DE10147669A1

DE10147669A1 - Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils

Info

Publication number: DE10147669A1
Application number: DE10147669A
Authority: DE
Inventors: Udo Lux; Henning Teiwes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-10
Also published as: US20040174096A1; EP1433210A2; KR20040037115A; WO2003036785A2; WO2003036785A3; JP2005506828A

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

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 A1 vorgeschlagen, das Piezoelement zwischen einer Tellerfeder und einer Spiralfeder einzuspannen. Weiterhin ist aus der DE 199 28 186 A1 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 A1 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.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Piezoaktors mit einem topfförmigen Federelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine Blechronde, aus welcher das in Fig. 1 dargestellte topfförmige Federelement hergestellt wird,
Fig. 3 zeigt eine Blechronde zur Herstellung eines topfförmigen Federelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht des topfförmigen Federelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht des topfförmigen Federelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ein Piezoaktor mit einem topfförmigen Federelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Der in Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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. Fig. 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 Fig. 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 Fig. 3 gezeigten Ronde 10 an, dass sein Außenumfang im Bereich der Aussparungen 11 aufliegt. Dadurch werden die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Aussparungen 12 erhalten. Die in Fig. 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

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.