壓電致動器模塊和壓電噴射器以及製造壓電致動器模塊的方法

2023-05-30 02:01:51

專利名稱：壓電致動器模塊和壓電噴射器以及製造壓電致動器模塊的方法
壓電致動器模塊和壓電噴射器以及製造壓電致動器模塊的
方法
現有技術本發明涉及一種按照權利要求1的類型特徵的壓電致動器模塊、一種按照權利要 求9的類型特徵的壓電噴射器、以及一種按照權利要求10的類型特徵的方法。為了構造用於前述壓電致動器模塊的壓電致動器，這樣地使用壓電元件，在充分 利用所謂的壓電效應情況下能夠控制閥或類似物的針閥行程，這本身是公知的。由具有合 適的晶體結構的材料製成的壓電層構造壓電元件，使得當在各個包圍該壓電層的內電極上 施加外部電壓時，壓電元件進行機械反應。依賴於晶體結構和電壓的施加範圍的不同情況，機械反應形成在一個預定方向上 的壓力或拉力。這種壓電致動器例如適合用於在大的操作力和高的衝程(循環)頻率下進 行直線往復運動的應用情況。壓電致動器例如應用於壓電噴射器中，壓電噴射器用於在周期性工作的內燃機中 定時準量地配給燃料。壓電噴射器基本上由一個保持體和一個布置在保持體中的壓電致動器模塊組成， 壓電致動器模塊由一個頭和一個腳部件以及一個布置在頭和腳部件之間的壓電致動器組 成，壓電致動器由一個或多個壓電元件構成。壓電致動器模塊與一個噴嘴針閥連接，從而通 過在壓電元件上施加電壓或消除電壓來打開或封閉噴嘴口。為了使在壓電噴射器中使用的在

圖1中示出的壓電致動器模塊53的壓電致動器 66相對於周圍的介質密封，壓電致動器66被包封在一個穩定的金屬套67中。致動器頭54 支撐面在一個也被稱為有源的端面的壓電致動器66端面上，該致動器頭54向外傳遞壓電 致動器66的行程和力。該致動器頭54經膜70與穩定的套67連接。此時膜70提供在致 動器頭54和套67之間的一種柔性的但是密封的連接。在這種壓電致動器模塊53中壓電 致動器66通過一個具有塑料外皮的銅線69實現電接通，該銅線被引導通過在由鋼製造的 致動器腳55中的通孔68。向內穿引電纜所需要的密封性在致動器腳55內部利用橡膠密封 襯套71實現。為了固定住密封襯套71和為了絕緣鋼製部件55中的沒有外皮的銅線69，需 要附加的塑料環繞注塑件72。本發明的公開本發明涉及一種開頭所述的優選間接地控制噴嘴針閥的壓電致動器模塊，其用於 一種例如用液態的和/或氣態的介質環繞流過的裝置，尤其是在壓電噴射器中。壓電致動 器模塊由一個致動器腳和一個致動器頭和包圍在它們之間的可以電接觸或被電接觸的壓 電元件組成，該壓電元件作為壓電致動器。壓電致動器藉助於引導通過至少一個在致動器 腳中的、採用至少一種密封被密封的通孔的接觸構件被電接觸。按照本發明，引導通過至少一個通孔的接觸構件包括漆包線，而在接觸構件和通 孔之間的密封按照本發明包括對漆包線的填密或機械壓入配合。漆包線，例如漆包銅線或漆包鋼線，具有優點，它在具有與現有技術中的常規用絕 緣塑料外包皮的金屬線相同的導線直徑情況下，具有優選小於一個毫米的較小的總直徑並且完全相對於致動器腳絕緣並且在此情況下具有高得多的擊穿強度。此時不需要採用塑料 外包皮形式的附加絕緣。優選由銅或鋼製成的漆包線滿足不僅在熱、電方面而且在機械方 面上的所有需要的特性。由於與常規用絕緣塑料外包皮的金屬線相比較，總的直徑較小，因此在設計構造 致動器腳時具有附加的自由度。例如伴隨著用於使金屬線引導穿過致動器腳所要求的、例 如貫通鑽孔的直徑的減小，可以進行其它的優化設計。例如可以擴大在致動器腳上支撐壓 電致動器的支撐面。由此不僅提高了壓電致動器模塊的負載能力而且改善了其壽命，因為 現在壓電致動器的整個端面支撐在致動器腳上。例如由此可以避免在壓電層的晶體結構或 壓電元件內部產生導致陶瓷破裂的不希望的力或應力突變，這種力或應力突變在現有技術 中由於壓電致動器的端面不是整個面地支撐在致動器腳上而可以出現。另一個有利的效果 是通過比現有技術減小的貫通鑽孔提高了致動器腳的剛性。這對壓電噴射器的剛性鏈也產 生積極的影響。重要的是要強調，在每種情況下通過釋放的結構空間提供了更多的設計構造可能 性。利用填密物或漆包線的機械壓入配合，實現對漆包線向內的密封。通過對漆包線 的填密或機械壓入配合，此時不僅在漆包線上形成一個壓力，而且對致動器腳中的貫通鑽 孔的壁上也形成一個壓力，由此實現所需要的密封效果。通過使電線與壓電致動器模塊的壓電致動器的電接觸部之間實施成本有利且牢 固的絕緣和密封獲得了本發明相對於現有技術的優點。這些優點尤其是這樣獲得的，即可 以用更簡單的按照本發明的結構取代現有技術中對電纜穿引的複雜且高成本的密封。通過 按照本發明的結構的電纜穿引，完全取消了現有技術中必需的密封襯套以及環繞注塑件， 由此此外達到了更高的製造質量，因為它的使用是與危險連在一起的。因此，例如塑料環繞 注塑件由於其具有比鋼明顯更大的熱膨脹係數，由於它的材料含量和含水量的相互作用， 會導致在壓電致動器模塊內部產生不希望的損壞和相互作用。本發明的一個有利的實施例規定，漆包線的填密或機械壓入配合包括套子。該套子例如可以是錐形的或鼓形的。原則上也可以設想用於該套子的其它設計結 構或解決方案。該套子優選藉助於壓力插入到致動器腳中。由於套子優選具有錐形的形狀或構 造，此時不僅在漆包線上而且在致動器腳中的壓力鑽孔的壁上都形成一個壓力，由此達到 需要的密封作用。本發明的另一個有利的實施例規定，該套子由非導電材料製成，以便在絕緣漆層 可能被損壞情況下仍然保持必要的擊穿強度。該漆包線優選涉及漆包銅線或漆包鋼線。本發明的第二個主題涉及一種壓電噴射器，它包括一個保持體和一個布置在保持 體中的壓電致動器模塊。按照本發明，該壓電致動器模塊涉及前面描述的壓電致動器模塊。本發明的第三個主題涉及一種用於製造包括一個致動器腳和一個致動器頭和至 少一個包圍在它們之間的、由可電接觸的或被電接觸的壓電元件構成的壓電致動器的壓電 致動器模塊的方法，其中該壓電致動器藉助於引導穿過至少一個在致動器腳中的、用至少 一種密封密封的通孔的接觸構件被電接觸。該方法包括方法步驟
4
-引導至少一個漆包線作為接觸構件穿過所述至少一個通孔，以及_將漆包線填密或機械壓入到所述通孔中，以實現使漆包線向內密封。通過漆包線的填密或機械壓入，此時不僅在漆包線上，而且在致動器腳中的貫通 鑽孔的壁上都形成一個壓力，由此達到所需要的密封作用。按照本發明方法的一個有利的實施例規定，為了將漆包線填密或機械壓入配合到 通孔中，將一個優選錐形構造的套子藉助於壓力插入到致動器腳中。由於錐形的形狀或構 造，此時不僅在漆包線上，而且在致動器腳中的壓力鑽孔的壁上都形成一個壓力，由此達到 所需的密封作用。附圖簡述以下詳細描述本發明的實施例。附圖中所示圖1是現有技術中的壓電致動器模塊的縱剖示意圖。圖2是現有技術中的壓電噴射器的縱剖示意圖。圖3是按照本發明的壓電致動器模塊的縱剖示意圖。
圖4是一個漆包線的示意圖。圖5是在漆包線和通孔之間藉助於一個套子形成的密封的細節圖。圖6是套子的不同的實施例。本發明的實施形式在圖2中用於描述工作原理示意示出的採用直接控制針閥的壓電噴射器01基本 上包括一個保持體02和一個布置在保持體02中的壓電致動器模塊03，後者具有一個致動 器頭04和一個致動器腳05，以及至少一個布置在致動器頭04和致動器腳05之間的由多個 上下堆疊的壓電元件06構成的壓電致動器16等。壓電元件06分別由壓電陶瓷製成的壓 電層和包圍壓電層的內電極07和08構成。壓電元件06的內電極07和08與外電極10和11電接觸並且然後通過插頭部件 09電接觸。壓電致動器模塊03通過耦合器12與噴嘴針閥13連接。如在說明書開頭部分 中所述的，通過內電極07和08在壓電元件06上施加電壓和由此產生機械反應使噴嘴口 14 被打開。在圖2所示的作為壓電噴射器01的應用情況下，壓電致動器模塊03在腔室15中 被一種要用壓電噴射器01配量供給的介質，通常是內燃機用的燃油，環繞流過。與上述壓電噴射器01不同，按照本發明的壓電致動器模塊03以間接的針閥控制 方式工作，它詳細地示於圖3中。壓電致動器16優選用一個金屬套17包封起來，該金屬套 使壓電致動器模塊03的壓電致動器16相對於腔室15中的燃油密封或者保護壓電致動器 16免受燃油的有害成分如水、RME或其它導電物質的損害。在一個也被稱為有源端面的壓 電致動器16端面上支撐著向外傳遞壓電致動器16的行程和力的致動器頭04。致動器頭 04通過膜23與穩定的金屬套17連接。在此情況下，膜23提供一個在致動器頭04和金屬 套17之間的柔性的但是密封的連接。為了取消現有技術中要求的密封襯套71 (圖1)，需要一個系統，該系統承擔開頭 所述的由密封襯套71完成的任務，如使導電體或電線形式的接觸構件69，如銅線69，向內 密封以及相對於致動器腳55的鋼材絕緣。為此目的，按照本發明，用在圖4示出的漆包線21形式的接觸構件19，例如漆包銅 線或漆包鋼線取代通常用塑料絕緣材料包皮的金屬線，例如銅線69或鋼線。漆包線21由例如銅絲或鋼絲形式的導線25和包裹導線25的漆層26構成。漆包線21具有優點，它在 具有與常規用絕緣塑料外包皮的金屬線相同的導線直徑Dl例如0. 5mm的情況下，具有較小 的總直徑D2，優選小於一個毫米，例如0. 6mm並且完全相對於致動器腳05絕緣並且在此情 況下具有高得多的擊穿強度。不需要採用塑料外包皮72 (圖1)形式的附加絕緣。優選由 銅或鋼製成的漆包線21滿足在熱、電和機械方面上的所有需要的特性。由於總的直徑D2比常規用絕緣塑料外包皮的金屬線更小，因此在設計構造致動 器腳05時具有附加的自由度。例如伴隨著用於使金屬線引導穿過致動器腳05所要求的、 例如貫通鑽孔18形式的通孔18的直徑的減小，可以進行其它的優化設計。例如可以擴大 在致動器腳05上支撐壓電致動器16的支撐面。由此不僅提高了壓電致動器模塊03的負 載能力而且改善了其壽命，因為現在壓電致動器16的整個端面支撐在致動器腳05上。例 如由此可以避免在壓電層的晶體結構或壓電元件06內部產生導致陶瓷破裂的不希望的力 或應力突變，這種力或應力突變在現有技術中由於壓電致動器66的端面不是整個面地支 撐在致動器腳55上(圖1)而可以出現。另一個有利的效果是通過比現有技術減小的貫通 鑽孔18提高了致動器腳05的剛性。這對壓電噴射器03的剛性鏈也產生積極的影響。重要的是要強調，在每種情況下通過釋放的結構空間提供了更多的設計構造可能 性。為了實現向內密封漆包線21，優選使用在圖6中詳細示出的、形式為一種填密(填 縫)22的密封20，或者例如利用優選錐形構造的套子24對漆包線21進行機械的壓入配合。 這個套子24優選藉助於壓力插入到致動器腳05中。由於是錐形形狀或結構，此時不僅在 漆包線21的總直徑D2面上形成一個壓力，而且對致動器腳05中的貫通鑽孔18的內直徑 D5或壁上也作用一個壓力，由此實現所需要的密封效果。在設計套子24的構造時，可以考慮在圖5中示出的多種解決方案，如例如錐形的 或鼓形的球面形的)。例如在圖6a)中示出的套子27在一個第一端面上具有較小的外直徑D3，它在一個 錐形段上以擴展角α展寬到一個較大的外直徑D4。圖6b)示出的套子28具有鼓形的、圓環面形的形狀。圖6c)示出的套子29不僅具有內錐體而且具有外椎體。這個套子24或這些套子24優選由一種非導電的、優選無機材料製成，使得即使在 絕緣漆層26遭受可能的破壞情況下仍然保持所需的擊穿強度。
權利要求
壓電致動器模塊(03)，具有一個致動器腳(05)和一個致動器頭(04)和至少一個被包圍在它們之間的壓電致動器(16)，其中壓電致動器(16)藉助於引導通過致動器腳(05)中的至少一個通孔(18)的接觸構件(19)被電接觸，該通孔用至少一種密封(20)密封，其特徵在於，接觸構件(19)包括漆包線(21)並且在接觸構件(19)和通孔(18)之間的密封(20)包括對漆包線(21)的填密(22)或機械壓入(22)。
2.按照權利要求1所述的壓電致動器模塊，其特徵在於，漆包線(21)的填密(22)或機 械壓入包括一個套子(24，27，28，29)。
3.按照權利要求2所述的壓電致動器模塊，其特徵在於，所述套子(24，27，29)是錐形的。
4.按照權利要求2所述的壓電致動器模塊，其特徵在於，所述套子(24，28)是鼓形的。
5.按照權利要求2，3或4所述的壓電致動器模塊，其特徵在於，所述套子(24，27，28， 29)藉助於壓力被插入到致動器腳(05)中。
6.按照權利要求2至5之一所述的壓電致動器模塊，其特徵在於，所述套子(24，27， 28,29)由非導電材料製成。
7.按照前述權利要求之一所述的壓電致動器模塊，其特徵在於，所述漆包線(21)是漆 包銅線。
8.按照權利要求1至6之一所述的壓電致動器模塊，其特徵在於，所述漆包線(21)是 漆包鋼線。
9.壓電噴射器(01)，其包括一個保持體(02)和一個設置在保持體(02)中的壓電致動 器模塊(03)，其特徵在於具有一個按照權利要求1至8之一所述的壓電致動器模塊(03)。
10.用於製造壓電致動器模塊的方法，所述壓電致動器模塊具有一個致動器腳(05)和 一個致動器頭(04)和至少一個被包圍在它們之間的壓電致動器(16)，所述壓電致動器由 可以電接觸的或被電接觸的壓電元件構成，其中壓電致動器(16)藉助於引導通過致動器 腳(05)中的至少一個通孔(18)的接觸構件(19)被電接觸，所述通孔用至少一種密封(20) 密封，其特徵在於方法步驟-引導至少一個漆包線(21)作為接觸構件(19)穿過所述至少一個通孔(18)，以及-在所述通孔(18)中產生對漆包線(21)的填密(22)或機械壓入。
11.按照權利要求10所述的方法，其特徵在於，為了在所述通孔(18)中產生對漆包 線(21)的填密(22)或機械壓入，將一個套子(24，27，28，29)藉助於壓力插入到致動器腳 (05)中。
全文摘要
本發明涉及一種壓電致動器模塊(03)，具有一個致動器腳(05)和一個致動器頭(04)和至少一個被包圍在它們之間的壓電致動器(16)，其中壓電致動器(16)藉助於引導通過致動器腳(05)中的至通孔(18)的接觸構件(19)被電接觸，該通孔用至少一種密封(20)密封。接觸構件(19)包括漆包線(21)。在接觸構件(19)和通孔(18)之間的密封(20)包括對漆包線(21)的填密(22)或機械壓入(22)。本發明還涉及一種包括這種壓電致動器模塊(03)的壓電噴射器(01)和一種用於製造這種壓電致動器模塊(03)的方法。
文檔編號F02M51/00GK101910608SQ200880124447
公開日2010年12月8日 申請日期2008年10月15日 優先權日2008年1月10日
發明者M·基昂特克, U·沙伊克 申請人:羅伯特.博世有限公司