DE102004057464A1

DE102004057464A1 - Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils

Info

Publication number: DE102004057464A1
Application number: DE102004057464A
Authority: DE
Inventors: Bertram Sugg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-01
Also published as: WO2006058811A1

Abstract

Es wird ein Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor, vorgeschlagen, bei dem mindestens ein vorgespanntes Federelement (6) vorhanden ist, das in axialer Richtung zwischen einer am Piezoelement (2) anliegenden ersten Platte (7) und einer oberen Fixierung im Gehäuse (3; 5) angeordnet ist, wobei das Piezoelement (2) mit seinem anderen Ende in Richtung der Aktorbewegung am Gehäuse (3; 4) anliegt. An der ersten Platte (7) sind Schubstangen (8, 9) angebracht, die in Richtung der Aktorbewegung durch das Gehäuse (3; 4) geführt sind und dort außerhalb des Gehäuses (3; 4) mit einer zweiten Platte (10) verbunden sind, die die Aktorbewegung auf das zu betätigende mechanische Bauteil überträgt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezaelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur, insbesondere als Multi-Layer aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur. und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Für sich gesehen ist es auch bekannt, dass Einspritzdüsen oder -ventile zur Kraftstoffzumessung eines Verbrennungsmotors Druck- oder Steuerbolzen aufweisen, die hohe Drücke und schnelle und genaue Reaktionszeiten verlangen.
Um diese sehr schnellen, dynamischen Schaltvorgänge ohne Zerstörung des Piezoaktors nutzen zu können, kann dieser mechanisch vorgespannt werden. Hierzu dient in der Regel eine Feder, welche den Piezoaktor auch im Beschleunigungsfalle immer unter Druckspannung hält.

Es ist beispielsweise aus der DE 199 28 186 A1 ein sol- cher Piezoaktor bekannt, bei dem zur Erzeugung einer Vorspannung, die beispielsweise zur Rückstellung eines Betätigungselements notwendig ist, der Piezoaktor mit mindestens einem auf Zug vorgespannten Wellfederelement versehen ist, das in axialer Richtung zwischen dem Piezoelement und einer oberen Fixierung im Gehäuse angeordnet ist.

Die übliche Dehnungswerte des Piezoelements liegen im Bereich von ε = 1,5 – 1,8 Promille. Dabei wird meist der sogenannte Longitudinaleffekt genutzt, d.h. die Bewegung erfolgt in Achsrichtung des Piezoaktors. Im unbestromten Zustand hat der Piezoaktor die kürzeste Länge L₀; im bestromten bzw. geladenen Zustand in guter Näherung die Länge (1 + ε) L₀.

Oft ist es aber entsprechend der Konstruktion insbesondere für einen Injektor gewünscht, einen Piezoaktor zu haben, der in seiner Ruheposition die maximale Länge hat. Erst im Falle einer Bestromung soll sich der Piezoaktor bzw. ein komplettes Piezoaktor-Modul kontrahieren.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor, weist ein Gehäuse auf, in dem ein Piezoelement des Piezoaktors mit der Möglichkeit einer axialen Dehnung oder Kontraktion gehalten ist. Es ist mindestens ein vorgespanntes Federelement vorhanden, das in axialer Richtung zwischen einer am Piezoelement anliegenden ersten Platte und einer oberen Fixierung im Gehäuse angeordnet ist, wobei das Piezoelement mit seinem anderen Ende in Richtung der Aktorbewegung am Gehäuse anliegt. In vorteilhafter Weise sind gemäß der Erfindung an der ersten Platte Schubstangen angebracht, die in Richtung der Aktorbewegung durch das Gehäuse geführt sind und dort außerhalb des Gehäuses mit einer zweiten Platte verbunden sind, die die Aktorbewegung auf das zu betätigende mechanische Bauteil überträgt.

Bevorzugt besteht das Gehäuse aus zwei Gehäuseteilen, wobei im oberen Gehäuseteil das Federelement gehalten und insbesondere auch axial zentriert werden kann. Die beiden Gehäuseteile können nach dem Zusammenfügen der Bauteile des Piezoaktors miteinander verbunden werden, wobei die Verbindung der beiden Gehäuseteile auf einfache Weise durch eine Verschweißung erfolgen kann.

Über die axiale Festlegung der Verbindungsstelle zwischen den beiden Gehäuseteilen kann gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Vorspannung, die das Federelement auf das Piezoelement ausübt, eingestellt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann in vorteilhafter Weise eine Konstruktion für einen Piezoaktor realisiert werden, welche im Ruhezustand, d.h. unbestromt, die maximale Länge L₂ aufweist. Wird der Piezoaktor mit einem e lektrischen Strom beaufschlagt, dehnt sich das Piezoelement zwar aus, aber die mechanische Reaktion des Piezoaktors insgesamt besteht jedoch in einer Verkürzung auf die Länge L mit L₁< L < L₂.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass beim vorgeschlagenen Piezoaktor die Vorspannfeder leicht integrierbar ist und die gewollte Richtungsumkehr auch ohne eine üblicherweise eingesetzte Hydraulik bewerkstelligt werden kann.

In vorteilhafter Weise können zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements Anschlussstifte von den Außenkontaktierungen am Piezoelement durch Buchsen im oberen Gehäuseteil axial beweglich nach außen geführt werden, die dann auch noch eine Zentrierung bei der Bewegung des Piezoelements bewirken.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoaktors wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Piezoaktor zur Betätigung eines Einspritzinjektors zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor mit einer Vorspannfeder in einem zweigeteilten Gehäuse in einer ersten Darstellung und
2 einen Schnitt durch den Piezoaktor nach der 1 in einer zweiten um 90° gedrehten Darstellung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Darstellung nach 1 ist ein Piezoaktor 1 mit einem Piezoelement 2 in einem Gehäuse 3 gezeigt. Das Piezoelement 2 ist hier, wie an sich bekannt, aus einem Multilayer-Piezomaterial mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoelements 2 erfolgt.
Das Piezoelement 2 ist hier innerhalb des Gehäuses 3 zwischen einem ersten Gehäuseteil 4 und einem zweiten Gehäuseteil 5 eingespannt, bzw. auch vorgespannt. Die Vorspannung wird über eine Feder 6 aufgebracht, die zwischen einer ersten Platte 7 am Piezoelement 2 und der oberen Wand des zweiten Gehäuseteils 5 eingespannt ist. Mit dem Gehäuseteil 5 ist auch eine Zentrierung des Piezoelements 2 und der Feder 6 erreichbar.
Über die axiale Festlegung der Verbindungsstelle zwischen dem ersten Gehäuseteil 4 und dem zweiten Gehäuseteil 5 kann die Länge L₁ und damit die Vorspannkraft F_F eingestellt werden. Die beispielsweise miteinander verschweißten Gehäuseteile 4 und 5 sind bevorzugt aus einem steifen Material, damit die Gesamtsteifigkeit, mit der der Piezoaktor 1 vorgespannt wird, im wesentlichen durch die Vorspannfeder 6, z.B. eine Rohfeder, bestimmt wird.
Bei der Auslegung dieser Vorspannung ist zu beachten, dass eine Gegenkraft F_G auf den Piezoaktor 1 wirkt und damit die Vorspannkraft F_V der Feder 6 reduziert, so dass der Piezoaktor 1 insgesamt die Vorspannung F_V = F_F – F_G erfährt.
An der ersten Platte 7 des Piezoaktors 1 nach der 1 sind Schubstangen 8 und 9 angebracht, die in Richtung der Aktorbewegung aus dem Gehäuse 3 durch entsprechende Buchsen geführt und ggf. zentriert werden und dort außerhalb des Gehäuses 3 an einer zweiten Platte 10 befestigt sind.
Aus 2 ist ein um 90° gedrehter Schnitt des Piezoaktors 1 zu entnehmen, so dass die elektrischen Anschlussstifte 11 und 12 erkennbar sind, die außen am Piezoelement 2 kontaktiert sind. Über diese Anschlussstifte 11 und 12 wird die elektrische Spannung mit unterschiedlicher Polarität wechselseitig an die Piezolagen des Piezoelements 2 herangeführt, so dass die Ausdehnung des Piezoelements 2 bei einer Bestromung bewirkt werden kann.
Die Anschlussstifte 11 und 12 sind hierbei über Buchsen 13 und 14 elektrisch vom Gehäuseteil 5 isoliert und können dabei auch als Führung und/oder Zentrierung für das Piezoelement 2 wirken.
Wird nun der zuvor beschrieben Piezoaktor 1 bestromt, dann nimmt seine Länge zu und drückt die Feder 6 zusammen, so dass sich die starren Platten 7 und 10 in der Ansicht nach den 1 und 2 nach rechts bewegen und damit die Gesamtlänge L₂ des Piezoaktors 1 reduziert wird. Mit einem Abschalten oder Verringern der elektrischen Spannung an den Anschlussstiften 11 und 12 wird das Piezoelement 2 wieder kürzer, jedoch nimmt der Piezoaktor 1 in seiner Gesamtlänge wieder zu.

Claims

Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, mit – einem Gehäuse (3; 4, 5), in dem ein Piezoelement (2) des Piezoaktors (1) mit der Möglichkeit einer axialen Dehnung oder Kontraktion gehalten ist, mit – mindestens einem vorgespannten Federelement (6), das in axialer Richtung zwischen einer am Piezoelement (2) anliegenden ersten Platte (7) und einer oberen Fixierung im Gehäuse (3; 5) angeordnet ist, wobei das Piezoelement (2) mit seinem anderen Ende in Richtung der Aktorbewegung am Gehäuse (3; 4) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass – an der ersten Platte (7) Schubstangen (8, 9) angebracht sind, die in Richtung der Aktorbewegung durch das Gehäuse (3; 4) geführt sind und dort außerhalb des Gehäuses (3; 4) mit einer zweiten Platte (10) verbunden sind, die die Aktorbewegung auf das zu betätigende mechanische Bauteil überträgt.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Gehäuse (3) aus zwei Gehäuseteilen (4, 5) besteht, wobei im oberen Gehäuseteil (5) das Federelement gehalten und/oder zentriert ist.
Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die beiden Gehäuseteile (4, 5) nach dem Zusammenfügen der Bauteile des Piezoaktors (1) miteinander verbunden sind.
Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verbindung der beiden Gehäuseteile (4, 5) durch eine Verschweißung erfolgt.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – über die axiale Festlegung der Verbindungsstelle zwischen den beiden Gehäuseteilen (4, 5) die Vorspannung (F_V), die das Federelement (6) auf das Piezoelement (2) ausübt, einstellbar ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements (2) Anschlussstifte (11, 12) von den Außenkontaktierungen am Piezoelement (2) durch Buchsen (13, 14) im oberen Gehäuseteil (5) axial beweglich nach außen geführt sind.