压电致动器模块和压电喷射器以及制造压电致动器模块的方法

摘要

本发明涉及一种压电致动器模块(03)，具有一个致动器脚(05)和一个致动器头(04)和至少一个被包围在它们之间的压电致动器(16)，其中压电致动器(16)借助于引导通过致动器脚(05)中的至通孔(18)的接触构件(19)被电接触，该通孔用至少一种密封(20)密封。接触构件(19)包括漆包线(21)。在接触构件(19)和通孔(18)之间的密封(20)包括对漆包线(21)的填密(22)或机械压入(22)。本发明还涉及一种包括这种压电致动器模块(03)的压电喷射器(01)和一种用于制造这种压电致动器模块(03)的方法。

说明书

现有技术

本发明涉及一种按照权利要求1的类型特征的压电致动器模块、一种按照权利要求9的类型特征的压电喷射器、以及一种按照权利要求10的类型特征的方法。

为了构造用于前述压电致动器模块的压电致动器，这样地使用压电元件，在充分利用所谓的压电效应情况下能够控制阀或类似物的针阀行程，这本身是公知的。由具有合适的晶体结构的材料制成的压电层构造压电元件，使得当在各个包围该压电层的内电极上施加外部电压时，压电元件进行机械反应。

依赖于晶体结构和电压的施加范围的不同情况，机械反应形成在一个预定方向上的压力或拉力。这种压电致动器例如适合用于在大的操作力和高的冲程(循环)频率下进行直线往复运动的应用情况。

压电致动器例如应用于压电喷射器中，压电喷射器用于在周期性工作的内燃机中定时准量地配给燃料。

压电喷射器基本上由一个保持体和一个布置在保持体中的压电致动器模块组成，压电致动器模块由一个头和一个脚部件以及一个布置在头和脚部件之间的压电致动器组成，压电致动器由一个或多个压电元件构成。压电致动器模块与一个喷嘴针阀连接，从而通过在压电元件上施加电压或消除电压来打开或封闭喷嘴口。

为了使在压电喷射器中使用的在图1中示出的压电致动器模块53的压电致动器66相对于周围的介质密封，压电致动器66被包封在一个稳定的金属套67中。致动器头54支撑面在一个也被称为有源的端面的压电致动器66端面上，该致动器头54向外传递压电致动器66的行程和力。该致动器头54经膜70与稳定的套67连接。此时膜70提供在致动器头54和套67之间的一种柔性的但是密封的连接。在这种压电致动器模块53中压电致动器66通过一个具有塑料外皮的铜线69实现电接通，该铜线被引导通过在由钢制造的致动器脚55中的通孔68。向内穿引电缆所需要的密封性在致动器脚55内部利用橡胶密封衬套71实现。为了固定住密封衬套71和为了绝缘钢制部件55中的没有外皮的铜线69，需要附加的塑料环绕注塑件72。

本发明的公开

本发明涉及一种开头所述的优选间接地控制喷嘴针阀的压电致动器模块，其用于一种例如用液态的和/或气态的介质环绕流过的装置，尤其是在压电喷射器中。压电致动器模块由一个致动器脚和一个致动器头和包围在它们之间的可以电接触或被电接触的压电元件组成，该压电元件作为压电致动器。压电致动器借助于引导通过至少一个在致动器脚中的、采用至少一种密封被密封的通孔的接触构件被电接触。

按照本发明，引导通过至少一个通孔的接触构件包括漆包线，而在接触构件和通孔之间的密封按照本发明包括对漆包线的填密或机械压入配合。

漆包线，例如漆包铜线或漆包钢线，具有优点，它在具有与现有技术中的常规用绝缘塑料外包皮的金属线相同的导线直径情况下，具有优选小于一个毫米的较小的总直径并且完全相对于致动器脚绝缘并且在此情况下具有高得多的击穿强度。此时不需要采用塑料外包皮形式的附加绝缘。优选由铜或钢制成的漆包线满足不仅在热、电方面而且在机械方面上的所有需要的特性。

由于与常规用绝缘塑料外包皮的金属线相比较，总的直径较小，因此在设计构造致动器脚时具有附加的自由度。例如伴随着用于使金属线引导穿过致动器脚所要求的、例如贯通钻孔的直径的减小，可以进行其它的优化设计。例如可以扩大在致动器脚上支撑压电致动器的支撑面。由此不仅提高了压电致动器模块的负载能力而且改善了其寿命，因为现在压电致动器的整个端面支撑在致动器脚上。例如由此可以避免在压电层的晶体结构或压电元件内部产生导致陶瓷破裂的不希望的力或应力突变，这种力或应力突变在现有技术中由于压电致动器的端面不是整个面地支撑在致动器脚上而可以出现。另一个有利的效果是通过比现有技术减小的贯通钻孔提高了致动器脚的刚性。这对压电喷射器的刚性链也产生积极的影响。

重要的是要强调，在每种情况下通过释放的结构空间提供了更多的设计构造可能性。

利用填密物或漆包线的机械压入配合，实现对漆包线向内的密封。通过对漆包线的填密或机械压入配合，此时不仅在漆包线上形成一个压力，而且对致动器脚中的贯通钻孔的壁上也形成一个压力，由此实现所需要的密封效果。

通过使电线与压电致动器模块的压电致动器的电接触部之间实施成本有利且牢固的绝缘和密封获得了本发明相对于现有技术的优点。这些优点尤其是这样获得的，即可以用更简单的按照本发明的结构取代现有技术中对电缆穿引的复杂且高成本的密封。通过按照本发明的结构的电缆穿引，完全取消了现有技术中必需的密封衬套以及环绕注塑件，由此此外达到了更高的制造质量，因为它的使用是与危险连在一起的。因此，例如塑料环绕注塑件由于其具有比钢明显更大的热膨胀系数，由于它的材料含量和含水量的相互作用，会导致在压电致动器模块内部产生不希望的损坏和相互作用。

本发明的一个有利的实施例规定，漆包线的填密或机械压入配合包括套子。

该套子例如可以是锥形的或鼓形的。原则上也可以设想用于该套子的其它设计结构或解决方案。

该套子优选借助于压力插入到致动器脚中。由于套子优选具有锥形的形状或构造，此时不仅在漆包线上而且在致动器脚中的压力钻孔的壁上都形成一个压力，由此达到需要的密封作用。

本发明的另一个有利的实施例规定，该套子由非导电材料制成，以便在绝缘漆层可能被损坏情况下仍然保持必要的击穿强度。

该漆包线优选涉及漆包铜线或漆包钢线。

本发明的第二个主题涉及一种压电喷射器，它包括一个保持体和一个布置在保持体中的压电致动器模块。按照本发明，该压电致动器模块涉及前面描述的压电致动器模块。

本发明的第三个主题涉及一种用于制造包括一个致动器脚和一个致动器头和至少一个包围在它们之间的、由可电接触的或被电接触的压电元件构成的压电致动器的压电致动器模块的方法，其中该压电致动器借助于引导穿过至少一个在致动器脚中的、用至少一种密封密封的通孔的接触构件被电接触。该方法包括方法步骤：

-引导至少一个漆包线作为接触构件穿过所述至少一个通孔，以及

-将漆包线填密或机械压入到所述通孔中，以实现使漆包线向内密封。

通过漆包线的填密或机械压入，此时不仅在漆包线上，而且在致动器脚中的贯通钻孔的壁上都形成一个压力，由此达到所需要的密封作用。

按照本发明方法的一个有利的实施例规定，为了将漆包线填密或机械压入配合到通孔中，将一个优选锥形构造的套子借助于压力插入到致动器脚中。由于锥形的形状或构造，此时不仅在漆包线上，而且在致动器脚中的压力钻孔的壁上都形成一个压力，由此达到所需的密封作用。

附图简述

以下详细描述本发明的实施例。附图中所示：

图1是现有技术中的压电致动器模块的纵剖示意图。

图2是现有技术中的压电喷射器的纵剖示意图。

图3是按照本发明的压电致动器模块的纵剖示意图。

图4是一个漆包线的示意图。

图5是在漆包线和通孔之间借助于一个套子形成的密封的细节图。

图6是套子的不同的实施例。

本发明的实施形式

在图2中用于描述工作原理示意示出的采用直接控制针阀的压电喷射器01基本上包括一个保持体02和一个布置在保持体02中的压电致动器模块03，后者具有一个致动器头04和一个致动器脚05，以及至少一个布置在致动器头04和致动器脚05之间的由多个上下堆叠的压电元件06构成的压电致动器16等。压电元件06分别由压电陶瓷制成的压电层和包围压电层的内电极07和08构成。

压电元件06的内电极07和08与外电极10和11电接触并且然后通过插头部件09电接触。压电致动器模块03通过耦合器12与喷嘴针阀13连接。如在说明书开头部分中所述的，通过内电极07和08在压电元件06上施加电压和由此产生机械反应使喷嘴口14被打开。在图2所示的作为压电喷射器01的应用情况下，压电致动器模块03在腔室15中被一种要用压电喷射器01配量供给的介质，通常是内燃机用的燃油，环绕流过。

与上述压电喷射器01不同，按照本发明的压电致动器模块03以间接的针阀控制方式工作，它详细地示于图3中。压电致动器16优选用一个金属套17包封起来，该金属套使压电致动器模块03的压电致动器16相对于腔室15中的燃油密封或者保护压电致动器16免受燃油的有害成分如水、RME或其它导电物质的损害。在一个也被称为有源端面的压电致动器16端面上支撑着向外传递压电致动器16的行程和力的致动器头04。致动器头04通过膜23与稳定的金属套17连接。在此情况下，膜23提供一个在致动器头04和金属套17之间的柔性的但是密封的连接。

为了取消现有技术中要求的密封衬套71(图1)，需要一个系统，该系统承担开头所述的由密封衬套71完成的任务，如使导电体或电线形式的接触构件69，如铜线69，向内密封以及相对于致动器脚55的钢材绝缘。

为此目的，按照本发明，用在图4示出的漆包线21形式的接触构件19，例如漆包铜线或漆包钢线取代通常用塑料绝缘材料包皮的金属线，例如铜线69或钢线。漆包线21由例如铜丝或钢丝形式的导线25和包裹导线25的漆层26构成。漆包线21具有优点，它在具有与常规用绝缘塑料外包皮的金属线相同的导线直径D1例如0.5mm的情况下，具有较小的总直径D2，优选小于一个毫米，例如0.6mm并且完全相对于致动器脚05绝缘并且在此情况下具有高得多的击穿强度。不需要采用塑料外包皮72(图1)形式的附加绝缘。优选由铜或钢制成的漆包线21满足在热、电和机械方面上的所有需要的特性。

由于总的直径D2比常规用绝缘塑料外包皮的金属线更小，因此在设计构造致动器脚05时具有附加的自由度。例如伴随着用于使金属线引导穿过致动器脚05所要求的、例如贯通钻孔18形式的通孔18的直径的减小，可以进行其它的优化设计。例如可以扩大在致动器脚05上支撑压电致动器16的支撑面。由此不仅提高了压电致动器模块03的负载能力而且改善了其寿命，因为现在压电致动器16的整个端面支撑在致动器脚05上。例如由此可以避免在压电层的晶体结构或压电元件06内部产生导致陶瓷破裂的不希望的力或应力突变，这种力或应力突变在现有技术中由于压电致动器66的端面不是整个面地支撑在致动器脚55上(图1)而可以出现。另一个有利的效果是通过比现有技术减小的贯通钻孔18提高了致动器脚05的刚性。这对压电喷射器03的刚性链也产生积极的影响。

重要的是要强调，在每种情况下通过释放的结构空间提供了更多的设计构造可能性。

为了实现向内密封漆包线21，优选使用在图6中详细示出的、形式为一种填密(填缝)22的密封20，或者例如利用优选锥形构造的套子24对漆包线21进行机械的压入配合。这个套子24优选借助于压力插入到致动器脚05中。由于是锥形形状或结构，此时不仅在漆包线21的总直径D2面上形成一个压力，而且对致动器脚05中的贯通钻孔18的内直径D5或壁上也作用一个压力，由此实现所需要的密封效果。

在设计套子24的构造时，可以考虑在图5中示出的多种解决方案，如例如锥形的或鼓形的球面形的)。

例如在图6a)中示出的套子27在一个第一端面上具有较小的外直径D3，它在一个锥形段上以扩展角α展宽到一个较大的外直径D4。

图6b)示出的套子28具有鼓形的、圆环面形的形状。

图6c)示出的套子29不仅具有内锥体而且具有外椎体。

这个套子24或这些套子24优选由一种非导电的、优选无机材料制成，使得即使在绝缘漆层26遭受可能的破坏情况下仍然保持所需的击穿强度。