WO2007023038A1 - Arrangement with a piezo actuator and a method for the production thereof - Google Patents

Arrangement with a piezo actuator and a method for the production thereof Download PDF

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WO2007023038A1
WO2007023038A1 PCT/EP2006/064349 EP2006064349W WO2007023038A1 WO 2007023038 A1 WO2007023038 A1 WO 2007023038A1 EP 2006064349 W EP2006064349 W EP 2006064349W WO 2007023038 A1 WO2007023038 A1 WO 2007023038A1
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lines
holding body
arrangement
piezoelectric
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PCT/EP2006/064349
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Rudolf Heinz
Dieter Kienzler
Udo Schaich
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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 piezo injector or for actuating a mechanical component such as a valve or the like, and a method for its production according to the generic features of the main claim.
  • a piezoelectric actuator for example as a piezo injector or for actuating a mechanical component such as a valve or the like
  • 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.
  • EP 1 174 615 A3 also describes a piezoelectric actuator or a piezoelectric injector in which a piezoelectric element is present as an actuator for the direct needle lifting 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, the needle held under pretension to the closure of the injection nozzle is thereby deflected by the nozzle. moved away as the needle directly translated follows the movement of the actuator.
  • the electrical connection of the piezoelectric element to an external voltage source is carried out by an extension of the outer electrodes through a foot portion of the piezoelectric actuator.
  • This extension can also be routed to a connector, so that they are thus contacted in a mechanically non-critical area.
  • the extensions may be electrically isolated by the actuator foot, e.g. made of steel, are guided, on which the piezoelectric element is applied or fixed.
  • the extensions for fixing and strain relief of the outer electrodes are held in a potting compound, which are in a recess of the actuator base, possibly surrounded by a molded part made of steel or polymer introduced.
  • 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 and are held on a holding body, wherein the piezoelectric element is a mutual contacting of internal electrodes with contact elements. There are still supply wires as electrical Leads passed through a head portion of the holding body to the contact elements.
  • the electrical leads which are guided through a head part of the holding body to the contact elements, are advantageously connectable to the contact elements in cavities accessible from the outside during an assembly step.
  • Such an arrangement is for example advantageously used for controlling the stroke of a needle for fuel injection in a motor vehicle, both with a single-stage and with a two-stage translation.
  • the cavities of two attachable from the outside shells and a sliding outside sliding sleeve are formed.
  • the cavities are formed by two lateral bores which are closable by means of a plug.
  • a plug connection is provided here, in particular if the continuing wires with their glass melts are already mounted in the head part of the holding body.
  • these connectors are difficult to test after assembly with respect to the electrical contact, strength and shape, so that the sliding sleeve according to the invention or closable by a plug bore is advantageous in that the connection initially under visual control by welding, soldering or other material - or form-locking process can be produced.
  • Checking the joint can also be done by temperature measurement, visual inspection, or by checking the alignment of the ends of the leads.
  • the Ver- Bonding of the ends of the lines and / or the contact elements can be made at least partially overlapping.
  • An advantageous manufacturing method can be realized in that in a first step, the contact elements are added by means of the contact connections to the lines, in a second step, the half shells are added and in a third step, the sliding sleeve is pushed over the half-shells and by means of a fixed connection here is held.
  • the contact elements in a first method step, can be added to the lines by means of the contact connections made through the bores, and in a second method step, the bores are closed by means of plugs.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through a piezoelectric injector with a piezoelectric actuator with a basic geometric structure according to the prior art with internal contacting of the internal electrodes and
  • FIG. 2 shows a partial longitudinal section through an inventive embodiment of a piezoinjector with internal contact and a sliding sleeve in the region of a connection to the contact elements in the foot of the piezoelectric actuator
  • FIG. 3 shows a cross section along a line IM-III according to FIG. 2
  • Figure 4 shows a second embodiment with a lateral opening or bore in the region of the connection to the contact elements in the foot part of the piezoelectric actuator and
  • a piezoelectric actuator for direct Nadelhub Kunststoffung a nozzle needle for Nadelhub horrung in the injection system for fuel in an internal combustion engine can be used.
  • 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.
  • a plug part, not shown here, is present, by means of which the electric voltage for driving a piezoelectric element 3 can be connected by means of a connector design which is likewise adapted specifically to the application.
  • the piezoelectric layers of the piezoelectric element 3 are according to the figure 1 via an actuator base 11 at the top of a spherical sealing seat in the interior of the holding body. 2 on, wherein the piezoelectric element 3 is pressed to effect a good sealing seat with a spring 12.
  • a high-pressure seal to an electrical connection space 13 is necessary here, through which the two electrical lines 4 and 5 are guided to the piezoelectric element 3.
  • FIG. 2 shows a part of a piezoactuator according to the invention in the assembled state.
  • a piezoelectric element 21 is present, in which internal electrodes 22 and 23 are provided with reference numerals, which in the stack structure of the piezoelectric element 21 are mutually supplied in each case via an inner contact elements 24 and 25 with an electrical voltage.
  • the contact elements 24 and 25 contact the internal electrodes 22 and 23 in a manner not shown here via brushes, via a conductive adhesive or have a shape suitable for this purpose, for example with a helical wire guide. Due to the potential difference when a voltage is applied, the mechanical reaction in the piezo layers 26 of ceramic foils explained in the introduction is then effected between the internal electrodes 22 and 23.
  • the piezoelectric element 21 continues to be located on the holding body 29 of the piezoactuator 20 via an actuator foot 28, preferably made of steel, which has a head part 30, which on the one hand has a fuel supply and an electrical connection part.
  • the piezoelectric element 21 is sealed with respect to the fuel in the interior of the holding body 29 with an outer insulating layer.
  • feed wires are inserted in insulated fashion as lines 34 and 35 which are guided in a high-pressure-tight manner to the actuator base 28 for connection to the piezoelement 21.
  • the lines 34 and 35 are guided downwardly through a high pressure-tight Glaseinschmelzung 36 and 37 and held for rotational fixation in ceramic sleeves 38 and 39.
  • a lining 44 with electrically insulating material for example Polymer.
  • Behind the connection of the lines 34 and 35 and the contact elements 24 and 25 are then also ceramic sleeves 45 and 46 for centering or rotational fixation on the circumference of the holes.
  • the electrical connections between the lines 34 and 35 and the contact elements 24 and 25 in the respective cavity 40 and 41 are first prepared by welding, soldering or similar material or positive conductive connections and then the Half shells 42 and 43 added and fixed by means of a sliding sleeve 48 which is pushed over the half-shells 42 and 43.
  • the sliding sleeve 48 can be made before the connection between the lines 34 and 35 and the contact elements
  • FIG. 4 shows another exemplary embodiment in which, as an alternative to the sliding sleeve 48 according to FIG. 2, lateral bores 50 and 51 are provided, through which the connection between the lines 34 and 35 and the contact elements 24 and 25 can be made and then can the holes 50 and 51 are closed by plugs 52 and 53 and sealed tight.
  • FIG. 4 a shows a blunt
  • FIG. 4 b shows an overlapping connection
  • FIG. 4 c shows a connection that overlaps in a narrow manner
  • FIG. 4 d shows a plug connection.

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Abstract

The invention relates to an arrangement with a piezo actuator, for example, for actuating a mechanical component, comprising a multilayer structure of piezo layers (26) held in a piezo element (3; 21) on a holding body (2; 29, 30). A mutual contacting of inner electrodes (22, 23) with contact elements (24, 25) is provided on the piezo element (3; 21). The inventive arrangement also comprises electric lines (34, 35) that are led through the top part (30) of the holding body (29) to the contact elements (24, 25). The electric lines (34, 35), which are led through the top part (30) of the holding body (29) to the contact elements (24, 25), can be connected to the contact elements (24, 25) in cavities (40, 41; 50, 51) that can be accessed from the outside during an assembly step. The cavities (40, 41) are enclosed either by two half shells (42, 43), which can be attached from outside, and a sliding sleeve (45), which can be slide thereover on the outside or they are formed by two lateral holes (50, 51) that can be closed by a stopper (52, 52).

Description

Anordnung mit einem Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen HerstellungArrangement with a piezoelectric actuator and a method for its production
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Piezoaktor, beispielsweise als Piezoinjektor oder zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.The invention relates to an arrangement with a piezoelectric actuator, for example as a piezo injector or for actuating a mechanical component such as a valve or the like, and a method for its production 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 bzw. ein Piezoin- jektor 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 Du- senöffnung wegbewegt, da die Nadel direkt übersetzt der Bewegung des Aktors folgt.In addition, EP 1 174 615 A3 also describes a piezoelectric actuator or a piezoelectric injector in which a piezoelectric element is present as an actuator for the direct needle lifting 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, the needle held under pretension to the closure of the injection nozzle is thereby deflected by the nozzle. moved away as the needle directly translated follows the movement of the actuator.
Beim eingangs erwähnten Stand der Technik DE 100 26 005 A1 wird der elektrische Anschluss des Piezoelements an eine externe Spannungsquelle durch eine Verlängerung der äußeren Elektroden durch ein Fußteil des Pie- zoaktors hindurch vorgenommen. Diese Verlängerung kann auch weiter bis zu einem Stecker geführt werden, so dass diese somit in einem mechanisch unkritischen Bereich kontaktiert werden. Die Verlängerungen können dabei elektrisch isoliert durch den Aktorfuß, z.B. aus Stahl, geführt werden, an dem das Piezoelement anliegt oder befestigt ist. Weiterhin ist es aus diesem Stand der Technik bekannt, dass die Verlängerungen zur Fixierung und zur Zugentlastung der Außenelektroden in einer Vergussmasse gehalten sind, welche in eine Ausnehmung des Aktorfußes, ggf. von einem Formteil aus Stahl oder Polymer umgeben, eingebracht sind.In the cited prior art DE 100 26 005 A1, the electrical connection of the piezoelectric element to an external voltage source is carried out by an extension of the outer electrodes through a foot portion of the piezoelectric actuator. This extension can also be routed to a connector, so that they are thus contacted in a mechanically non-critical area. The extensions may be electrically isolated by the actuator foot, e.g. made of steel, are guided, on which the piezoelectric element is applied or fixed. Furthermore, it is known from this prior art that the extensions for fixing and strain relief of the outer electrodes are held in a potting compound, which are in a recess of the actuator base, possibly surrounded by a molded part made of steel or polymer introduced.
Bei den zuvor beschriebenen Piezoaktoren ist zu beachten, dass die elektrischen Anbindungen im Herstellungsprozess einfach aber im Betrieb sicher erfolgen sollen, wobei zusätzlich zur elektrischen Isolierung auch bei vielen Anwendungen mit einer Ventilfunktion eine ausreichende Abdichtung gegenüber Flüssigkeiten gewährleistet sein muss. Insbesondere bei einer Anwendung der Piezoaktoren als Einspritzinjektoren für Kraftstoff in sogenannten Common-Rail-Systemen (CR) ist bei den verwendeten hohen Drücken des Kraftstoffs eine sichere Bauweise erforderlich.In the piezoactuators described above, it should be noted that the electrical connections in the manufacturing process should be simple but safe during operation, and in addition to the electrical insulation must be ensured in many applications with a valve function sufficient sealing against liquids. In particular, in an application of the piezoelectric actuators as injection injectors for fuel in so-called common-rail systems (CR), a safe design is required at the high pressures of the fuel used.
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 und an einem Haltekörper gehalten sind, wobei am Piezoelement eine wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden mit Kontaktelementen vorhanden ist. Es sind weiterhin Zuführdrähte als elektrische Leitungen durch ein Kopfteil des Haltekörpers zu den Kontaktelementen geführt. Gemäß der Erfindung sind in vorteilhafter weise die elektrischen Leitungen, die durch ein Kopfteil des Haltekörpers zu den Kontaktelementen geführt sind, in von außen während eines Montageschrittes zugänglichen Hohlräumen mit den Kontaktelementen verbindbar. Eine solche Anordnung ist beispielsweise vorteilhaft zur Steuerung des Hubs einer Nadel für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug einsetzbar und zwar sowohl mit einer einstufigen als auch mit einer zweistufigen Übersetzung.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 and are held on a holding body, wherein the piezoelectric element is a mutual contacting of internal electrodes with contact elements. There are still supply wires as electrical Leads passed through a head portion of the holding body to the contact elements. According to the invention, the electrical leads, which are guided through a head part of the holding body to the contact elements, are advantageously connectable to the contact elements in cavities accessible from the outside during an assembly step. Such an arrangement is for example advantageously used for controlling the stroke of a needle for fuel injection in a motor vehicle, both with a single-stage and with a two-stage translation.
Bei einer ersten Ausführungsform sind die Hohlräume von zwei von außen anbringbaren Halbschalen und einer darüber außen schiebbaren Schiebehülse gebildet. Bei einer zweiten Ausführungsform sind die Hohlräume durch zwei seitliche Bohrungen, die mittels eines Stopfens verschließbar sind, gebildet. Es ist bei den beschriebenen Piezoaktoren vorteilhaft, wenn insbesondere bei innenliegenden Kontaktelementen am Aktorfuß auf einfache Weise eine Verbindung zwischen den die Innenelektroden kontaktierenden Kontaktelementen und den weiterführenden Drähten oder sonstigen elektrischen Leitungen zu den Steckern am Haltekörper des Piezoaktors hergestellt werden kann.In a first embodiment, the cavities of two attachable from the outside shells and a sliding outside sliding sleeve are formed. In a second embodiment, the cavities are formed by two lateral bores which are closable by means of a plug. It is advantageous in the case of the piezoactuators described in particular if, in the case of internal contact elements on the actuator foot, a connection between the contact elements contacting the internal electrodes and the continuing wires or other electrical lines to the plugs on the holding body of the piezoactuator can be established in a simple manner.
Bei herkömmlichen Anordnungen wird hier zum Beispiel eine Steckverbindung vorgesehen, insbesondere wenn die weiterführenden Drähte mit Ihren Glaseinschmelzungen schon im Kopfteil des Haltekörpeers montiert sind. Diese Steckverbindungen sind allerdings nach der Montage nur schwer prüfbar bezüglich des elektrischen Kontakts, der Festigkeit und der Form, so dass die erfindungsgemäße Schiebehülse oder die durch einen Stopfen verschließbare Bohrung insofern vorteilhaft ist, dass die Verbindung zunächst unter Sichtkontrolle durch Schweißen, Löten oder sonstigen stoff- oder formschlüssigen Verfahren hergestellt werden kann. Eine Kontrolle der Verbindungsstelle kann auch durch Temperaturmessung, durch Sichtprüfung oder durch Kontrolle der Ausrichtung der Enden der Leitungen erfolgen. Die Ver- bindung der Enden der Leitungen und/oder der Kontaktelemente kann zumindest teilweise überlappend erfolgen.In conventional arrangements, for example, a plug connection is provided here, in particular if the continuing wires with their glass melts are already mounted in the head part of the holding body. However, these connectors are difficult to test after assembly with respect to the electrical contact, strength and shape, so that the sliding sleeve according to the invention or closable by a plug bore is advantageous in that the connection initially under visual control by welding, soldering or other material - or form-locking process can be produced. Checking the joint can also be done by temperature measurement, visual inspection, or by checking the alignment of the ends of the leads. The Ver- Bonding of the ends of the lines and / or the contact elements can be made at least partially overlapping.
Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren kann dadurch realisiert werden, dass in einem ersten Verfahrensschritt die Kontaktelemente mittels der Kontaktverbindungen an die Leitungen angefügt werden, in einem zweiten Verfahrensschritt die Halbschalen angefügt werden und in einem dritten Verfahrensschritt die Schiebehülse über die Halbschalen geschoben wird und mittels einer festen Verbindung hier gehalten wird. Alternativ können auch in einem ersten Verfahrensschritt die Kontaktelemente mittels der durch die Bohrungen vorgenommenen Kontaktverbindungen an die Leitungen angefügt werden und in einem zweiten Verfahrensschritt die Bohrungen mittels Stopfen verschlossen werden. Bei dem letztgenannten Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, dass hier deutlich an Bauhöhe eingespart wird und damit eine relativ kurzer Piezoaktor realisierbar ist.An advantageous manufacturing method can be realized in that in a first step, the contact elements are added by means of the contact connections to the lines, in a second step, the half shells are added and in a third step, the sliding sleeve is pushed over the half-shells and by means of a fixed connection here is held. Alternatively, in a first method step, the contact elements can be added to the lines by means of the contact connections made through the bores, and in a second method step, the bores are closed by means of plugs. In the case of the last-mentioned method, it is particularly advantageous that there is considerable savings in height and thus a relatively short piezoactuator can be realized.
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 einen Piezoinjektor mit einem Piezoaktor mit einem prinzipiellen geometrischen Aufbau nach dem Stand der Technik mit innenliegender Kontaktierung der Innenelektroden undFigure 1 shows a longitudinal section through a piezoelectric injector with a piezoelectric actuator with a basic geometric structure according to the prior art with internal contacting of the internal electrodes and
Figur 2 einen Teillängsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Piezoinjektors mit innenliegender Kontaktierung und einer Schiebehülse im Bereich einer Verbindung zu den Kontaktelementen im Fußteil des Piezoaktors2 shows a partial longitudinal section through an inventive embodiment of a piezoinjector with internal contact and a sliding sleeve in the region of a connection to the contact elements in the foot of the piezoelectric actuator
Figur 3 einen Querschnitt entlang einer Linie IM-III nach der Figur 2, Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer seitlichen Öffnung bzw. Bohrung im Bereich der Verbindung zu den Kontaktelementen im Fußteil des Piezoaktors undFIG. 3 shows a cross section along a line IM-III according to FIG. 2, Figure 4 shows a second embodiment with a lateral opening or bore in the region of the connection to the contact elements in the foot part of the piezoelectric actuator and
Figuren 4a bis 4d Alternativen der Verbindungen der elektrischen Leitungen an den Kontaktelementen.Figures 4a to 4d alternatives of the connections of the electrical lines to the contact elements.
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In Figur 1 ist ein prinzipieller Aufbau eines einstufigen Piezoinjektors 1 gezeigt, bei dem ein Piezoaktor zur direkten Nadelhubsteuerung einer Düsennadel 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. Am Haltekörper 2 ist ein hier nicht dargestelltes Steckerteil vorhanden, durch das mit einer ebenfalls spezifisch an den Anwendungsfall angepassten Steckerausführung die elektrische Spannung zur Ansteuerung eines Piezoelements 3 angeschlossen werden kann.1 shows a basic structure of a single-stage piezoelectric injector 1, in which a piezoelectric actuator for direct Nadelhubsteuerung a nozzle needle for Nadelhubsteuerung in the injection system for fuel in an internal combustion engine can be used. In the upper part of a holding body 2 is present, which can be adjusted in its geometric dimensions substantially to the specific site. On the holding body 2, a plug part, not shown here, is present, by means of which the electric voltage for driving a piezoelectric element 3 can be connected by means of a connector design which is likewise adapted specifically to the application.
Vom Steckerteil sind hier Zuführdrähte als elektrische Leitungen 4 und 5 zu Außenelektroden 6 und 7 am Piezoelement 3 geführt, das bei einer Betätigung über eine sich hier senkrecht unterhalb befindliche mechanische Anordnung mit einem Koppler 8 auf eine Düsennadel 9 derart wirkt, dass hier eine Freigabe einer Düsenöffnung 10 erfolgen kann. Ein im Inneren des Piezoinjektors 1 durch den Innenraum des Haltekörpers 2 geführter Kraftstoff kann somit in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden.From the plug part here are lead wires as electrical lines 4 and 5 to outer electrodes 6 and 7 on the piezoelectric element 3, which acts on actuation of a here below vertically located mechanical arrangement with a coupler 8 on a nozzle needle 9 so that here is a release of a Nozzle opening 10 can take place. A guided in the interior of the piezoelectric injector 1 through the interior of the holding body 2 fuel can thus be injected into the combustion chamber of an internal combustion engine, not shown here.
Die Piezolagen des Piezoelements 3 liegen nach der Figur 1 über einen Aktorfuß 11 oben an einem balligen Dichtsitz im Innenraum des Haltekörpers 2 an, wobei das Piezoelement 3 zur Bewirkung eines guten Dichtsitzes mit einer Feder 12 angedrückt wird. Insbesondere bei den eingangs erwähnten Common-Rail (CR)-Systemen ist hier eine Hochdruckabdichtung zu einem elektrischen Anschlussraum 13 notwendig, durch den die zwei elektrischen Leitungen 4 und 5 an das Piezoelement 3 geführt sind.The piezoelectric layers of the piezoelectric element 3 are according to the figure 1 via an actuator base 11 at the top of a spherical sealing seat in the interior of the holding body. 2 on, wherein the piezoelectric element 3 is pressed to effect a good sealing seat with a spring 12. In particular, in the case of the common rail (CR) systems mentioned in the introduction, a high-pressure seal to an electrical connection space 13 is necessary here, through which the two electrical lines 4 and 5 are guided to the piezoelectric element 3.
Aus Figur 2 ist ein Teil eines erfindungsgemäßen Piezoaktors im zusammengebauten Zustand zu entnehmen. Es ist hier ein Piezoelement 21 vorhanden, bei dem hier nur beispielhaft Innenelektroden 22 und 23 mit einem Bezugszeichen versehen sind, die im Stapelaufbau des Piezoelements 21 wechselseitig jeweils über eine innere Kontaktelemente 24 und 25 mit einer elektrischen Spannung versorgt werden. Die Kontaktelemente 24 und 25 kontaktieren die Innenelektroden 22 und 23 in einer hier nicht dargestellten Weise über Bürsten, über einen Leitkleber oder weisen eine hierfür geeignete Formgebung, zum Beispiel mit einer spiralförmigen Drahtführung auf. Durch das Potentialgefälle bei Anlage einer Spannung wird die in der Beschreibungseinleitung erläuterte mechanische Reaktion in den Piezolagen 26 aus Keramikfolien dann zwischen den Innenelektroden 22 und 23 bewirkt.FIG. 2 shows a part of a piezoactuator according to the invention in the assembled state. Here, a piezoelectric element 21 is present, in which internal electrodes 22 and 23 are provided with reference numerals, which in the stack structure of the piezoelectric element 21 are mutually supplied in each case via an inner contact elements 24 and 25 with an electrical voltage. The contact elements 24 and 25 contact the internal electrodes 22 and 23 in a manner not shown here via brushes, via a conductive adhesive or have a shape suitable for this purpose, for example with a helical wire guide. Due to the potential difference when a voltage is applied, the mechanical reaction in the piezo layers 26 of ceramic foils explained in the introduction is then effected between the internal electrodes 22 and 23.
Das Piezoelement 21 liegt weiterhin über einen Aktorfuß 28, vorzugsweise aus Stahl, am Haltekörper 29 des Piezoaktors 20 an, wobei dieser ein Kopfteil 30 aufweist, das zum einen eine Kraftstoffzufuhr und ein elektrisches Anschlussteil aufweist. Das Piezoelement 21 ist gegenüber dem Kraftstoff im Inneren des Haltekörpers 29 noch mit einer äußeren Isolationsschicht abgedichtet.The piezoelectric element 21 continues to be located on the holding body 29 of the piezoactuator 20 via an actuator foot 28, preferably made of steel, which has a head part 30, which on the one hand has a fuel supply and an electrical connection part. The piezoelectric element 21 is sealed with respect to the fuel in the interior of the holding body 29 with an outer insulating layer.
Im Inneren des Kopfteils 30 sind Zuführdrähte als Leitungen 34 und 35 isoliert eingefügt, die zum Anschluss an das Piezoelement 21 hochdruckdicht zum Aktorfuß 28 geführt sind. Die Leitungen 34 und 35 werden nach unten durch eine hochdruckdichte Glaseinschmelzung 36 und 37 geführt und zur Drehfixierung in keramischen Hülsen 38 und 39 gehalten. Danach enden die Leitungen 34 und 35 in Hohlräumen 40 und 41 , die von aus Figur 3 ersichtlichen Halbschalen 42 und 43 umschließbar sind, die zur Isolierung der Enden der Leitungen 34 und 35 sowie der Kontaktelemente 24 und 25 eine Auskleidung 44 mit elektrisch isolierendem Material, zum Beispiel Polymer, aufweisen. Hinter der Verbindung der Leitungen 34 und 35 und der Kontaktelemente 24 und 25 liegen dann ebenfalls noch keramische Hülsen 45 und 46 zur Zentrierung bzw. Drehfixierung am Umfang der Bohrungen.In the interior of the head part 30, feed wires are inserted in insulated fashion as lines 34 and 35 which are guided in a high-pressure-tight manner to the actuator base 28 for connection to the piezoelement 21. The lines 34 and 35 are guided downwardly through a high pressure-tight Glaseinschmelzung 36 and 37 and held for rotational fixation in ceramic sleeves 38 and 39. After that end the lines 34 and 35 in cavities 40 and 41 which are encompassed by apparent from Figure 3 half shells 42 and 43, for the insulation of the ends of the lines 34 and 35 and the contact elements 24 and 25, a lining 44 with electrically insulating material, for example Polymer. Behind the connection of the lines 34 and 35 and the contact elements 24 and 25 are then also ceramic sleeves 45 and 46 for centering or rotational fixation on the circumference of the holes.
Bei diesem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 3 werden die elektrischen Verbindungen zwischen den Leitungen 34 und 35 und den der Kontaktelemente 24 und 25 im jeweiligen Hohlraum 40 und 41 zunächst durch Schweißen, Löten oder ähnliche Stoff- oder formschlüssige leitende Verbindungen hergestellt und dann werden die Halbschalen 42 und 43 angefügt und mittels einer Schiebehülse 48, die über die Halbschalen 42 und 43 geschoben wird, fixiert. Die Schiebhülse 48 kann dabei vor der Herstellung der Verbindung zwischen den Leitungen 34 und 35 und den KontaktelementenIn this embodiment according to Figures 2 and 3, the electrical connections between the lines 34 and 35 and the contact elements 24 and 25 in the respective cavity 40 and 41 are first prepared by welding, soldering or similar material or positive conductive connections and then the Half shells 42 and 43 added and fixed by means of a sliding sleeve 48 which is pushed over the half-shells 42 and 43. The sliding sleeve 48 can be made before the connection between the lines 34 and 35 and the contact elements
24 und 25 zunächst nach oben über eine Fortsetzung 49 des Kopfteils 30 geschoben werden und nach der Herstellung der Verbindung nach unten auf die Halbschalen 42 und 43 verschoben und dann mit Schweißnähten 47 befestigt werden.24 and 25 are first pushed up over a continuation 49 of the head portion 30 and after the preparation of the compound down to the half-shells 42 and 43 are moved and then secured with welds 47.
Aus Figur 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem alternativ zur Schiebehülse 48 nach der Figur 2 seitliche Bohrungen 50 und 51 angebracht sind, durch die die Verbindung zwischen den Leitungen 34 und 35 und den Kontaktelementen 24 und 25 hergestellt werden kann und dann können die Bohrungen 50 und 51 durch Stopfen 52 und 53 verschlossen und dicht verschweißt werden.FIG. 4 shows another exemplary embodiment in which, as an alternative to the sliding sleeve 48 according to FIG. 2, lateral bores 50 and 51 are provided, through which the connection between the lines 34 and 35 and the contact elements 24 and 25 can be made and then can the holes 50 and 51 are closed by plugs 52 and 53 and sealed tight.
In Figur 4a bis 4d sind alternative Ausführungsbeispiele für die Verbindungen zwischen den Leitungen 34 und 35 und den Kontaktelementen 24 undIn Figures 4a to 4d are alternative embodiments of the connections between the lines 34 and 35 and the contact elements 24 and
25 (hier beispielhaft zwischen den Leitungen 35 und 25) in den Hohlräumen 40, 41 nach der Figur 2 und den Bohrungen 50, 51 nach der Figur 4 gezeigt. Die Figur 4a zeigt eine stumpfe, die Figur 4b eine überlappende, die Figur 4c eine breit auf schmal überlappende Verbindung und die Figur 4d eine Steckverbindung. 25 (here exemplarily between the lines 35 and 25) in the cavities 40, 41 of Figure 2 and the bores 50, 51 shown in Figure 4. FIG. 4 a shows a blunt, FIG. 4 b shows an overlapping connection, FIG. 4 c shows a connection that overlaps in a narrow manner, and FIG. 4 d shows a plug connection.

Claims

R.311605R.311605
Patentansprücheclaims
1 ) Anordnung mit einem Piezoaktor, mit1) Arrangement with a piezoelectric actuator, with
- einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (26), die als Bestandteil eines Piezoelements (3;21) in einem Haltekörper (2;29,30) gehalten sind, wobei am Piezoelement (3;21 ) eine innere wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden (22,23) mit Kontaktelementen (24,25) vorhanden ist und mita multilayer structure of piezoelectric layers (26) which are held in a holding body (2, 29, 30) as part of a piezoelectric element (3, 21), wherein on the piezoelectric element (3, 21) an internal mutual contacting of internal electrodes (22, 23 ) is present with contact elements (24,25) and with
- elektrischen Leitungen (34,35), die durch ein Kopfteil (30) des Haltekörpers (29) zu den Kontaktelementen (24,25) geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass- Electric lines (34,35), which are guided through a head part (30) of the holding body (29) to the contact elements (24,25), characterized in that
- die elektrischen Leitungen (34,35), die durch ein Kopfteil (30) des Haltekörpers (29) zu den Kontaktelementen (24,25) geführt sind und in von außen während eines Montageschrittes zugänglichen Hohlräumen (40,41 ;50, 51 ) mit den Kontaktelementen (24,25) verbindbar sind.- The electrical leads (34,35) which are guided by a head part (30) of the holding body (29) to the contact elements (24,25) and in accessible from the outside during an assembly step cavities (40,41; 50, 51) with the contact elements (24,25) are connectable.
2) Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass2) Arrangement according to claim 1, characterized in that
- die Hohlräume (40,41 ) von zwei von außen anbringbaren Halbschalen (42,43) und einer darüber außen schiebbaren Schiebehülse (48) umschlossen sind. 3) Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass- The cavities (40,41) of two attachable from the outside half shells (42,43) and a sliding outside sliding sleeve (48) are enclosed. 3) Arrangement according to claim 1, characterized in that
- die Hohlräume (40,41 ) durch zwei seitliche Bohrungen (50,51 ), die mittels eines Stopfens (52,52) verschließbar sind, gebildet sind.- The cavities (40,41) by two lateral bores (50,51) which are closable by means of a plug (52,52) are formed.
4) Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass4) Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that
- die elektrischen Leitungen (34,35) im Kopfteil (30) des Haltekörpers (29,30) in einer Glaseinschmelzung (36,37) eingebettet sind.- The electrical lines (34,35) in the head part (30) of the holding body (29,30) in a Glaseinschmelzung (36,37) are embedded.
5) Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass5) Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that
- die Kontaktverbindungen der elektrischen Leitungen (34,35) zu den Kontaktelementen (24,25) durch Verschweißen, Löten oder einer anderen stoff- oder formschlüssigen Verbindung herstellbar ist.- The contact connections of the electrical lines (34,35) to the contact elements (24,25) by welding, soldering or another material or positive connection can be produced.
6) Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass6) Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that
- die Enden der Leitungen (34,35) und/oder der Kontaktelemente (24/25) zumindest teilweise überlappend aneinander liegen.- The ends of the lines (34,35) and / or the contact elements (24/25) are at least partially overlapping each other.
7) Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem Piezoaktor nach Anspruch 2 und einem darauf zurückbezogenen Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass7) A method for producing an arrangement with a piezoelectric actuator according to claim 2 and a claim dependent thereon, characterized in that
- in einem ersten Verfahrensschritt die Kontaktelemente (24,25) mittels der Kontaktverbindungen an die Leitungen (24,25) angefügt werden, - in einem zweiten Verfahrensschritt die Halbschalen (40,41 ) angefügt werden undin a first method step, the contact elements (24, 25) are attached to the lines (24, 25) by means of the contact connections, - In a second process step, the half-shells (40,41) are added and
- in einem dritten Verfahrensschritt die Schiebehülse (45) über die Halbschalen (40,41 ) geschoben wird und mittels einer festen Verbindung hier druckdicht gehalten wird.- In a third step, the sliding sleeve (45) on the half-shells (40,41) is pushed and held by a firm connection here pressure-tight.
8) Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem Piezoaktor nach Anspruch 3 und einem darauf zurückbezogenen Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass8) A method for producing an arrangement with a piezoelectric actuator according to claim 3 and a claim dependent thereon, characterized in that
- in einem ersten Verfahrensschritt die Kontaktelemente (24,25) mittels der durch die Bohrungen (50,51 ) vorgenommenen Kontaktverbindungen an die Leitungen (24,25) angefügt werden und- In a first step, the contact elements (24,25) by means of the holes (50,51) made contact connections to the lines (24,25) are added and
- in einem zweiten Verfahrensschritt die Bohrungen (50,51 ) mittels Stopfen (52,53) druckdicht verschlossen werden. - In a second step, the bores (50,51) by means of plugs (52,53) are sealed pressure-tight.
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