, a mechanical reaction of the piezoelectric element takes place which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a pressure or tension in a predeterminable direction. Such piezoelectric actuators are suitable, for example, for applications in which lifting movements take place under high operating forces and high clock frequencies. For example, such a piezoelectric actuator is known from DE 100 26 005 A1, which can be used to control the nozzle needle in injectors for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine. In this piezoelectric actuator, a piezoelectric element, as mentioned, constructed as a stack of several electrically coupled together piezoceramic layers, which is held under bias between two stops. Each piezoceramic layer is enclosed as a piezoelectric layer between two internal electrodes via which an electrical voltage can be applied from the outside. Because of this electrical voltage, the piezoceramic layers then each carry out small strokes in the direction of the potential gradient, which add up to the total stroke of the piezoelectric actuator. This total stroke is variable by the amount of voltage applied and can be transferred to a mechanical actuator.
Bei dem zuvor erwähnten Piezoaktor wird zur Heranführung der unterschiedlichen Potentiale eine wechselseitige seitliche Kontaktierung der Innenelektroden über äußere Elektroden vorgenommen, bei der leitende Flächen auf jeweils einer Seitenfläche des Piezoelements angebracht sind, die mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind. Dagegen ist aus der DE 103 35 019 A1 ein Piezoaktor bekannt, bei dem die Kontaktierung der Innenelektroden mit Kontaktelementen erfolgt, die jeweils in einer inneren Ausnehmung des Piezoelements liegen.In the piezoactuator mentioned above, in order to approach the different potentials, mutual lateral contacting of the internal electrodes via external electrodes is carried out, in which conductive surfaces are mounted on a respective side surface of the piezoelectric element, which are in contact with the respective internal electrodes. In contrast, a piezoelectric actuator is known from DE 103 35 019 A1, in which the contacting of the internal electrodes takes place with contact elements which lie in each case in an inner recess of the piezoelectric element.
Außerdem ist auch in der EP 1 174 615 A3 ein Piezoaktor beschrieben, bei dem ein Piezoelement als Aktor für die direkte Nadelhubsteuerung eines Einspritzinjektors für einen Verbrennungsmotor vorhanden ist. Zwischen dem Piezoelement als Aktor und der Nadel sitzt lediglich ein Koppler mit einer hydraulischen Übersetzung zum Dehnungsausgleich. Mit einer Aktivierung des Piezoelements wird hierbei die unter Vorspannung zum Verschluss der Einspritzdüse gehaltene Nadel von der Düsenöffnung wegbewegt, da die Nadel direkt übersetzt der Bewegung des Aktors folgt. In der Regel liegt herbei das Piezoelement über einen Aktorfuß an einem Dichtsitz im Innenraum des Piezoaktors an, wobei das Piezoelement zur Bewirkung eines guten Dichtsitzes zusätzlich zur Andrückkraft der unter Hochdruck gehaltenen Flüssigkeit noch mit einer Feder angedrückt wird. Die eventuell nicht ausreichenden Andrückkräfte am Dichtsitz stellen hier allerdings eine kritische Größe dar, wobei Insbesondere auch auf eine winkelgenau Führung der am Dichtsitz beteiligten Bauelemente zu achten ist.In addition, a piezoelectric actuator is also described in EP 1 174 615 A3, in which a piezoelectric element is present as an actuator for the direct needle stroke control of an injection injector for an internal combustion engine. Between the piezo element as an actuator and the needle sits only a coupler with a hydraulic ratio to the expansion compensation. With an activation of the piezoelectric element in this case the held under bias to the closure of the injection nozzle needle is moved away from the nozzle opening, as the needle directly translated follows the movement of the actuator. As a rule, the piezoelectric element is applied via an actuator foot to a sealing seat in the interior of the piezoactuator, wherein the piezoelement is additionally pressed by a spring in order to effect a good sealing seat in addition to the pressing force of the liquid held under high pressure. The possibly insufficient pressure forces on the sealing seat, however, represent a critical quantity here, whereby particular attention must be paid to a precise guidance of the components involved in the sealing seat.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung geht von einer eingangs beschriebenen Anordnung mit einem Piezoaktor aus, der einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen in einem Piezoelement aufweist, die in einem Haltekörper gehalten sind, wobei am Piezoelement eine wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden mit Kontaktelementen vorhanden ist. Es ist weiterhin ein Aktorfuß zwischen dem Piezoelement und dem Haltekörpers vorhanden, durch den elektrische Leitungen zu den Kontaktelementen geführt sind, wobei der Aktorfuß an einen Dichtsitz am Haltekörper zur Abdichtung eines Innenraumes mit einer unter Hochdruck gehaltenen Flüssigkeit gedrückt ist. Gemäß der Erfindung ist der Aktorfuß in vorteilhafter weise mittels einer Zugverschraubung an einen balligen Dichtsitz am Haltekörper drückbar.The invention is based on an arrangement described above with a piezoelectric actuator having a multi-layer structure of piezoelectric layers in a piezoelectric element, which are held in a holding body, wherein the piezoelectric element is a mutual contacting of internal electrodes with contact elements. There is also an actuator foot between the piezoelectric element and the holding body, are passed through the electrical lines to the contact elements, wherein the actuator base is pressed against a sealing seat on the holding body for sealing an interior with a liquid held under high pressure. According to the invention, the actuator foot can be pressed by means of a Zugverschraubung to a spherical sealing seat on the holding body in an advantageous manner.
In besonders vorteilhafter weise ist die erfindungsgemäße Zugverschraubung dadurch bewirkbar, dass eine Verlängerung des Aktorfußes in Betätigungsrichtung durch den Haltekörper hindurch zu einer Verschraubung geführt ist, die eine auf ein Gewinde der Aktorfußverlängerung aufschraubbaren Mutter aufweist und durch Verdrehung der Mutter eine Zugkraft und dadurch eine zusätzliche Dichtkraft am balligen Dichtsitz entsteht.In a particularly advantageous manner, the invention Zugverschraubung is effected by an extension of the Aktorfußes is guided in the direction of actuation by the holding body through a screw which has a screwed onto a thread of Aktorfußverlängerung mother and by rotation of the mother a tensile force and thus an additional sealing force arises on the crowned sealing seat.
Bei herkömmlichen Piezoaktoren wird, wie eingangs erwähnt, das Aktormodul mit dem Piezoelement gegen einen beispielsweise balligen Dichtsitz ge- presst, um zum Beispiel bei einer Verwendung des Piezaktors als Einspritzinjektor das gesamte Modul hinsichtlich der unter hohem Druck eingeschlossenen Flüssigkeit abzudichten. Hierbei unterstützt zwar der Druck der Flüs- sigkeit die Dichtwirkung (selbstverstärkendes Prinzip), jedoch kann mit der erfindungsgemäßen Zugverschraubung die Dichtwirkung verbessert werden.In conventional piezoelectric actuators, as mentioned above, the actuator module is pressed with the piezoelectric element against an example crowned sealing seat to seal, for example, when using the piezoelectric actuator as injection injector, the entire module in terms of trapped liquid under high pressure. Although the pressure of the liquid supports the sealing effect (self-reinforcing principle), but can be improved with the invention Zugverschraubung the sealing effect.
In vorteilhafter weise kann zwischen der Mutter und der Auflagefläche der Mutter am Haltekörper noch eine Stützscheibe angeordnet werden, die mittels zapfen- oder stiftartiger Verbindungen sowohl zur Auflagefläche am Haltekörper als auch zur Aktorfußverlängerung unverdrehbar am Haltekörper und auch an der Autorfußverlängerung gehalten ist. Die Mutter stützt sich somit auf der vorzugsweise balligen Stützscheibe ab und durch die Zapfen oder Stifte kann die Stützscheibe zunächst ein- oder beidseitig gegen eine Verdrehung am Haltekörper gesichert werden. Damit die schraubenartige Aktorfußverlängerung sich nicht mit der Mutter mitdreht, wird dabei durch eine weitere zapfen- oder stiftartiger Verbindungen, zum Beispiel mit einer ein- oder beidseitigen Nase an der Stützscheibe, die in eine ein- oder beidseitige Nut an der Aktohrfußverlängerung eingreift, ein Verdrehen des Aktorfußes verhindert.In an advantageous manner, a support disk can still be arranged between the nut and the bearing surface of the nut on the holding body, which is held non-rotatably on the holding body and also on the driver's foot extension by means of pin or pin-type connections both to the bearing surface on the holding body and to the actuator foot extension. The mother is thus supported on the preferably spherical support disk and by the pins or pins, the support disk can be initially secured on one or both sides against rotation on the holding body. Thus, the helical Aktorfußverlängerung does not rotate with the mother, it is by another pin or pin-like connections, for example, with a one- or two-sided nose on the support disk, which engages in a one- or two-sided groove on the Aktohrfußverlängerung, twisting prevents the Aktorfußes.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Aktorfuß am Dichtsitz eine kugel- oder kegelförmige Kontur zur Herstellung einer sog. Kugel-Kegel-Abdichtung aufweist, so dass mit der Zugverschraubung eine winkelgerechte Ausrichtung des Aktorfußes in Zugrichtung bewirkbar ist. Mit dieser Kugel-Kegel- Abdichtung kann erreicht werden, dass der Piezoaktor an einem mechanischen Koppler zur Steuerung beispielsweise einer Düsennadel des Einspritzinjektors, so ausgerichtet werden kann, dass der Koppler nicht klemmt oder die Kopplerhülse nicht verkippt und stirnseitig undicht wird.It is also advantageous if the actuator foot on the sealing seat has a spherical or conical contour for producing a so-called. Ball-cone seal, so that with the Zugverschraubung a correct orientation of the Aktorfußes in the pulling direction is effected. With this ball-and-cone seal can be achieved that the piezoelectric actuator on a mechanical coupler for controlling, for example, a nozzle needle of the injection injector, can be aligned so that the coupler does not jam or the coupler is not tilted and leaking frontally.
Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezoaktors mit Außenkontaktierung sind die elektrische Leitungen, die durch den Aktorfuß zu den Kontaktelementen geführt sind, vorzugsweise durch eine Glaseinschmelzung nach außen an die Kontaktelemente des Piezoelements geführt. Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezoaktors mit Innenkontaktierung sind die elektrische Leitungen, die durch den Aktorfuß zu den Kontaktelementen geführt sind, vorzugsweise durch eine Glaseinschmelzung innen an in inneren Ausnehmungen des Piezoelements liegenden Kontaktelementen geführt.In a first embodiment of the piezoelectric actuator according to the invention with external contacting, the electrical lines which are guided through the actuator foot to the contact elements, preferably guided by a Glaseinschmelzung to the outside of the contact elements of the piezoelectric element. According to another embodiment of the piezoelectric actuator according to the invention with internal contacting, the electrical lines which are guided through the actuator base to the contact elements, preferably guided by a Glaseinschmelzung inside lying in the inner recesses of the piezoelectric element contact elements.
Bei der letztgenannten Ausführungsform kann der Aktorfuß im Bereich der Anbindung an die aktiven Lagen des Piezoelements zweigeteilt sein, wobei eine Verbindung der elektrischen Leitungen über jeweils eine Steckverbindung beim Zusammenfügen der beiden Teile des Aktorfußes bewirkbar ist. Hiermit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass während der elektrischen Prüfung des Piezoaktors vor der Montage die relativ lange Aktorfußverlängerung als Zugschraube nicht am Piezoaktor angefügt sein muss.In the latter embodiment, the actuator foot in the region of the connection to the active layers of the piezoelectric element may be divided into two, wherein a connection of the electrical lines via a respective connector during assembly of the two parts of the actuator base is effected. This is achieved in an advantageous manner that during the electrical testing of the piezoelectric actuator prior to assembly, the relatively long Aktorfußverlängerung must not be added as a lag screw on the piezoelectric actuator.
Zusammenfassend ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Piezoaktor folgende Vorteile:In summary, the piezoelectric actuator according to the invention has the following advantages:
- Durch die Zugverschraubung wird die in der Regel ballige Dichtung am Aktorfuß zusätzlich zur Federkraft und dem Druck einer Flüssigkeit angepresst und dabei noch eine Winkeleinstellbarkeit gewährleistet. Dich Dichtkraft kann dabei Werte von > 10 kN erreichen.- By the Zugverschraubung the usually crowned seal on the actuator foot is pressed in addition to the spring force and the pressure of a liquid while still ensuring a Winkeleinstellbarkeit. Sealing force can reach values of> 10 kN.
- Durch die hohe Dichtkraft können auch Welligkeiten der Dichtflächen elastisch oder plastisch verformt werden und somit die Dichtheit noch weiter verbessert werden.- Due to the high sealing force and ripples of the sealing surfaces can be elastically or plastically deformed and thus the tightness can be further improved.
- Die gesamte Anordnung ist gegen ein Verdrehen bei der Montage gesichert und im Fall der innenliegenden Kontaktierung kann auch eine Montagvereinfachung erreicht werden.- The entire assembly is secured against twisting during assembly and in the case of internal contacting a simplification of the assembly can be achieved.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Embodiments of the inventive arrangement will be explained with reference to the drawings. Show it:
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Anordnung eines einstufigen Piezoinjektors mit einem Piezoaktor zur Steuerung einer Düsennadel in Kraftstoffeinspritzsystemen zur Erläuterung des prinzipiellen Aufbaus,1 shows a longitudinal section through a conventional arrangement of a single-stage piezoelectric injector with a piezoelectric actuator for controlling a nozzle needle in fuel injection systems to explain the basic structure,
Figur 2 einen Teilschnitt durch einen Haltekörper für den erfindungsgemäßen Piezoaktor mit einer Zugverschraubung am Aktorfuß und einer außenliegenden elektrischen Kontaktierung des Piezoelements, Figur 2 einen Teilschnitt durch einen Haltekörper für den erfindungsgemäßen Piezoaktors mit einer Zugverschraubung am Aktorfuß und einer innenliegenden elektrischen Kontaktierung des Piezoelements,2 shows a partial section through a holding body for the piezoelectric actuator according to the invention with a Zugverschraubung on the actuator base and an external electrical contacting of the piezoelectric element, 2 shows a partial section through a holding body for the piezoelectric actuator according to the invention with a Zugverschraubung on the actuator base and an internal electrical contacting of the piezoelectric element,
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In Figur 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer einstufigen Piezoaktoranordnung 1 gezeigt, die aufgrund der vorgeschlagenen Anwendung im Folgenden auch als Piezoinjektor oder Einspritzinjektor bezeichnet wird und beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Im oberen Teil ist ein Haltekörper 2 vorhanden, der in seinen geometrischen Abmessungen im wesentlichen an den spezifischen Einsatzort angepasst werden kann. Es ist eine Steckerteil 3 zu erkennen, durch das mit einer ebenfalls spezifisch an den Anwendungsfall angepassten Steckerausführung die elektrische Spannung zur Ansteuerung des Piezoelements angeschlossen werden kann. Die Führung der elektrischen Leitung und eine eventuelle Zuführung des mit dem Piezoinjektor 1 zu steuernden Kraftstoffs im Haltekörper 2 ist hierbei nicht zu erkennen und für die Funktion der Erfindung auch nicht wesentlich.1 shows a basic structure of a single-stage piezoelectric actuator assembly 1, which is referred to below as a piezo injector or injection injector due to the proposed application and can be used for example for Nadelhubsteuerung in the injection system for fuel in an internal combustion engine. In the upper part of a holding body 2 is present, which can be adjusted in its geometric dimensions substantially to the specific site. It can be seen a plug part 3, by which the electrical voltage for driving the piezoelectric element can be connected with a plug also adapted specifically to the application. The leadership of the electrical line and a possible supply of the fuel to be controlled with the piezoelectric injector 1 in the holding body 2 is not visible in this case and not essential for the function of the invention.
In einem Innenraum 4 des Piezoinjektors 1 ist ein Piezoaktor mit einem Pie- zoelement 5 angeordnet, der bei einer Betätigung über eine sich hier senkrecht unterhalb befindliche mechanische Anordnung mit einem Koppler 6 auf eine Düsennadel 7 derart wirkt, dass hier eine Freigabe einer Düsenöffnung 8 erfolgen kann. Ein im Inneren des Piezoaktors 1 durch den Innenraum 4 geführter Kraftstoff kann somit in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden.In an interior 4 of the piezoinjector 1, a piezoactuator with a piezoelectric element 5 is arranged, which acts on a nozzle needle 7 when actuated via a mechanical arrangement located vertically below with a coupler 6 such that a release of a nozzle opening 8 takes place can. A guided in the interior of the piezoelectric actuator 1 through the interior 4 fuel can thus be injected into the combustion chamber of an internal combustion engine, not shown here.
Das Piezoelement 5 liegt nach der Figur 1 über einen Aktorfuß 9 oben an einem balligen Dichtsitz im Innenraum 4 an, wobei das Piezoelement 5 zur Bewirkung eines guten Dichtsitzes mit einer Feder 10 angedrückt wird. Insbesondere bei den eingangs erwähnten Common-Rail (CR)-Systemen ist hier eine Hochdruckabdichtung zu einem elektrischen Anschlussraum 11 notwendig, durch den zwei elektrische Leitungen 12 und 13 an das Piezo- element 5 geführt sind.The piezoelectric element 5 is according to the figure 1 via an actuator base 9 at the top of a spherical sealing seat in the interior 4, wherein the piezoelectric element 5 for Effect of a good sealing seat with a spring 10 is pressed. Particularly in the case of the common rail (CR) systems mentioned in the introduction, a high-pressure seal to an electrical connection space 11 is necessary here, through which two electrical lines 12 and 13 are led to the piezoelectric element 5.
Aus Figur 2 ist zu entnehmen, dass der Aktorfuß 9 in Abweichung zum vorher beschriebenen Beispiel über eine sogenannte Kugel-Kegel-Dichtung 20 am Haltekörper 2 anliegt und eine Aktorfußverlängerung 21 als Zugver- schraubung senkrecht nach oben geführt ist. Durch diese Aktorfußverlängerung 21 sind die elektrischen Leitungen 12 und 13 zur Kontaktierung des Piezoelements 5 mit den Innenelektroden 14 und 15 über Außenkontakte 22 und 23 nach außen zu einer hier nicht gezeigten Steckerverbindung geführt. Die Führung der Leitungen 12 und 13 wird hier in getrennten Bohrung vorgenommen; sie können jedoch auch in einer einzigen Bohrung geführt werden.It can be seen from FIG. 2 that the actuator foot 9, in deviation from the previously described example, rests on the holding body 2 via a so-called ball-and-cone seal 20 and an actuator foot extension 21 is guided vertically upwards as a pull-type screw connection. Through this Aktorfußverlängerung 21, the electrical leads 12 and 13 for contacting the piezoelectric element 5 with the inner electrodes 14 and 15 via external contacts 22 and 23 out to a plug connection, not shown here. The leadership of the lines 12 and 13 is made here in separate bore; However, they can also be performed in a single bore.
Das obere Ende der Aktorfußverlängerung 21 weist ein Gewinde 24 auf, auf das eine Mutter 25 aufschraubbar ist, so dass hiermit der Dichtsitz 20 mit einer Anpresskraft versehen werden kann. Die Mutter 25 stützt sich hierbei auf einer Stützscheibe 26 mit einer balligen Oberfläche auf. Die Stützscheibe 26 liegt wiederum auf dem Haltekörper 2 auf und ist mittels eines Zapfens 27, der in eine Ausnehmung 28 am Haltekörper 2 eingreift, gegen ein Verdrehen beim Anziehen der Mutter 25 gesichert.The upper end of the Aktorfußverlängerung 21 has a thread 24 on which a nut 25 can be screwed, so that hereby the sealing seat 20 can be provided with a contact pressure. The nut 25 is supported on a support plate 26 with a spherical surface. The support disc 26 in turn rests on the holding body 2 and is secured by means of a pin 27 which engages in a recess 28 on the holding body 2, against twisting when tightening the nut 25.
Die Stützscheibe 26 weist darüber hinaus noch eine Nase 29 auf, die in eine Nut 30 der Aktorfußverlängerung 21 eingreift und damit ebenfalls eine Verdrehung der Aktorfußverlängerung 21 bei Anziehen der Mutter 25 verhindert.The support plate 26 also has a nose 29 which engages in a groove 30 of the Aktorfußverlängerung 21 and thus also prevents rotation of the Aktorfußverlängerung 21 when tightening the nut 25.
Aus Figur 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Piezoinjektors gezeigt, bei dem die elektrischen Leitungen 12 und 13 mit innenliegenden Kontaktelementen 31 und 32 des Piezoelements 5 kon- taktiert sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Aktorfuß 9 am Piezo- element 5 geteilt und weist noch ein Fußteil 33 auf.FIG. 3 shows an alternative exemplary embodiment of a piezo injector according to the invention, in which the electrical leads 12 and 13 are connected to internal contact elements 31 and 32 of the piezoelectric element 5. are clocked. In this embodiment, the actuator foot 9 is divided on the piezoelectric element 5 and still has a foot part 33.
Die Leitungen 12 und 13 werden hierbei jeweils über eine Steckverbindung 34 und 35 mit den innenliegenden Kontaktelementen 31 und 32 verbunden. Somit kann das Piezoelement 5 zunächst unabhängig vom verlängerten Aktorfuß 9 bzw. 21 geprüft werden und dann mit dem unteren Fußteil 33 über die Steckverbindungen 34 und 35 bei der Montage mit den Leitungen 12 und 13 verbunden werden. Das Fußteil 33 kann dann beispielsweise an den Aktorfuß 9 mit der Aktorfußverlängerung 21 angeschweißt werden. Die Leitungen 12 und 13 sind durch eine Glaseinschmelzung 36 zusätzlich nach außen hochdruck-abgedichtet gegen Undichtheit einer Schweißnaht 37 oder des Piezoelements 5.The lines 12 and 13 are each connected via a plug connection 34 and 35 with the inner contact elements 31 and 32. Thus, the piezoelectric element 5 can first be tested independently of the extended actuator foot 9 or 21 and then connected to the lower foot part 33 via the connectors 34 and 35 during assembly with the lines 12 and 13. The foot part 33 can then be welded, for example, to the actuator base 9 with the actuator foot extension 21. The lines 12 and 13 are additionally pressure-sealed by a glass melt 36 to the outside against leakage of a weld 37 or the piezoelectric element. 5
Gewerbliche AnwendbarkeitIndustrial Applicability
Die Erfindung ist zur Steuerung des Hubs einer Nadel für die Kraftstoffeinspritzung, zum Beispiel Dieselkraftstoff, in einem Kraftfahrzeug gewerblich anwendbar. The invention is commercially applicable to controlling the stroke of a fuel injection needle, for example diesel fuel, in a motor vehicle.

Claims

Patentansprücheclaims
1 ) Anordnung mit einem Piezoaktor, mit1) Arrangement with a piezoelectric actuator, with
- einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen, die als Piezoelement (5) in einem Haltekörper (2) gehalten sind, wobei am Piezoelement (5) eine wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden mit Kontaktelementen (22,23;31 ,32) vorhanden ist und mit- A multi-layer structure of piezoelectric layers, which are held as a piezo element (5) in a holding body (2), wherein on the piezoelectric element (5) a mutual contacting of internal electrodes with contact elements (22,23; 31, 32) is present and with
- einem Aktorfuß (9,21 ,33) zwischen dem Piezoelement (5) und dem Haltekörper (2), durch den elektrische Leitungen (12,13) zu den Kontaktelementen (22,23;31 ,32) geführt sind, wobei der Aktorfuß (9,21 ,33) an einen Dichtsitz (20) am Haltekörper (2) zur Abdichtung eines Innenraumes (4) mit einer unter Hochdruck gehaltenen Flüssigkeit gedrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass- An actuator base (9,21, 33) between the piezoelectric element (5) and the holding body (2) through which electrical lines (12,13) to the contact elements (22,23; 31, 32) are guided, wherein the actuator base (9,21, 33) to a sealing seat (20) on the holding body (2) for sealing an inner space (4) is pressed with a liquid held under high pressure, characterized in that
- der Aktorfuß (9,21 ;33) mittels einer Zugverschraubung (21 ,25) an einen balligen Dichtsitz (20) am Haltekörper (2) drückbar ist.- The actuator base (9,21; 33) by means of a Zugverschraubung (21, 25) to a spherical sealing seat (20) on the holding body (2) can be pressed.
2) Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass2) Arrangement according to claim 1, characterized in that
- die Zugverschraubung (21 ,25) dadurch bewirkbar ist, dass eine Verlängerung (21 ) des Aktorfußes (9) in Betätigungsrichtung durch den Haltekörper (2) hindurch zu einer Verschraubung (25) geführt ist, die eine auf ein Gewinde (24) der Autorfußverlängerung (21 ) aufschraubbaren Mutter (25) aufweist und durch Verdrehung der Mutter (25) eine Zugkraft und dadurch eine zusätzliche Dichtkraft am balligen Dichtsitz (20) bewirkbar ist.- The Zugverschraubung (21, 25) is effected by an extension (21) of the Aktorfußes (9) in the direction of actuation by the holding body (2) through to a screw (25) is guided, the one on a thread (24) of Has Autorfußverlängerung (21) screwed nut (25) and by rotation of the nut (25) has a tensile force and thereby an additional sealing force on the spherical sealing seat (20) is effected.
3) Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass3) Arrangement according to claim 2, characterized in that
- zwischen der Mutter (25) und der Auflagefläche der Mutter (25) am Haltekörper (2) eine Stützscheibe (26) angeordnet ist, die mittels zapfenartiger Verbindungen (27,28,29,30) sowohl zur Auflagefläche am Haltekörper (2) als auch zur Autorfußverlängerung (21 ) unverdrehbar am Haltekörper (2) und auch an der Autorfußverlängerung (21 ) gehalten ist.- Between the nut (25) and the bearing surface of the nut (25) on the holding body (2) a support disc (26) is arranged, which by means of pin-like connections (27,28,29,30) both to the bearing surface on the holding body (2) also to the Autorfußverlängerung (21) is held non-rotatably on the holding body (2) and also on the Autorfußverlängerung (21).
4) Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass4) Arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that
- der Aktorfuß (9,21 ) am Dichtsitz (20) eine kugel- oder kegelförmige Kontur aufweist, so dass mit der Zugverschraubung (21 ,25) eine winkelgerechte Ausrichtung des Aktorfußes (9,21 ) in Zugrichtung bewirkbar ist.- The actuator base (9,21) on the sealing seat (20) has a spherical or conical contour, so that with the Zugverschraubung (21, 25) a correct orientation of the Aktorfußes (9,21) in the pulling direction is effected.
5) Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass5) Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that
- die elektrische Leitungen (12,13), die durch den Aktorfuß zu den Kontaktelementen (22,23) geführt sind, vorzugsweise durch eine Glaseinschmelzung (36) nach außen an die Kontaktelemente (22,23) des Piezo- elements (5) geführt sind.- The electrical lines (12,13), which are guided by the actuator base to the contact elements (22,23), preferably by a Glaseinschmelzung (36) outwardly to the contact elements (22,23) of the piezo-element (5) are.
6) Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass6) Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that
- die elektrische Leitungen (12,13), die durch den Aktorfuß zu den Kontaktelementen (31 ,32) geführt sind, vorzugsweise durch eine Glaseinschmelzung (36) innen an in inneren Ausnehmungen des Piezoelements (5) liegenden Kontaktelementen (31 ,32) geführt sind. 7)Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass- The electrical lines (12,13), which are guided by the actuator base to the contact elements (31, 32), preferably by a Glaseinschmelzung (36) inside on in inner recesses of the piezoelectric element (5) lying contact elements (31, 32) out are. 7) Arrangement according to claim 6, characterized in that
- der Aktorfuß (9) im Bereich der Anbindung an die aktiven Lagen des Pie- zoelements (5) zweigeteilt ist, wobei eine Verbindung der elektrischen Leitungen (12,13) über jeweils eine Steckverbindung in einem Fußteil (33) beim Zusammenfügen der beiden Teile (9,33) des Aktorfußes bewirkbar ist.- The actuator foot (9) in the region of the connection to the active layers of the piezoelectric element (5) is divided into two parts, wherein a connection of the electrical lines (12,13) via a respective plug connection in a foot part (33) during assembly of the two parts (9,33) of the Aktorfußes is effected.
8) Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass8) Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that
- der Piezoaktor zur Steuerung des Hubs einer Nadel (7) für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist. - The piezoelectric actuator for controlling the stroke of a needle (7) for fuel injection can be used in a motor vehicle.
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