WO2007131965A1 - Piezoaktor - Google Patents

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Patrick Mattes
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Robert Bosch Gmbh
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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
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H10N30/883—Additional insulation means preventing electrical, physical or chemical damage, e.g. protective coatings

Definitions

  • the invention relates to an at least partially encased, for example, flowed around by liquid media piezoelectric actuator according to the generic features of the main claim.
  • a piezoelectric element can be used in such a way that, by utilizing the so-called piezoelectric effect, it is possible to control the needle stroke of a valve or the like.
  • the piezoelectric element is constructed of a material having a suitable crystal structure such that upon application of an external electrical voltage, a mechanical reaction of the piezoelectric element takes place, which represents a pressure or tension in a predeterminable direction as a function of the crystal structure and the contact regions of the electrical voltage.
  • 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 as part of a Piezoinj ector from DE 10026005 Al is known, for controlling the nozzle needle in injectors for the injection of
  • Fuel can be used in the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • this piezoelectric actuator is a piezoelectric element as Stack constructed of a plurality of piezo-ceramic layers electrically coupled to each other, which is held by an actuator foot and an actuator head 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 externally. Due to this electrical voltage, the piezoceramic layers then each carry out small strokes in the direction of the potential drop, which add up to the total stroke of the piezoactuator. This total stroke can be changed by the amount of voltage applied and can be transmitted to a mechanical actuator ,
  • These common rail injectors can be constructed so that an indirectly controlled by the piezoelectric actuator nozzle needle is present, wherein the piezoelectric actuator is directly or indirectly surrounded by the pressure of the fuel and between the nozzle needle and the piezoelectric actuator only a hydraulic coupling space is provided.
  • the piezoelectric actuator in the interior of a holding body is constructed media-resistant.
  • the piezoelectric actuator must be resistant to the different fuels as well as to changing pressures and temperatures. Furthermore, it is a safe during assembly and transport
  • the invention is based on a piezoelectric actuator with a piezoelectric element described above, which consists of a multi-layer structure of piezoelectric layers, wherein between the piezoelectric layers arranged internal electrodes in the direction of the layer structure of the piezoelectric elements are alternately acted upon with a different polarity of an electrical voltage, with an actuator foot and an actuator head and with a surrounding at least the piezoelectric layers insulation medium.
  • the surface of the piezoelectric element is advantageously provided with a first electrical insulation layer.
  • the piezoelectric actuator possibly together with its held together under axial bias Aktorfußes and actuator head with at least one layer of metallic foil wrapped and on the film and the connection points of the piezoelectric element to Actuator foot and the actuator head overlaying a layer of plastic is applied.
  • a piezoactuator which can be produced cost-effectively is formed which, as mentioned at the beginning, can be part of a piezoinjector for an injection system for fuel in an internal combustion engine, the fuel flowing around the plastic.
  • the proposed casing of the piezoelectric actuator according to the invention is extremely resistant to media and also ensures safe handling during transport and during assembly.
  • protruding ends of the metallic foil converge in an extension at least in the area of the actuator base and can thus be compressed tightly into a substantially cylindrical shape which extends axially further. It is also advantageous if in the actuator foot, a central axial bore is present, in which the converging film ends are guided in the composite.
  • the plastic which is partially elastic for the mechanical and thermal stress given here and is applied as the last layer, can easily consist of a plastic coating which is enriched with solid particles.
  • the plastic encapsulation may preferably be a plastic PA66 or the like, and the solid particles, in particular for improving the heat conduction in the plastic, may be made of metal or silicon, for example.
  • the first electrical insulation layer on the surface of the piezoelectric element is preferably an electrically insulating paint applied in a manner known per se in a thickness of approximately 100 to 200 ⁇ m.
  • the metallic foil wound thereon can be, for example, about 10 to 20 ⁇ m thick.
  • the piezoelectric actuator may have a round or rectangular cross section.
  • FIG. 1 shows a section through a jacketed piezoactuator provided with a foil and a plastic encapsulation, with an actuator head and an actuator base,
  • FIG. 2 shows a section through the piezoelectric actuator according to the figure 1 with a rectangular cross section
  • Figure 3 shows a section through a provided with a film and a plastic extrusion, jacketed piezoelectric actuator with protruding merged ends of the film in a bore of the actuator base.
  • FIG. 1 shows a piezoactuator 1 which can be used, for example, for needle stroke control in the fuel injection system in an internal combustion engine.
  • a piezoelectric element 2 is part of the piezoelectric actuator 1, which still has an actuator base 3 and an actuator head 4, usually made of steel.
  • the piezoelectric actuator 1 has a rectangular cross section, but it may, depending on the application, also have a round or otherwise adapted cross-section.
  • the piezoelectric element 2 internal electrodes are not explicitly shown here, which are contacted via, also not shown here, guided by the actuator foot 3 electrical leads and external electrodes.
  • a mechanical arrangement located axially behind the actuator head 4 can be actuated in such a way that a release of a nozzle opening of the injection system can take place in the above-mentioned application.
  • the piezoelectric actuator 1 is generally installed in a holding or injector body (not shown here), the fuel being conveyed through the interior of the injector body on the piezoactuator 1. This fuel can then be injected for example in a so-called common rail system under the rail pressure mentioned in the introduction or another predetermined pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine, not shown here.
  • the piezoelectric actuator 1 is provided with the sheath according to the invention, in which initially the surface of the piezoelectric element 2 is provided with a first electrical insulation layer 11, which consists of an electrically insulating lacquer in a thickness of about 100 to 200 microns.
  • the piezoelectric actuator with at least one layer of a metallic foil 5, for example, with a thickness of about 10 to 20 microns wrapped, wound on the piezoelectric actuator on the piezoelectric element 2 and at least partially on the actuator base 3 and the actuator head 4 is.
  • the piezoelectric element 2 should be held together with the actuator base 3 and the actuator head 4 under axial prestressing and aligned.
  • the here preferably partially elastic plastic 6, which is applied as the last layer, can be made in a simple manner of a plastic extrusion, for example of PA66, which is enriched with solid particles, for example of metal or silicon.
  • a plastic extrusion for example of PA66
  • solid particles for example of metal or silicon.
  • FIG. 2 shows a further developed embodiment, in which the piezoelectric element 2 is almost completely wound and projecting ends 7 of the film 5 converge in the area of the actuator foot 3 and are then compacted together to form a substantially cylindrical shape, which xial extends into a bore 8 in the actuator base 3.
  • a plastic 6 is applied as Kunsstoffumspritzung. It can also be seen schematically from FIG. 2 how the actuator foot 3 rests against a holding body 10 via sealing edges 9, which is only indicated here.

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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Es wird ein Piezoaktor (1) mit einem Piezoelement (2), bestehend aus einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen, vorgeschlagen, wobei zwischen den Piezolagen angeordnete Innenelektroden in Richtung des Lagenaufbaus des Piezoelements (2) abwechselnd mit einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind. Es ist ein Aktorfuß (3) und ein Aktorkopf (4) und ein mindestens die Piezolagen des Piezoelements umgebendes Isolationsmedium (5,6) vorhanden. Die Oberfläche des Piezoelements (2) ist mit einer ersten elektrischen Isolationsschicht versehen und der Piezoaktor (1) ist zumindest im Bereich des Piezoelements (2) mit mindestens einer Lage einer metallischen Folie (5) umwickelt. Auf die Folie (5) und die Verbindungsstellen zum Aktorkopf (4) und zum Aktorfuß (3) überlagernd ist eine Lage eines Kunststoffes (6) aufgetragen.

Description

Beschreibung
Titel Piezoaktor
Die Erfindung betrifft einen zumindest teilweise ummantelten, beispielsweise von flüssigen Medien umströmten Piezoaktor nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Stand der Technik 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 als Bestandteil eines Piezoinj ektors aus der DE 10026005 Al bekannt, der zur An- Steuerung der Düsennadel bei Injektoren zur Einspritzung von
Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors verwendet werden kann. Bei diesem Piezoaktor ist ein Piezoelement als Stapel mehrerer elektrisch miteinander gekoppelter piezo- keramischer Schichten aufgebaut, das über einen Aktorfuß und einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen zwei Anschlagen 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 fuhren die piezokeramischen Schichten dann jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potenzi- algefalles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addie- ren. Dieser Gesamthub ist über die Hohe der angelegten Spannung veränderbar und kann auf ein mechanisches Stellglied u- bertragen werden.
Solche bekannte Anordnungen werden häufig zur Einbringung von Kraftstoff in direkt
Figure imgf000004_0001
t 'enoe Dieselmotoren als so ge- nannte Common Rail Systeme eingesetzt. Bei diesen als Common Rail Injektoren bekannten Systemen kann dabei der Einspritzdruck auf einfache Weise an die Last und Drehzahl des Verbrennungsmotors angepasst werden.
Diese Common Rail Injektoren können dabei so aufgebaut werden, dass eine indirekt vom Piezoaktor gesteuerte Dusennadel vorhanden ist, wobei der Piezoaktor direkt oder indirekt vom Druck des Kraftstoffs umgeben ist und zwischen der Dusennadel und dem Piezoaktor lediglich ein hydraulischer Kopplungsraum vorgesehen ist. Insbesondere bei solchen Einspritzsystemen ist es wichtig, dass der relativ empfindliche Piezoaktor im Inneren eines HaI- tekorpers medienbestandig aufgebaut ist. Der Piezoaktor muss dabei gegenüber den verschiedenen Kraftstoffen als auch gegenüber wechselnden Drucken und Temperaturen resistent sein. Wei- terhin ist bei der Montage und beim Transport ein sicheres
Handling erforderlich und zusatzlich ist auch noch ein Schutz vor mechanischem Stoß oder Druck insbesondere hinsichtlich der elektrischen Isolierung notwendig.
Um eine elektrische und mechanische Isolierung des Piezoaktors zu erreichen, wird oft eine Ummantelung des Piezoaktormoduls vorgeschlagen. Aus der DE 10230032 Al ist zur Vermeidung der zuvor beschriebenen Nachteile eine Anordnung mit einem Piezo- aktor in umströmenden Medien bekannt, bei der die Keramikschichten des Piezoelements in einer formveränderlichen Isola- tionsmasse vergossen sind, die wiederum in einem seitlich und am oberen und unteren Ende gegenüber dem Medium verschlossenen metallischen Gehäusemantel als Hülse eingebracht ist.
Zu beachten ist hierbei vor allem das Problem der Abdichtung eines Beschichtungswerkstoffs des Piezoaktors und gegebenen- falls einer Hülse an den Endstellen an einem Aktorfuß, einem Aktorkopf und eventuell an einem Haltekörper, in der Regel aus Stahl, um die Anordnung auch hier vor mechanischen Einflüssen zu schützen. Da der Piezoaktor und die Beschichtung oder Um- mantelung im Betrieb auch durch seinen Hub zusätzliche mecha- nische Dehnkräfte aufnehmen muss, werden in herkömmlicher Weise auch Metallhülsen in Verbindung mit Membranen verwendet. Die bekannten Anordnungen sind jedoch in der Herstellung aufwendig und damit kostenintensiv.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Piezoaktor mit einem Piezoelement aus, das aus einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen besteht, wobei zwischen den Piezolagen angeordnete Innenelektroden in Richtung des Lagenaufbaus des Piezo- elements abwechselnd mit einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind, mit einem Aktorfuß und einem Aktorkopf und mit einem mindestens die Piezolagen umgebenden Isolationsmedium. Gemäß der Erfindung ist in vorteilhafter Weise die Oberfläche des Piezoelements mit einer ersten elektrischen Isolationsschicht versehen. Weiterhin ist der Piezoaktor, eventuell mitsamt seines unter axialer Vorspannung zusammengehaltenen Aktorfußes und Aktorkopfes mit mindestens einer Lage einer metallischen Folie umwickelt und auf die Folie und die Verbindungsstellen des Piezoelements zum Aktorfuß und zum Aktorkopf überlagernd ist eine Lage eines Kunststoffs aufgetragen.
Mit der Erfindung ist somit ein kostengünstig herstellbarer Piezoaktor gebildet, der wie eingangs erwähnt, Bestandteil ei- nes Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor sein kann, wobei der Kraftstoff den Kunststoff umströmt. Durch die vorgeschlagene Ummantelung ist der erfindungsgemäße Piezoaktor äußerst medienbeständig und gewährleistet außerdem ein sicheres Handling beim Transport und bei der Montage.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform laufen ü- berstehende Enden der metallischen Folie zumindest im Bereich des Aktorfußes in einer Verlängerung zusammen und können somit dicht zu einer im wesentlichen zylindrischen Form zusammenge- ballt werden, die sich axial weiter erstreckt. Vorteilhaft ist es dabei außerdem, wenn im Aktorfuß eine zentrale axiale Bohrung vorhanden ist, in die die zusammenlaufenden Folienenden im Verbund hineingeführt sind.
Der für die hier gegebene mechanische und thermische Beanspruchng teilelastische Kunststoff, der als letzte Schicht aufgetragen wird, kann auf einfache Weise aus einer Kunst- stoffumspritzung bestehen, die mit festen Partikeln angereichert ist. Hierbei kann die Kunststoffumspritzung vorzugsweise ein Kunststoff PA66 oder ähnliches sein und die festen Parti- kel, insbesondere zur Verbesserung der Wärmeleitung im Kunststoff, können zum Beispiel aus Metall oder Silizium bestehen.
Die erste elektrische Isolationsschicht auf der Oberfläche des Piezoelements ist vorzugsweise ein in an sich bekannter Weise aufgetragener elektrisch isolierender Lack in einer Dicke von ca. 100 bis 200 μm. Die darauf gewickelte metallische Folie kann beispielsweise eine Dicke von ca. 10 bis 20 μm betragen.
Abhängig von dem jeweiligen Einsatz des Piezoaktors in einem Aggregat kann der Piezoaktor einen runden oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch einen mit einer Folie und einer Kunststoffumspritzung versehenen, ummantelten Piezo- aktor mit einem Aktorkopf und einem Aktorfuß,
Figur 2 einen Schnitt durch den Piezoaktor nach der Figur 1 mit rechteckigem Querschnitt und Figur 3 einen Schnitt durch einen mit einer Folie und einer Kunststoffumspritzung versehenen, ummantelten Piezoaktor mit überstehenden zusammengeführten Enden der Folie in einer Bohrung des Aktorfußes.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Ein Piezoele- ment 2 ist Bestandteil des Piezoaktors 1, der weiterhin noch einen Aktorfuß 3 und einen Aktorkopf 4 zumeist aus Stahl aufweist. Gemäß Figur 2 ist erkennbar, dass der Piezoaktor 1 einen rechteckigen Querschnitt aufweist, er kann jedoch, je nach Anwendungsfall, auch einen runden oder sonst wie angepassten Querschnitt aufweisen.
Im Piezoelement 2 sind hier nicht explizit dargestellte Innenelektroden vorhanden, die über, hier ebenfalls nicht gezeigte, durch den Aktorfuß 3 geführte elektrische Zuleitungen und über Außenelektroden kontaktiert sind. Bei einer Betätigung des Piezoaktors 1 durch eine Spannungsbeaufschlagung der Innen- elektroden kann eine hier axial hinter dem Aktorkopf 4 befindliche mechanische Anordnung derart betätigt werden, dass hier beim oben erwähnten Anwendungsfall eine Freigabe einer Düsenöffnung des Einspritzsystems erfolgen kann. Der Piezoaktor 1 ist in der Regel in einen hier nicht gezeigten Halte- oder Injektorkörper eingebaut, wobei der Kraftstoff durch den Innenraum des Injektorkörpers am Piezoaktor 1 vor- geigeführt wird. Dieser Kraftstoff kann dann beispielsweise bei einem sogenannten Common Rail System unter dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten Raildruck oder einem anderen vorgebbaren Druck in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden.
Um den Piezoaktor 1 vor dem umströmenden Kraftstoff und vor sonstigen schädlichen Einwirkungen zu schützen, ist der Piezoaktor 1 mit der erfindungsgemäßen Ummantelung versehen, bei der zunächst die Oberfläche des Piezoelements 2 mit einer hier ersten elektrischen Isolationsschicht 11 versehen wird, die aus einem elektrisch isolierenden Lack in einer Dicke von ca. 100 bis 200 μm besteht.
Weiterhin ist der Piezoaktor mit mindestens einer Lage einer metallischen Folie 5, beispielsweise mit einer Dicke von ca. 10 bis 20 μm, umwickelt, die auf den Piezoaktor auf das Piezo- element 2 und zumindest teilweise auch auf den Aktorfuß 3 und den Aktorkopf 4 aufgewickelt ist. Dabei sollte das Piezoele- ment 2 mit dem Aktorfuß 3 und dem Aktorkopf 4 unter axialer Vorspannung zusammengehalten und ausgerichtet werden. Auf die Folie 5 und diese überlappend ist eine Lage eines Kunststoffes 6 aufgetragen.
Der hier vorzugsweise teilelastische Kunststoff 6, der als letzte Schicht aufgetragen wird, kann auf einfache Weise aus einer Kunststoffumspritzung, zum Beispiel aus PA66, bestehen, die mit festen Partikeln, zum Beispiel aus Metall oder Silizium, angereichert ist. Bei einer entsprechenden Auswahl einer Kunststoffumspritzung und der dabei verwendeten Herstellungsapparatur kann eventuell sogar auf die zuvor erwähnte Vorspannung, zum Beispiel mit Rohr- oder Schraubenfedern, zwischen den Elementen des Piezoaktors 1 bei der Umwicklung und der Um- spritzung verzichtet werden. Aus Figur 2 ist ein weitergebildetes Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem das Piezoelement 2 nahezu vollständig umwickelt ist und überstehende Enden 7 der Folie 5 im Bereich des Aktorfußes 3 zusammenlaufen und dann dicht zu einer im wesent- liehen zylindrischen Form zusammengeballt werden, die sich a- xial in eine Bohrung 8 im Aktorfuß 3 erstreckt. Auch hier ist eine Kunstoff 6 als Kunsstoffumspritzung aufgetragen. Aus der Figur 2 ist auch noch schematisch zu entnehmen, wie der Aktorfuß 3 über Dichtkanten 9 an einem Haltekörper 10 anliegt, der hier nur angedeutet ist.

Claims

Ansprüche
l.Piezoaktor (1), bestehend aus einem Piezoelement (2), einem Aktorfuß (3) und einem Aktorkopf (4) und mit einem mindestens das Piezoelemetn umgebenden Isolationsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Piezoelements (2) mit einer ersten elektrischen Isolationsschicht (11) versehen ist, dass der Piezoaktor (1) zumindest im Bereich des Piezoelements (2) mit mindestens einer Lage einer metallischen Folie (5) umwickelt ist und dass auf die Folie (5) und weiter die Verbindungsstellen zwischen dem Piezoelement (2) und den Aktorfuß (3) sowie den Altorkopf (4) überlagernd eine Lage eines Kunststoffes (6) aufgetragen ist.
2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Enden (7) der metallischen Folie (5) zumindest im Bereich des Aktorfußes (3) in einer Verlängerung zusammenlaufen und dass im Aktorfuß (3) eine zentrale axiale Bohrung (8) vorhanden ist, in die die zusammenlaufenden Enden (7) der Folie (5) im Verbund hineingeführt sind.
3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (6) aus einer Kunststoffumspritzung besteht, die mit festen Partikeln angereichert ist.
4. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (6) der Kunststoffumspritzung aus PA66 gebildet ist.
5. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Partikel aus Metall oder Silizium bestehen.
6. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Isolationsschicht (11) auf der Oberfläche des Piezoelements (2) ein elektrisch isolierender Lack in einer Dicke von ca. 100 bis 200 μm ist.
7. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) einen runden Querschnitt aufweist.
8. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
9. Verwendung eines Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) Be- standteil eines Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für
Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor ist, wobei der Kraftstoff den Kunsstoff (6) der Kunststoffumspritzung umströmt.
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