WO2003036785A2 - Piezoaktor zur betätigung eines mechanischen bauteils - Google Patents

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    • H10N30/886—Additional mechanical prestressing means, e.g. springs

Definitions

  • Piezo actuator for actuating a mechanical component
  • the present invention relates to a piezo actuator with a piezo element for actuating a mechanical
  • Component in particular for an injection injector for fuel metering in an internal combustion engine, the piezo element being biased by means of a spring element.
  • Piezo actuators are used, for example
  • Piezoelectric actuators used to actuate a control valve, which in turn actuates a nozzle needle of the fuel injection valve.
  • Piezoelectric actuators of this type are cylindrical or cuboid elements built up by layering ceramic disks, which convert electrical energy directly into a movement, more precisely a stroke.
  • high switching frequencies and very short switching times must be achieved with the piezo actuators.
  • a high preload must be applied to the piezo actuator.
  • Fuel injectors must e.g. B. a preload of approximately 500 N to 1000 N can be applied.
  • DE 199 28 179 A1 proposed clamping the piezo element between a plate spring and a spiral spring. Furthermore, it is known from DE 199 28 186 AI to connect the piezo element with a pressure bolt, so that the piezo element is mechanically connected to a corrugated spring that is prestressed in tension. The wave spring is anchored in a housing area. Furthermore, a piezo element is known from DE 199 28 183 AI, which is clamped between two plate-shaped components by a spring element.
  • the known biasing devices for the piezo element have the disadvantage that they are relatively complex to assemble and have a large number of individual parts. The manufacture of such piezo actuators is therefore relatively cost-intensive.
  • the piezo actuator according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that it is very compact and can be produced very inexpensively.
  • the spring element for biasing the piezo element is cup-shaped, so that it can be punched out, for example, as a blank from a sheet metal and then z. B. can be brought into its cup-shaped shape by deep drawing.
  • the term cup-shaped shape is understood to mean both a round outer circumference and, for example, an oval, a rectangular, a square or a polygonal outer circumference.
  • the pot-shaped The spring element thus has a bottom area and a wall area which is arranged on the outer circumference, more precisely on the outer edge of the bottom area, substantially perpendicular to it.
  • the piezo actuator according to the invention has a small installation space. In comparison with disc springs in particular, lower hysteresis is obtained when using the cup-shaped spring element. Furthermore, power transmission without lateral force can take place. Since the cup-shaped spring element is simple and reproducible to produce, there are great cost-related manufacturing advantages.
  • the piezo element is preferably arranged in a cup-shaped housing.
  • the cup-shaped spring element has one or more cutouts.
  • the cutouts are preferably selected such that a desired spring characteristic can be provided by the cup-shaped spring element.
  • the recesses of the cup-shaped spring element are particularly preferably slit-shaped.
  • the cutouts of the cup-shaped spring element are preferably designed such that they pass from the bottom region into the wall region of the spring element.
  • the cup-shaped spring element is preferably connected to the housing of the piezo element via a point contact. In order to achieve a uniform introduction of force into the cup-shaped spring element, this contact is preferably in the center or on a central axis of the cup-shaped spring element.
  • the point contact is preferably provided by a hemispherical connecting element provided on the outer bottom of the cup-shaped housing.
  • the housing of the piezo element and the hemispherical connecting element can be made, for example, from one piece.
  • the cup-shaped spring element is preferably connected to a piston of a hydraulic coupler.
  • the temperature-related change in length of the piezo element can be compensated for by adjusting the volume of a fluid space of the hydraulic coupler.
  • the hydraulic coupler can also be designed such that it translates the relatively small stroke of the piezo element.
  • the piston preferably has an extension which corresponds to the inner circumference of the cup-shaped spring element.
  • the cup-shaped spring element is preferably connected to the shoulder on the piston by means of a press fit.
  • the piezo actuator according to the invention is used in particular in a fuel injection valve for accumulator injection systems, the one preferably being used by the piezo actuator Control valve is actuated, which in turn actuates a valve member of the fuel injector.
  • Figure 1 shows a schematic sectional view of a
  • FIG. 2 shows a sheet metal blank from which the cup-shaped spring element shown in FIG. 1 is produced
  • FIG. 3 shows a sheet metal blank for producing a cup-shaped spring element according to a second one
  • Figure 4 shows a plan view of the cup-shaped
  • Embodiment, and Figure 5 shows a side view of the cup-shaped
  • a piezo actuator with a cup-shaped spring element according to a first exemplary embodiment is described below with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the piezo actuator shown in FIG. 1 is used in a valve 1 for the injection of fuel. Out For reasons of simple representation, only the components essential to the invention are shown in valve 1.
  • a piezo element 2 layered from a plurality of ceramic disks is arranged in a cup-shaped housing 3. At the open end of the pot-shaped housing 3, an electrical connection 8 for the piezo element 2 is provided.
  • the piezo element 2 is connected via the housing 3 to a cup-shaped spring element 4. More specifically, a hemispherical connecting element 9 is formed on the housing 3 in order to produce a point connection between the housing 3 and the cup-shaped spring element 4.
  • the cup-shaped spring element 4 is essentially cylindrical and has a bottom area 13 and lateral cylindrical wall areas 14.
  • the cup-shaped spring element 4 is connected directly to a piston 5 of a hydraulic coupler.
  • an annular shoulder 6 is formed on the piston 5, with which the cup-shaped spring element 4 is connected by means of an interference fit.
  • the cup-shaped spring element 4 is arranged in the valve 1 in such a way that it can exert a prestress in the direction of arrow F via the housing 3 on the piezo element 2.
  • the piezo actuator 2, the spring element 4 and the hydraulic coupler are arranged in a housing 7 of the valve 1.
  • the piezo element 2 is supported on the housing 7 via an intermediate component.
  • FIG. 2 shows a round plate 10 made of sheet metal, from which the cup-shaped spring element 4 can be produced, for example, by deep drawing.
  • the cup-shaped spring element 4 is particularly simple and inexpensive to produce. You can do this after deep drawing further manufacturing steps, such as trimming and hardening, are carried out.
  • the cup-shaped spring element 4 according to the invention enables a force transmission from the piezo element 2 to the piston 5 of the hydraulic coupler that is free of lateral forces. Furthermore, the cup-shaped spring element 4 according to the invention has a smaller installation space compared to the use of conventional compression springs, so that in particular the axial length of the valve 1 can be reduced. According to the invention, only one spring element on one side of the piezo element 2 is necessary for pretensioning. The cup-shaped spring element 4 according to the invention can ensure that the required high static and dynamic values are applied.
  • FIGS. 3 to 5 show a spring element in accordance with a second exemplary embodiment. The same parts are designated with the same reference numerals as in the first embodiment.
  • the cup-shaped spring element 4 according to the second exemplary embodiment has a multiplicity of slot-shaped ones in comparison with the first exemplary embodiment
  • the cutouts 12 are arranged on the pot-shaped spring element 4 in such a way that they both extend partially into the side wall regions 14 and also into the bottom region 13 of the spring element 4 (cf. FIGS. 4 and 5).
  • These recesses are formed at the transition area from the bottom area 13 to the lateral edge area 14, different spring characteristics are obtained than in the spring element according to the first embodiment.
  • the number, size and position the recesses on the cup-shaped spring element 4 can be varied in order to obtain different spring characteristics.
  • FIG. 3 shows a round plate 10, from which the cup-shaped spring element 4 according to the second
  • Embodiment can be produced by deep drawing.
  • a plurality of recesses 11 are formed in the round blank 10, which lie on a circumference around the center of the circular blank.
  • a cylindrical deep-drawing tool acts on the blank 10 shown in FIG. 3 in such a way that its outer circumference lies in the region of the cutouts 11.
  • the cutouts 12 shown in FIGS. 4 and 5 are obtained.
  • the blank 10 shown in FIG. 3 can be produced, for example, by punching out a flat sheet material.
  • the present invention thus relates to a piezo actuator with a piezo element 2, which is pretensioned by means of a cup-shaped spring element 4.
  • the cup-shaped spring element 4 has a simple and inexpensive construction and can provide the required high static and dynamic forces for biasing the piezo element 2 with a very small space.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einem piezoelement (2), welches mittels eines topfförmig ausgebildeten Federelements (4) vorgespannt ist. Das topfförmige Federelement (4) weist dabei einen einfachen und kostengünstig herstellbaren Aufbau auf und kann die erforderlichen hohen statischen und dynamischen Kräfte zur Vorspannung des piezoelements (2) bei einem sehr kleinen Bauraum bereitstellen.

Description

Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einem Piezoelement zur Betätigung eines mechanischen
Bauteils, insbesondere für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor, wobei das Piezoelement mittels eines Federelements vorgespannt ist.
Piezoaktoren werden beispielsweise bei
Kraftstoffeinspritzventilen zur Betätigung eines Steuerventils verwendet, welches seinerseits eine Düsennadel des Kraftstoffeinspritzventils betätigt. Derartige piezoelektrische Aktoren sind durch Schichtung von Keramikscheiben aufgebaute, zylindrische oder quaderförmige Elemente, welche elektrische Energie direkt in eine Bewegung, genauer einen Hub, umwandeln. Bei modernen Kraftstoffeinspritzventilen für Verbrennungsmotoren müssen dabei mit den Piezoaktoren hohe Schaltfrequenzen und sehr kurze Schaltzeiten verwirklicht werden. Um zu verhindern, dass die dabei auftretenden Massenkräfte nicht zur Selbstzerstörung des Aktors führen, muss auf den Piezoaktor eine hohe Vorlast aufgebracht werden. Bei Kraftstoffeinspritzventilen muss z. B. eine Vorlast von ca. 500 N bis 1000 N aufgebracht werden.
Um derartig hohe Vorspannungskräfte auf das Piezoelement aufzubringen, wurde beispielsweise in der DE 199 28 179 AI vorgeschlagen, das Piezoelement zwischen einer Tellerfeder und einer Spiralfeder einzuspannen. Weiterhin ist aus der DE 199 28 186 AI bekannt, das Piezoelement mit einem Druckbolzen zu verbinden, so dass das Piezoelement mechanisch mit einer auf Zug vorgespannten Wellfeder verbunden ist. Die Wellfeder ist dabei in einem Gehäusebereich verankert. Darüberhinaus ist aus der DE 199 28 183 AI ein Piezoelement bekannt, welches durch ein Federelement zwischen zwei plattenförmigen Bauteilen eingespannt ist. Bei den bekannten Vorspanneinrichtungen für das Piezoelement ist jedoch nachteilig, dass diese relativ aufwändig zu montieren sind und eine große Anzahl von Einzelteilen aufweisen. Dadurch ist die Herstellung derartiger Piezoaktoren relativ kostenintensiv.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Piezoaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass er sehr kompakt aufgebaut ist und sehr kostengünstig herstellbar ist. Hierzu ist das Federelement zur Vorspannung des Piezoelements topfförmig ausgebildet, so dass es beispielsweise als Ronde aus einem Blech ausgestanzt werden kann und anschließend z. B. durch Tiefziehen in seine topfförmige Gestalt gebracht werden kann. Es sei angemerkt, dass erfindungsgemäß unter dem Begriff topfförmige Gestalt sowohl ein runder Außenumfang als auch beispielsweise ein ovaler, ein rechteckiger, ein quadratischer oder ein vieleckiger Außenumfang verstanden wird. Das topfförmige Federelement weist somit einen Bodenbereich und einen Wandbereich auf, welcher am äußeren Umfang, genauer am äußeren Rand des Bodenbereichs, im wesentlichen senkrecht dazu angeordnet ist. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen topfförmigen Federelements weist der erfindungsgemäße Piezoaktor einen geringen Bauraum auf . Insbesondere im Vergleich mit Tellerfedern erhält man bei Verwendung des topfförmigen Federelements geringere Hysteresen. Weiterhin kann eine querkraftfreie Kraftübertragung erfolgen. Da das topfförmige Federelement einfach und gut reproduzierbar herstellbar ist, ergeben sich große kostenbedingte Herstellungsvorteile.
Um einen einfachen Aufbau des Piezoaktors bereitzustellen, ist das Piezoelement vorzugsweise in einem topfförmigen Gehäuse angeordnet .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das topfförmige Federelement eine oder mehrere Aussparungen auf. Vorzugsweise werden die Aussparungen derart gewählt, dass eine gewünschte Federcharakteristik durch das topfförmige Federelement bereitgestellt werden kann.
Besonders bevorzugt sind die Aussparungen des topfförmigen Federelements dabei schlitzförmig ausgebildet.
Um Federeigenschaften sowohl in Radial- als auch in Axialrichtung des Topfelement bereitzustellen, sind die Aussparungen des topfförmigen Federelements vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie vom Bodenbereich in den Wandbereich des Federelements übergehen. Vorzugsweise ist das topfförmige Federelement mit dem Gehäuse des Piezoelements über einen punktförmigen Kontakt in Verbindung. Um dabei eine gleichmäßige Krafteinleitung in das topfförmige Federelement zu erreichen, liegt dieser Kontakt vorzugsweise im Mittelpunkt bzw. auf einer Mittelachse des topfförmigen Federelements.
Vorzugsweise ist der punktförmige Kontakt durch ein am Außenboden des topfförmigen Gehäuses vorgesehenes, halbkugelförmiges Verbindungselement bereitgestellt. Dabei kann das Gehäuse des Piezoelements und das halbkugelförmige Verbindungselement beispielsweise aus einem Stück hergestellt werden.
Um temperaturbedingte Längenänderungen des Piezoelements ausgleichen zu können, steht das topfförmige Federelement vorzugsweise mit einem Kolben eines hydraulischen Kopplers in Verbindung. Dabei kann durch Volumenanpassung eines Fluidraums des hydraulischen Kopplers die temperaturbedingte Längenänderung des Piezoelements ausgeglichen werden. Der hydraulische Koppler kann dabei weiterhin derart ausgebildet sein, dass er den relativ geringen Hub des Piezoelements übersetzt.
Um eine einfache Befestigung des topfförmigen Federelements am Kolben des hydraulischen Kopplers zu ermöglichen, weist der Kolben vorzugsweise einen Ansatz auf, welcher dem inneren Umfang des topfförmigen Federelements entspricht. Vorzugsweise ist das topfförmige Federelement dabei mittels einer Presspassung mit dem Ansatz am Kolben verbunden.
Der erfindungsgemäße Piezoaktor wird insbesondere in einem Kraftstoffeinspritzventil für Speichereinspritzsysteme verwendet, wobei durch den Piezoaktor vorzugsweise ein Steuerventil betätigt wird, welches seinerseits ein Ventilglied des Kraftstoffeinspritzventils betätigt.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
Piezoaktors mit einem topfförmigen Federelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Figur 2 zeigt eine Blechronde, aus welcher das in Figur 1 dargestellte topfförmige Federelement hergestellt wird, Figur 3 zeigt eine Blechronde zur Herstellung eines topfförmigen Federelements gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel , Figur 4 zeigt eine Draufsicht des topfförmigen
Federelements gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel, und Figur 5 zeigt eine Seitenansicht des topfförmigen
Federelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ein Piezoaktor mit einem topfförmigen Federelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Der in Figur 1 dargestellte Piezoaktor wird dabei in einem Ventil 1 zur Einspritzung von Kraftstoff verwendet. Aus Gründen einer einfachen Darstellbarkeit sind beim Ventil 1 nur die erfindungswesentlichen Bauteile dargestellt. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein aus einer Vielzahl von Keramikscheiben geschichtetes Piezoelement 2 in einem topfförmigen Gehäuse 3 angeordnet. Am offenen Ende des topfförmigen Gehäuses 3 ist ein elektrischer Anschluss 8 für das Piezoelement 2 vorgesehen. Das Piezoelement 2 steht über das Gehäuse 3 mit einem topfförmigen Federelement 4 in Verbindung. Genauer ist am Gehäuse 3 ein halbkugelförmiges Verbindungselement 9 ausgebildet, um eine punktförmige Verbindung zwischen dem Gehäuse 3 und dem topfförmigen Federelement 4 herzustellen. Das topfförmige Federelement 4 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist einen Bodenbereich 13 sowie seitliche zylinderringförmige Wandbereiche 14 auf.
Das topfförmige Federelement 4 ist, wie in Figur 1 gezeigt, unmittelbar mit einem Kolben 5 eines hydraulischen Kopplers verbunden. Hierzu ist am Kolben 5 ein ringförmiger Absatz 6 ausgebildet, mit welchem das topfförmige Federelement 4 mittels einer Presspassung verbunden ist. Das topfförmige Federelement 4 ist dabei derart im Ventil 1 angeordnet, dass es eine Vorspannung in Richtung des Pfeils F über das Gehäuse 3 auf das Piezoelement 2 ausüben kann. Der Piezoaktor 2, das Federelement 4 sowie der hydraulische Koppler sind dabei in einem Gehäuse 7 des Ventils 1 angeordnet. Das Piezoelement 2 stützt sich über ein Zwischenbauteil am Gehäuse 7 ab.
In Figur 2 ist eine Ronde 10 aus Blech dargestellt, aus welcher das topfförmige Federelement 4 beispielsweise mittels Tiefziehen hergestellt werden kann. Dadurch ist das topfförmige Federelement 4 besonders einfach und kostengünstig herstellbar. Dabei können nach dem Tiefziehen noch weitere Herstellungsschritte, wie beispielsweise Beschneiden und Härten, erfolgen.
Durch das erfindungsgemäße topfförmige Federelement 4 kann dabei eine querkraftfreie Kraftübertragung vom Piezoelement 2 auf den Kolben 5 des hydraulischen Kopplers erfolgen. Weiterhin weist das erfindungsgemäße topfförmige Federelement 4 im Vergleich zu der Verwendung von üblichen Druckfedern einen geringeren Bauraum auf, so dass insbesondere die axiale Länge des Ventils 1 verringert werden kann. Gemäß der Erfindung ist nur ein Federelement an einer Seite des Piezoelements 2 zur Vorspannung notwendig. Dabei kann das erfindungsgemäße topfförmige Federelement 4 sicherstellen, dass die erforderlichen hohen statischen und dynamischen Werte aufgebracht werden.
In den Figuren 3 bis 5 ist ein Federelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Wie insbesondere aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich ist, weist das topfförmige Federelement 4 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von schlitzförmigen
Aussparungen 12 auf. Die Aussparungen 12 sind dabei derart am topfförmigen Federelement 4 angeordnet, dass sie sowohl teilweise in die seitlichen Wandbereiche 14 als auch in den Bodenbereich 13 des Federelements 4 reichen (vgl. Figuren 4 und 5) . Durch die Ausbildung dieser Aussparungen am Übergangsbereich vom Bodenbereich 13 zum seitlichen Randbereich 14 werden andere Federcharakteristiken als beim Federelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten. Je nach Wunsch kann dabei die Anzahl, die Größe und Position der Aussparungen am topfförmigen Federelement 4 variiert werden, um andere Federcharakteristiken zu erhalten.
In Figur 3 ist eine Ronde 10 dargestellt, aus welcher das topfförmige Federelement 4 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel mittels Tiefziehen hergestellt werden kann. In der Ronde 10 sind eine Vielzahl von Aussparungen 11 gebildet, welche auf einem Kreisumfang um den Mittelpunkt der kreisförmigen Ronde liegen. Dabei greift ein zylinderförmiges Tiefziehwerkzeug derart an der in Figur 3 gezeigten Ronde 10 an, dass sein Außenumfang im Bereich der Aussparungen 11 aufliegt. Dadurch werden die in den Figuren 4 und 5 gezeigten Aussparungen 12 erhalten. Die in Figur 3 dargestellte Ronde 10 kann beispielsweise durch Ausstanzen aus einem flachen Blechmaterial hergestellt werden.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen Piezoaktor mit einem Piezoelement 2, welches mittels eines topfförmig ausgebildeten Federelements 4 vorgespannt ist. Das topfförmige Federelement 4 weist dabei einen einfachen und kostengünstig herstellbaren Aufbau auf und kann die erforderlichen hohen statischen und dynamischen Kräfte zur Vorspannung des Piezoelements 2 bei einem sehr kleinen Bauraum bereitstellen.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoaktor mit einem Piezoelement (2) zur Betätigung eines mechanischen Bauteils (5) , insbesondere für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem
Verbrennungsmotor, wobei das Piezoelement (2) mittels eines Federelements (4) vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (4) topfförmig ausgebildet ist.
2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2) in einem topfförmigen Gehäuse (3) angeordnet ist.
3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das topfförmige Federelement (4) mindestens eine Aussparung (12) aufweist.
4. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (12) schlitzförmig ausgebildet sind.
5. Piezoaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (12) des topfförmigen Federelements (4) von einem Bodenbereich (13) in einen Wandbereich (14) übergehen.
6. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das topfförmige Federelement (4) mit dem topfförmigen Gehäuse (3) des Piezoelements (2) über einen punktförmigen Kontakt in Verbindung steht.
7. Piezoaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der punktförmige Kontakt durch ein am Außenboden des topfförmigen Gehäuses (3) vorgesehenes, halbkugelförmiges Verbindungselement (9) bereitgestellt ist .
8. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das topfförmige Federelement (4) mit einem Kolben (5) eines hydraulischen Kopplers in Verbindung steht.
9. Piezoaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolben (5) an der zum Federelement (4) gerichteten Seite ein umlaufender Absatz (6) ausgebildet ist, um das Federelement (4) aufzunehmen.
10. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das topfförmige Federelement (4) einen kreisförmigen oder einen ovalen oder einen rechteckigen oder einen viereckigen oder einen vieleckigen Außenumfang aufweist.
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