WO2007033909A1 - Arrangement comprising a piezo actuator and a method for the production thereof - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an arrangement with a piezoelectric actuator, for example as a piezoelectric injector 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 piezoelectric injector for actuating a mechanical component such as a valve or the like
- 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.
- a piezoelectric element can be used in such a way that, by utilizing the so-called piezoelectric effect, a control of the needle stroke of a valve or the like can be carried out.
- the piezoelectric element is constructed of a material with a suitable crystal structure such that when an external electrical voltage is applied, a mechanical reaction is initiated. takes place on the piezoelectric element, which represents a pressure or train in a predetermined direction depending on the crystal structure and the contact areas 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 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.
- a piezoelectric actuator is also described in EP 1 174 615 A3, in which a piezoelectric element is present as an actuator for the direct needle stroke control of an injection injector for an internal combustion engine. Between the piezoelectric 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 in this case the held under bias to the closure of the injection nozzle needle is moved away from the nozzle opening, 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 overall lengths must be adapted to the specific application.
- the length of the supply line varies in particular between the actuator foot and the plug part in the region of the head part of the holding body for the piezoelectric actuator.
- the contact elements for supplying the piezoelectric element with the electrical voltage are continued by means of a continuous wire to the plug part.
- the known continuous wire is connected to a high-pressure-tight Glaseinschmelzung and must be adjusted in its length of the respective customer-specific length of the piezoelectric actuator, such as an injection injector. Since the wire is usually made of a material with low thermal expansion, such as NiFe, the poorly electrically conductive -A-
- the invention is based on an arrangement described above with a piezoactuator having a multilayer structure of piezoelectric layers in a piezoelectric element, which are held in a holding body, wherein on the piezoelectric element a mutual contacting of internal electrodes with contact elements is present. Furthermore, supply wires are guided as electrical lines through a head part of the holding body to the contact elements. According to the invention, the electrical lines are guided over an adjustable in length connecting element through the head part of the holding body to the contact elements in an advantageous manner.
- the connecting element consists of an electrically conductive sleeve in a predeterminable length, in which on one side the ends of the electrical lines of a plug part and on the other side, the ends of the lines as extensions of the contact elements can be introduced.
- the lines leading to the contact elements in or on the piezoelectric element are embedded in a glass sealing in a high pressure-tight manner with respect to liquids, wherein the glass melting is preferably embedded in the region of the head part of the holding body. Glass fusion can be carried out more easily with the invention because there are no long wire ends, thus simplifying the handling, transport and assembly.
- the inventive separation of the lines above the Glaseinschmelzonne can therefore be remedied by an additional connector, the disadvantage of continuous thin connection with a NiFe wire. It can be a simple length adjustment of the line to the Length of the piezoelectric actuator and a strain compensation are made.
- the upper end of the line facing the plug part can moreover be produced from a freely selectable material, wherein this line leading to the plug part can also be formed from the sleeve into a flat pin.
- the electrically conductive sleeve can be isolated by an insulating sleeve from the head part and it can still be arranged between the Glaseinschmelzung and the conductive sleeve, an additional insulating tube whose outer diameter is smaller than the outer diameter of the Glaseinschmelzung.
- the sleeve may be made of a material having better electrical conductivity, e.g. Copper or brass, and made with greater thickness than the Ni-Fe wire.
- a polarity and signal testing of the piezoelectric element and a test of high-pressure sealing in a first method step, a polarity and signal testing of the piezoelectric element and a test of high-pressure sealing and in a second process step, the connection of the lines between the plug part and the contact elements in the connecting element can be performed.
- FIG. 1 shows a longitudinal section through a piezo injector with a piezoelectric actuator in a basic geometric structure according to the prior art
- FIG. 2 shows a partial longitudinal section through an inventive embodiment of a piezoelectric actuator with internal contacting of internal electrodes of a piezoelectric element, in which the electrical conductors are guided by an outer plug through a head part of a holding body together with a Glaseinschmelzung
- Figures 3a and 3b are schematic representations of different lengths of the head portion of a holding body for the piezoelectric element and correspondingly adapted sleeves for the lines and
- Figure 4 and Figure 5 are each a detailed view of a sleeve for the ends of the lines to the plug and the contact element.
- FIG. 1 shows a basic structure of a known single-stage piezoelectric injector 1 with a piezoactuator, which is also referred to below as injection injector due to its proposed application and can be used, for example, for direct needle lift control in the fuel injection system of an internal combustion engine.
- 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 On the holding body 2 there is a plug part, not shown here, by means of which the electrical voltage for driving a piezo element 3 can be connected by means of a connector design which is also adapted specifically to the application.
- the holding body 2 according to the figure 1 is in particular at the head part usually in its length Lo to the application-specific conditions, for example as a fuel injector on the internal combustion engine, adapt. This results in special features in the management of the electrical lines inside and also with respect to the contacts.
- FIG. 2 shows a part of a piezoactuator 20 according to the invention in the assembled state.
- a piezoelectric element 21 is present, in which internal electrodes 22 and 23 are provided with a reference numeral only by way of example, which in the stack structure of the piezoelectric element 21 are mutually supplied with electrical voltage via inner contact elements 24 and 25. Due to the potential gradient when a voltage is applied, the mechanical reaction in the piezoelectric layers 26 made of ceramic films between the internal electrodes 22 and 23, as explained in the introduction to the description, is effected.
- the piezoelectric element 21 is still on a cover plate 27 made of ceramic and an actuator base 28 made of steel on the holding body 29 of the piezoelectric actuator 20, wherein the holding body 29 has a head portion 30, which has a fuel supply 31 and an electrical connection part 32.
- the piezoelectric element 21 is sealed with respect to the fuel in the interior of the holding body 29 with an outer insulating layer 33.
- feed wires are inserted insulated as lines 34 and 35, which are high pressure-tight for connection to the piezo element 21 are preferably pressed by means of a Glaseinschmelzung 36 and for connection to the contact elements 24 and 25 are contact connections 37 or 38 are present, which come to lie in each case in isolation or centering sleeves 39.
- the lines 34 and 35 are continued in a conventional manner after the contact connections 37 and 38 as continuous wires to the connector part 32 not shown here in detail, the wire length then the required length Lo of the head portion 30 of the holding body 29th must be adjusted. Since the wire of leads 34 and 35, for example of NiFe, is relatively thin and poorly electrically conductive, the realization of a PIN terminal at the end of leads 34 and 35 is relatively difficult.
- FIGS. 3 a and 3 b exemplary embodiments are shown in FIGS. 3 a and 3 b as well as in the detailed illustrations according to FIGS. 4 and 5, in which an application-specific length adaptation of the lines 34 and 35 in differently long head parts 29 can be recognized.
- FIGS. 3 a and 3 b show exemplary embodiments in which an application-specific length adaptation of the lines 34 and 35 in differently long head parts 29 can be recognized.
- FIGS. 3 a and 3 b shows a relatively short length L va ⁇ abei.
- FIG. 3b shows a long head part 29 having a relatively large length L va ⁇ abe .
- an electrically conductive sleeve 50 is present, for example made of copper, bronze or brass, by that with two-sided insertion of wires and a flexible plug-like connection can be made.
- Such a plug-type connection can be seen in each case from Figure 4 and Figure 5, wherein the leads 34 and 35 are replaced by wires or pins 51 and 52, which are inserted into both sides of the sleeve 50 and thus produce the flexible plug-like connection ,
- the lower 52 connected to the contact elements 24 or 25 pin 52 is located above a Glaseinschmelzung 53 in the head part 29 and above the Glaseinschmelzung 53, the pin 52 is guided in an insulating sleeve 54 until it opens into the sleeve 50.
- the pin 51 can also be formed at the other end as a plug pin 55, for example as a flat pin.
- an additional insulation tube 56 for example made of polymer or shrink tubing, is attached, the outer diameter of which is smaller than the glass melt 53.
- the above-mentioned glass melting 53 serves as a high-pressure seal against the fluid pressure to the outside in the event of leakage of the piezoelectric element 21 or the weld 41 (see FIG.
- the invention can be used to control the stroke of a fuel injection needle in a motor vehicle, both with a one-stage and a two-stage transmission.
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Abstract
Description
Anordnung mit einem Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstel- lun<Arrangement with a piezoactuator and a method for its production
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einen Piezoaktor, beispielsweise als Piezoinjektor 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 piezoelectric injector 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
Ein 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. Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Pie- zoaktors 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 Reakti- on 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.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. It is known per se that for the construction of the aforementioned piezoelectric actuator, a piezoelectric element can be used in such a way that, by utilizing the so-called piezoelectric effect, a control of the needle stroke of a valve or the like can be carried out. The piezoelectric element is constructed of a material with a suitable crystal structure such that when an external electrical voltage is applied, a mechanical reaction is initiated. takes place on the piezoelectric element, which represents a pressure or train in a predetermined direction depending on the crystal structure and the contact areas 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.
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.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 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 Düsenöffnung weg bewegt, da die Nadel direkt übersetzt der Bewegung des Aktors folgt.In addition, a piezoelectric actuator is also described in EP 1 174 615 A3, in which a piezoelectric element is present as an actuator for the direct needle stroke control of an injection injector for an internal combustion engine. Between the piezoelectric 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 in this case the held under bias to the closure of the injection nozzle needle is moved away from the nozzle opening, 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.
Oft sind bei den zuvor beschriebenen Piezoaktoren die Baulängen anwendungsspezifisch anzupassen. Dadurch variiert die Länge der Zuleitung insbesondere zwischen dem Aktorfuß und dem Steckerteil im Bereich des Kopfteils des Haltekörpers für den Piezoaktors. Bei den bekannten Piezoaktoren werden die Kontaktelemente zur Versorgung des Piezoelements mit der e- lektrischen Spannung mittels eines durchgehenden Drahtes bis zum Steckerteil weitergeführt.Often, in the previously described piezoelectric actuators, the overall lengths must be adapted to the specific application. As a result, the length of the supply line varies in particular between the actuator foot and the plug part in the region of the head part of the holding body for the piezoelectric actuator. In the known piezoelectric actuators, the contact elements for supplying the piezoelectric element with the electrical voltage are continued by means of a continuous wire to the plug part.
Der bekannte durchgehende Draht ist mit einer hochdruckdichten Glaseinschmelzung verbunden und muss in seiner Länge der jeweiligen kundenspezifischen Länge des Piezoaktors, z.B. eines Einspritzinjektors, angepasst werden. Da der Draht in der Regel aus einem Material mit kleiner Wärmeausdehnung, wie z.B. NiFe hergestellt wird, der schlecht elektrisch leitend -A-The known continuous wire is connected to a high-pressure-tight Glaseinschmelzung and must be adjusted in its length of the respective customer-specific length of the piezoelectric actuator, such as an injection injector. Since the wire is usually made of a material with low thermal expansion, such as NiFe, the poorly electrically conductive -A-
und relativ dünn ist, kann hierbei mit dem Ende des Drahtes ein elektrischer Anschluss nur schwer realisiert werden.and is relatively thin, this can be difficult to realize with the end of the wire, an electrical connection.
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 Pie- zoelement aufweist, die in einem Haltekörper gehalten sind, wobei am Pie- zoelement 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 über ein in seiner Länge anpassbares Verbindungselement durch das Kopfteil des Haltekörpers zu den Kontaktelementen geführt. Das Verbindungselement besteht dabei aus einer elektrisch leitenden Hülse in vorgebbarer Länge, in die an einer Seite die Enden der elektrischen Leitungen von einem Steckerteil und an der anderen Seite die Enden der Leitungen als Verlängerungen der Kontaktelemente einbringbar sind.The invention is based on an arrangement described above with a piezoactuator having a multilayer structure of piezoelectric layers in a piezoelectric element, which are held in a holding body, wherein on the piezoelectric element a mutual contacting of internal electrodes with contact elements is present. Furthermore, supply wires are guided as electrical lines through a head part of the holding body to the contact elements. According to the invention, the electrical lines are guided over an adjustable in length connecting element through the head part of the holding body to the contact elements in an advantageous manner. The connecting element consists of an electrically conductive sleeve in a predeterminable length, in which on one side the ends of the electrical lines of a plug part and on the other side, the ends of the lines as extensions of the contact elements can be introduced.
In vorteilhafter Weise sind unterhalb des Verbindungselements in Richtung zum Piezoelement die zu den Kontaktelementen im oder am Piezoelement führenden Leitungen in einer Glaseinschmelzung hochdruckdicht gegenüber Flüssigkeiten eingebettet, wobei die Glaseinschmelzung vorzugsweise im Bereich des Kopfteils des Haltekörpers eingebettet ist. Die Glaseinschmelzung kann mit der Erfindung einfacher durchgeführt werden, da keine langen Drahtenden vorhanden sind, somit ergibt sich eine Vereinfachung des Hand- ling, des Transports und der Montage.Advantageously, below the connecting element in the direction of the piezoelectric element, the lines leading to the contact elements in or on the piezoelectric element are embedded in a glass sealing in a high pressure-tight manner with respect to liquids, wherein the glass melting is preferably embedded in the region of the head part of the holding body. Glass fusion can be carried out more easily with the invention because there are no long wire ends, thus simplifying the handling, transport and assembly.
Durch die erfindungsgemäße Trennung der Leitungen oberhalb der Glaseinschmelzungen kann daher durch eine zusätzliche Steckverbindung der Nachteil der durchgehenden dünnen Verbindung mit einem NiFe-Draht behoben werden. Es kann eine einfache Längenanpassung der Leitung an die Länge des Piezoaktors und ein Dehnungsausgleich vorgenommen werden. Das obere dem Steckerteil zugewandte Ende der Leitung kann darüber hinaus aus einem frei wählbaren Material hergestellt werden, wobei diese zum Steckerteil führende Leitung aus der Hülse auch zu einem Flachpin ausgebildet werden kann.The inventive separation of the lines above the Glaseinschmelzungen can therefore be remedied by an additional connector, the disadvantage of continuous thin connection with a NiFe wire. It can be a simple length adjustment of the line to the Length of the piezoelectric actuator and a strain compensation are made. The upper end of the line facing the plug part can moreover be produced from a freely selectable material, wherein this line leading to the plug part can also be formed from the sleeve into a flat pin.
Die elektrisch leitende Hülse kann durch eine Isolationshülse vom Kopfteil isoliert werden und es kann noch zwischen der Glaseinschmelzung und der leitenden Hülse ein zusätzliches Isolationsrohr angeordnet werden, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser der Glaseinschmelzung. Die Hülse kann aus einem Material mit besserer elektrischer Leitfähigkeit, z.B. Kupfer oder Messing , und mit größerer Dicke als der Ni- Fe-Draht hergestellt werden.The electrically conductive sleeve can be isolated by an insulating sleeve from the head part and it can still be arranged between the Glaseinschmelzung and the conductive sleeve, an additional insulating tube whose outer diameter is smaller than the outer diameter of the Glaseinschmelzung. The sleeve may be made of a material having better electrical conductivity, e.g. Copper or brass, and made with greater thickness than the Ni-Fe wire.
Bei einem vorteilhaften Herstellungsverfahren kann in einem ersten Verfahrensschritt eine Polung und Signalprüfung des Piezoelements sowie eine Prüfung der Hochdruckdichtigkeit und in einem zweiten Verfahrensschritt die Verbindung der Leitungen zwischen dem Steckerteil und den Kontaktelementen im Verbindungselement durchgeführt werden.In an advantageous manufacturing method, in a first method step, a polarity and signal testing of the piezoelectric element and a test of high-pressure sealing and in a second process step, the connection of the lines between the plug part and the contact elements in the connecting element can be performed.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Embodiments of the inventive arrangement will be explained with reference to the drawing. Show it:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Piezoinjektor mit einem Pie- zoaktor in einem prinzipiellen geometrischen Aufbau nach dem Stand der Technik,1 shows a longitudinal section through a piezo injector with a piezoelectric actuator in a basic geometric structure according to the prior art,
Figur 2 einen Teillängsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors mit innenliegender Kontaktierung von Innelektroden eines Piezoelements , bei der die elektrischen Leitun- gen von einem äußeren Stecker durch ein Kopfteil eines Haltekörpers mitsamt einer Glaseinschmelzung geführt sind,2 shows a partial longitudinal section through an inventive embodiment of a piezoelectric actuator with internal contacting of internal electrodes of a piezoelectric element, in which the electrical conductors are guided by an outer plug through a head part of a holding body together with a Glaseinschmelzung
Figur 3a und 3b schematische Darstellungen von verschiedenen Längen des Kopfteils eines Haltekörpers für das Piezoelement und entsprechend angepasste Hülsen für die Leitungen undFigures 3a and 3b are schematic representations of different lengths of the head portion of a holding body for the piezoelectric element and correspondingly adapted sleeves for the lines and
Figur 4 und Figur 5 jeweils eine Detaildarstellung einer Hülse für die Enden der Leitungen zum Stecker und zum Kontaktelement.Figure 4 and Figure 5 are each a detailed view of a sleeve for the ends of the lines to the plug and the contact element.
Ausfϋhrungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In Figur 1 ist ein prinzipieller Aufbau eines bekannten einstufigen Piezoinjek- tors 1 mit einem Piezoaktor gezeigt, der aufgrund seiner vorgeschlagenen Anwendung im Folgenden auch als Einspritzinjektor bezeichnet wird und beispielsweise für eine direkte 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 angepass- ten Steckerausführung die elektrische Spannung zur Ansteuerung eines Pie- zoelements 3 angeschlossen werden kann.1 shows a basic structure of a known single-stage piezoelectric injector 1 with a piezoactuator, which is also referred to below as injection injector due to its proposed application and can be used, for example, for direct needle lift control in the fuel injection system of an internal combustion engine. 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 there is a plug part, not shown here, by means of which the electrical voltage for driving a piezo element 3 can be connected by means of a connector design which is also 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 Pie- zoaktors 1 durch den Innenraum des Haltekörpers 2 geführter Kraftstoff kann somit in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden. Das Piezoelement 3 liegt 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.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 upon actuation of a here below vertically located mechanical arrangement with a coupler 8 on a nozzle needle 9 such that here is a release of a Nozzle opening 10 can take place. A guided inside the piezoelectric actuator 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. The piezoelectric element 3 is 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, 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.
Der Haltekörper 2 nach der Figur 1 ist insbesondere am Kopfteil in der Regel in seiner Länge Lo an die anwendungsspezifischen Gegebenheiten, beispielsweise als Kraftstoffinjektor am Verbrennungsmotor, anzupassen. Dadurch ergeben sich Besonderheiten bei der Führung der elektrischen Leitungen im Inneren und auch hinsichtlich der Kontaktierungen.The holding body 2 according to the figure 1 is in particular at the head part usually in its length Lo to the application-specific conditions, for example as a fuel injector on the internal combustion engine, adapt. This results in special features in the management of the electrical lines inside and also with respect to the contacts.
Aus Figur 2 ist ein Teil eines erfindungsgemäßen Piezoaktors 20 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 innere Kontaktelemente 24 und 25 mit einer elektrischen Spannung versorgt werden. Durch das Potentialgefälle bei Anlage einer Spannung wird die in der Beschreibungseinleitung erläuterte mechanische Reaktion in den Piezolagen 26 aus Keramikfolien zwischen den Innenelektroden 22 und 23 bewirkt.FIG. 2 shows a part of a piezoactuator 20 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 a reference numeral only by way of example, which in the stack structure of the piezoelectric element 21 are mutually supplied with electrical voltage via inner contact elements 24 and 25. Due to the potential gradient when a voltage is applied, the mechanical reaction in the piezoelectric layers 26 made of ceramic films between the internal electrodes 22 and 23, as explained in the introduction to the description, is effected.
Das Piezoelement 21 liegt weiterhin über eine Deckplatte 27 aus Keramik und einen Aktorfuß 28 aus Stahl am Haltekörper 29 des Piezoaktors 20 an, wobei der Haltekörper 29 ein Kopfteil 30 aufweist, das zum einen eine Kraftstoffzufuhr 31 und eine elektrisches Anschlussteil 32 aufweist. Das Piezoelement 21 ist gegenüber dem Kraftstoff im Inneren des Haltekörpers 29 noch mit einer äußeren Isolationsschicht 33 abgedichtet.The piezoelectric element 21 is still on a cover plate 27 made of ceramic and an actuator base 28 made of steel on the holding body 29 of the piezoelectric actuator 20, wherein the holding body 29 has a head portion 30, which has a fuel supply 31 and an electrical connection part 32. The piezoelectric element 21 is sealed with respect to the fuel in the interior of the holding body 29 with an outer insulating layer 33.
Im Inneren des Kopfteils 30 sind Zuführdrähte als Leitungen 34 und 35 isoliert eingefügt, die zum Anschluss an das Piezoelement 21 hochdruckdicht vorzugsweise mittels einer Glaseinschmelzung 36 eingepresst sind und zum Anschluss an die Kontaktelemente 24 und 25 sind Kontaktverbindungen 37 oder 38 vorhanden, die jeweils in Isolations- oder Zentrierhülsen 39 zu liegen kommen.In the interior of the head part 30, feed wires are inserted insulated as lines 34 and 35, which are high pressure-tight for connection to the piezo element 21 are preferably pressed by means of a Glaseinschmelzung 36 and for connection to the contact elements 24 and 25 are contact connections 37 or 38 are present, which come to lie in each case in isolation or centering sleeves 39.
Bei der Darstellung nach der Figur 2 sind die Leitungen 34 und 35 in herkömmlicher Weise nach den Kontaktverbindungen 37 und 38 als durchgehende Drähte bis zum hier nicht im Detail gezeigten Steckerteil 32 weitergeführt, wobei die Drahtlänge dann der geforderten Länge Lo des Kopfteils 30 des Haltekörpers 29 angepasst werden muss. Da der Draht der Leitungen 34 und 35, zum Beispiel aus NiFe, relativ dünn und schlecht elektrisch leitend ist, ist die Realisierung eines PIN-Anschlusses am Ende der Leitungen 34 und 35 relativ schwierig.In the illustration of Figure 2, the lines 34 and 35 are continued in a conventional manner after the contact connections 37 and 38 as continuous wires to the connector part 32 not shown here in detail, the wire length then the required length Lo of the head portion 30 of the holding body 29th must be adjusted. Since the wire of leads 34 and 35, for example of NiFe, is relatively thin and poorly electrically conductive, the realization of a PIN terminal at the end of leads 34 and 35 is relatively difficult.
Erfindungsgemäß sind in Figur 3a und 3b sowie in den Detaildarstellungen nach Figur 4 und Figur 5 Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen eine anwendungsspezifische Längenanpassung der Leitungen 34 und 35 in unterschiedlich langen Kopfteilen 29 erkennbar ist. Hierbei wird im wesentlichen auf die Erläuterungen zu der Figur 3 Bezug genommen, wobei auch die Bezugszeichen für die Bauelemente weitgehend identisch sind. Aus der Figur 3a ist zu entnehmen, dass neben den fixen Längen L1 und L2 eine hier relativ kurze Länge Lvaπabei vorhanden ist; die Figur 3b zeigt dagegen ein langes Kopfteil 29 mit einer relativ großen Länge Lvaπabe\ . In beiden Anordnungen ist jeweils eine elektrisch leitende Hülse 50 vorhanden, beispielsweise aus Kupfer, Bronze oder Messing, durch dass bei beidseitigem Einschieben von Drähten auch eine flexible steckerartige Verbindung hergestellt werden kann.According to the invention, exemplary embodiments are shown in FIGS. 3 a and 3 b as well as in the detailed illustrations according to FIGS. 4 and 5, in which an application-specific length adaptation of the lines 34 and 35 in differently long head parts 29 can be recognized. Here, reference is made essentially to the explanations to the figure 3, wherein the reference numerals for the components are largely identical. From Figure 3a it can be seen that in addition to the fixed lengths L 1 and L 2 here a relatively short length L vaπ abei is present; On the other hand, FIG. 3b shows a long head part 29 having a relatively large length L vaπabe . In both arrangements, in each case an electrically conductive sleeve 50 is present, for example made of copper, bronze or brass, by that with two-sided insertion of wires and a flexible plug-like connection can be made.
Eine solche steckerartige Verbindung ist jeweils aus der Figur 4 und der Figur 5 zu entnehmen, wobei die Zuleitungen 34 und 35 jeweils durch Drähte bzw. Stifte 51 und 52 ersetzt werden, die beidseitig in die Hülse 50 eingeschoben werden und damit die flexible steckerartige Verbindung herstellen. Der untere mit den Kontaktelementen 24 oder 25 verbundene Stift 52 liegt dabei über eine Glaseinschmelzung 53 im Kopfteil 29 und oberhalb der Glaseinschmelzung 53 ist der Stift 52 in einer Isolationshülse 54 geführt bis er in die Hülse 50 mündet. Der Stift 51 kann dabei auch am anderen Ende als Steckerpin 55, zum Beispiel als Flachpin, ausgebildet werden.Such a plug-type connection can be seen in each case from Figure 4 and Figure 5, wherein the leads 34 and 35 are replaced by wires or pins 51 and 52, which are inserted into both sides of the sleeve 50 and thus produce the flexible plug-like connection , The lower 52 connected to the contact elements 24 or 25 pin 52 is located above a Glaseinschmelzung 53 in the head part 29 and above the Glaseinschmelzung 53, the pin 52 is guided in an insulating sleeve 54 until it opens into the sleeve 50. The pin 51 can also be formed at the other end as a plug pin 55, for example as a flat pin.
Bei der Variante nach der Figur 5 ist ein zusätzliches Isolationsrohr 56, zum Beispiel aus Polymer oder als Schrumpfschlauch, angebracht, dessen äußerer Durchmesser kleiner ist als die Glaseinschmelzung 53. Hiermit ist eine Montage der Glaseinschmelzung 53 mitsamt der fest auf dem Stift 52 aufgebrachten Hülse 50, zum Beispiel durch löten, schweißen, krimpen oder kleben mit einem Leitkleber, ermöglicht, wobei der Außendurchmesser der Hülse 50 ebenfalls kleiner als der Durchmesser der Glaseinschmelzung 53 ist.In the variant according to FIG. 5, an additional insulation tube 56, for example made of polymer or shrink tubing, is attached, the outer diameter of which is smaller than the glass melt 53. This involves mounting the glass melt 53 together with the sleeve 50 firmly mounted on the pin 52 , for example, by soldering, welding, crimping or gluing with a conductive adhesive allows, wherein the outer diameter of the sleeve 50 is also smaller than the diameter of the Glaseinschmelzung 53.
Die zuvor erwähnte Glaseinschmelzung 53 dient in der hier beschriebenen Anordnung als Hochdruckabdichtung gegen den Flüssigkeitsdruck nach außen bei einer Leckage des Piezoelements 21 oder der Schweißnaht 41 (vgl. Fig. 2) nach außen.In the arrangement described here, the above-mentioned glass melting 53 serves as a high-pressure seal against the fluid pressure to the outside in the event of leakage of the piezoelectric element 21 or the weld 41 (see FIG.
Gewerbliche AnwendbarkeitIndustrial Applicability
Die Erfindung ist 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 can be used to control the stroke of a fuel injection needle in a motor vehicle, both with a one-stage and a two-stage transmission.
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