专利名称：压电致动器、制造压电致动器的方法和具有这种致动器的喷射系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及 一 种压电致动器，制造压电致动器的方法和具有压电致 动器的喷射系统。
背景技术：
喷射系统和尤其是无油泄露的共轨喷射系统在高压室中需要控制
部件如压电致动器。为了在直到2000bar的高压下也保证压电致动器的 工作能力，必需使压力也可以侧面作用于压电叠层或压电陶瓷体上，用 于支持压电致动器的压电叠层的膨胀能力。
例如在WO 02/061856 Al中描述了这样的压电致动器。在此这个压 电致动器的陶瓷体由聚合物或塑料密封圏包裹。但是陶瓷体的密闭密封 相对于例如2000bar的高压燃料压力下的燃料对于该专利申请申请曰已 知的燃料几乎不可能或不能实现。由于市场上常见燃料的偶尔不可避免 的导电性，例如由于微小的酸含量，在微小的压电致动器浸润时可能已 经导致在压电致动器内部电极之间的电压击穿。此外在极裂缝上产生塑 料外壳的高膨胀，它们使这个问题更加严重。此外在WO 02/061856中 描述了在压电叠层与聚合物或塑料密封圈之间使用填充材料。但是所述 的填充材料存在问题，在压电叠层膨胀时填充材料可能流到产生的中间 空间或接缝里面，并且可能在压电叠层相反方向运动时导致损坏。因此 在压电致动器运行持续期间填充材料耗尽或损坏。但是减少的填充材料 使得从外部施加在压电致动器上的压力不再有效地传递到压电叠层上。
此外为了使压力传递到压电致动器的压电叠层上，由申请者已知具 有密闭密封的、金属套的解决方案，它使流体力通过液体、例如硅油传 递到压电陶资体的侧面上。但是这种由申请者内部已知的解决方案存在 缺陷，硅油的热膨胀系数以几个数量级高于金属套。
因此在温度升高时尤其提高金属套中的拉应力。通过金属套或金属 膜盒在纵向和横向上的膨胀折叠的适当变形可以减小拉应力。但是对于 正方形压电叠层，它与其它横截面形状的压电叠层相比更经济，由于相当大的液体容积仍然不允许地提高应力水平。因为压电致动器的陶瓷材 料具有非常微小的热膨胀，由申请者还内部已知，使压电叠层的体积与
填充相比尽可能大地构成。为此例如可以使压电叠层圆柱形地构成。但 是圆柱形的压电叠层结构在加工中明显更费事并因此比正方形压电叠 层明显更成本昂贵。
发明内容
因此本发明的目的是，提供压电致动器，其中使从外部施加在压电 致动器上的压力尽可能有效地传递且尤其分布在压电致动器的压电叠 层上。
本发明的另一目的是，实现压电致动器，它尤其也在高压力、例如
超过2000bar的环境下免受电压击穿。
此外本发明的目的是，提供压电致动器，其中一个从外部施加在压 电致动器上的压力使压电叠层处于犹如均衡的各向压力下。
此外本发明的目的是，提供压电致动器，它具有尽可能长的使用寿命。
本发明的目的尤其是，使金属套或金属膜盒免受由于高温、高压、 动器:长使用^命。' 、^、'' -
按照本发明所提出的目的通过具有权利要求1特征的压电致动器和 /或通过具有权利要求14特征的制造压电致动器的方法得以实现。
因此按照本发明建议用于以给定的燃料压力喷射燃料的压电致动 器，它具有
-至少侧面界定致动器内室的外壳，该外壳具有与温度和/或压力有 关的第一容积变化，
-设置在致动器内室里面的压电叠层，该压电叠层具有与温度和/ 或压力有关的第二容积变化，
-设置在压电叠层与外壳之间的传递介质，用于使从外部施加在外 壳上的燃料压力传递到压电叠层上，
其中传递介质具有钝化液体和多个预成形的物体，所述液体具有与 温度和/或压力有关的第三容积变化，所述物体具有与温度和/或压力有 关的第四容积变化，其中这样调整钝化液体与预成形的物体之间的比例，使外壳的第一容积变化基本相当于致动器内室的整个容积变化，该 整个容积变化至少包括第二、第三和第四容积变化。
在本申请的意义上，预成形意味着，预成形物体具有可预定和给定
的形状。
免压电致动器与那些设置在传递介质外部的单元或部件、如压电致动器 外壳之间的电压击穿。
按照本发明的传递介质的另 一优点是，它可以使从外部施加在外壳 上的压力、尤其是燃料压力传递到且尤其均匀地分布到压电叠层上。因 此使压电叠层的膨胀性通过侧面作用的燃料压力得到支持，由此明显改 善压电致动器的运行特性。
按照本发明的压电致动器的另 一优点是，使由于温度和/或压力变化 引起的外壳容积变化基本相当于致动器内室的容积变化。因此使由于温 度和/或压力变化引起的外壳应力最小，由此使外壳的使用寿命并因此使 优点致动器的使用寿命最长。
按照本发明的传递介质的另 一 优点是，其在其热膨胀与其压力传递 性方面的最佳组合。在此钝化液体用于使燃料压力均匀地传递到压电叠 层上并且用于减少传递介质或预成形物体在外壳与压电叠层之间的内 部摩擦。传递介质或预成形物体的通过液体提供的增加的运动性用于补 偿在外壳中由于外面的燃料压力和压电致动器的工作行程引起的不同 局部变形。而预成形的物体用于减少整个传递介质的热膨胀并且还用于 提高传递介质的刚性。
由从属权利要求以及借助于附图的描述给出本发明的有利改进方
案和改进方案。
按照本发明的优选改进方案，使致动器内室通过端头板、底板、外 壳并通过压电叠层界定。
按照另 一优选的改进方案，使致动器内室的整个容积变化与外壳的 第 一 容积变化之间的差值位于给定的误差范围里面。在实践中由于加工 条件非常困难的是，使致动器内室的整个容积变化通过调整钝化液体与 预成形物体之间的比例而这样进行调整，使它精确地相当于第一容积变
化。因此给定误差范围，在该范围中允许小于30%、优选小于10%、 特别优选小于5%的变化。然后根据这个给定的误差范围调整钝化液体与预成形物体之间的比例。
按照另 一优选的改进方案使压电叠层正方形、多角形或圆柱形地构成。
按照另 一优选的改进方案使外壳由波紋管构成，它具有多个N波紋 并且尤其是金属的。通过外壳的波紋管式结构按照本发明改善了相对运 动的承受。波紋管尤其是金属的，并能够以有利的方式对于不可避免的 市场常见燃料的导电性也使压电致动器免受电压击穿。
-換照另 一优选的改进方案使钝化液体由硅油构成。
按照另 一优选的改进方案使预成形物体由多个小球构成，它们尤其 分别具有最大200)um的直径和/或由氧化陶瓷组成。氧化陶瓷尤其具有 优点，它们具有与陶瓷压电叠层近似或相等的热膨胀系数。为了保证小 球的最佳运动性使它们具有最大200pm的直径。
按照另 一 优选的改进方案使小球以最紧密的球包设置在钝化液体 里面。因此以有利的方式防止小球与钝化液体离析。离析以不利的方式 导致致动器内室具有明显的小球不均匀分布，这可能导致不均匀的压力 传递或压力不均匀分布到压电叠层上。
按照另 一 优选的改进方案使预成形的物体由弹性的传递元件构成， 其中优选在至少一个波紋里面设置至少两个适配于波紋形状的弹性的 传递元件。本发明的传递元件是预成形和弹性的并因此只具有微小的粘 滞特性，因此避免传递元件流动到压电叠层的接缝里面或者不可能流动 到压电叠层的接缝里面。在本申请的意义上弹性意味着，所述介质只具 有非常小的粘度并因此不能使其流到窄的缝隙里面。弹性也意味着基本 上，没有粘滞性或者非常小的粘滞性。预成形意味着，使介质具有可预 定的或给定的形状。按照本发明的传递元件不能流到压电叠层的接缝里 面，因此也不会由于运动的压电叠层、尤其是在压电致动器运行时在接 缝之间造成损坏。因此对于按照本发明的传递元件得到非常明显更长的 使用寿命。
按照另一优选的改进方案使弹性的传递元件由钢和/或陶瓷和/或殷 钢和/或尼龙(PA66)和/或由弹性体、尤其是特富龙构成。
按照另 一 优选的改进方案使波紋管由能够纵向和横向膨胀的波紋
管构成。
按照另 一 优选的改进方案使传递元件形状配合和/或力结合地设置在外壳与压电叠层之间。形状配合和力结合的传递介质尤其有利地适合 于，使从外部施加在外壳上的压力传导到非常刚性的压电陶瓷上，并因 此使在外壳中产生的压力差尽可能微小。此外弹性的传递元件优选在到 压电叠层和到外壳的传递范围上大面积地构成，由此使弹性变形性以有 利的方式最大化。
按照另一优选的改进方案使预成形物体的热膨胀系数以10倍至50 倍、优选以20倍至40倍、特别优选以25倍至30倍小于钝化液体的热 膨胀系数。
下面借助于附图中简示的实施例详细描述本发明。附图中
图1以示意纵向截面图示出按照本发明的压电致动器的第一实施
例，图2以示意横截面图示出按照本发明的压电致动器的第二实施例， 图3以示意横截面图示出按照本发明的压电致动器的第三实施例， 图4以示意流程图示出按照本发明的制造压电致动器的方法和， 图5示出产生的最大主法向应力与传递介质的混合比的关系图表。 在所有附图中相同或功能相同的部件和内容只要不特别指出就配 有相同的标记符号。
具体实施例方式
下面描述的按照本发明的按照图1至3所示的压电致动器1的实施 例指的是下面的压电致动器
按照本发明的用于以给定的燃料压力P喷射燃料的压电致动器1具 有至少侧面界定致动器内室2的外壳3、设置在致动器内室2里面的压 电叠层4和用于使从外部施加在外壳3上的燃料压力P传递到压电叠层 4上的传递介质5、 6、 7-10。该传递介质5、 6、 7-IO设置在压电叠 层4与外壳3之间。
所述外壳3具有与温度和/或压力有关的第一容积变化AV1。这意味 着，外壳3的容积由于压力变化和/或温度变化而改变。此外使致动器内 室2通过端头板11、底板12、外壳3并通过压电叠层4界定。外壳3 优选由波紋管构成，它具有多个N波紋并且尤其是金属的。波紋管3尤其能够纵向和横向膨胀地构成。
设置在致动器内室2里面的压电叠层4具有与温度和/或压力有关的 第二容积变化AV2。压电叠层4优选正方形、多角形或圓柱形地构成。
传递介质5、 6、 7- 10具有钝化液体5和多个预成形的物体6, 7 -10,所迷液体具有与温度和/或压力有关的第三容积变化AV3,所述物 体具有与温度和/或压力有关的第四容积变化AV4。钝化液体5优选是硅 油。按照本发明这样调整钝化液体5与预成形的物体6, 7-10之间的 比例、尤其是量比，使外壳3的第一容积变化AV1基本相当于致动器内 室2的整个容积变化AVin。在此整个容积变化AVin包^^舌所有的位于致 动器内室2里面的装置和物体的容积变化。因此致动器内室2的整个容 积变化AVm至少包括压电叠层4的第二容积变化AV2、钝化液体5的 第三容积变化AV3以及多个预成形物体6、7- 10的第四容积变化AV4。
致动器内室2的整个容积变化AVm与外壳3的第一容积变化AV1 之间的差值位于给定的误差范围里面，其包括小于30%、优选小于10 %、特别优选小于5%的偏差。只要致动器内室2的整个容积变化AVm 与外壳3的第一容积变化AV1之间的差值位于给定的误差范围里面，就 可以实现按照本发明的功能，即，使由于温度和/或压力变化、尤其是燃 料压力P引起的外壳3应力最小化。
在此预成形物体6、 7-10的热膨胀系数尤其以10倍至50倍、优 选以20倍至40倍、特别优选以25倍至35倍小于钝化液体5的热膨胀 系数.
下面详细解释按照图1至3的三个实施例的压电致动器1的结构上
的构造。
按照本发明的图1中的压电致动器1设置在端头板11与底板12之 间。外壳3侧面包围压电致动器1。外壳3优选与端头板11和底板12 连接。在外壳3与压电叠层4之间存在致动器内室2。在致动器内室2 里面在压电叠层4上设置第一电极层18a和第二电极层18b,第一电极 层例如与正电源电位连接，第二电极层例如与负电源电位连接。在电极 层18a、 18b上旋转对称地设置钝化层17。在钝化层17与外壳3之间填 充传递介质5、 6,它具有钝化液体5以及陶瓷小球6。
图2示出按照本发明的压电致动器1的第二实施例的横截面图。而 按照图2的压电致动器1的结构上的构造与按照图1的致动器不同，即没有钝化层17。这个钝化层不是必需的，因为液体5本身是钝化的。以 标记符号21和22表示的元件表示分离元件，它们使两个电极层18a和 18b相互电分开。
在图3中示出按照本发明的压电致动器1的第三实施例的横截面 图。而按照图3的第三实施例与按照图2的第二实施例不同，传递介质 的预成形物体7- 10由弹性的传递元件7-10构成。弹性的传递元件7 -10例如是衬入件，它们由与波紋和与压电叠层4形状适配的盘,史构 成。衬入件7-10尤其完全被液体5包围或环绕。
下面借助于图4中的方框图解释按照本发明的制造压电致动器1的 方法。按照本发明的方法具有下面的方法步骤a至d 。
方法步骤a:
使压电叠层4设置在致动器内室2里面，其中压电叠层具有与温度 和/或压力有关的第二容积变化AV2。 方法步骤b:
通过外壳3至少侧面界定致动器内室2。外壳3具有与温度和/或压 力有关的第 一容积变化AV1 。 方法步骤c:
使压电叠层4与外壳3之间保留的致动器内室2通过钝化液体5填 充。液体5具有与温度和/或压力有关的第三容积变化AV3。 方法步骤d:
使包括第二、第三和第四容积变化△ V2 _ AV4的整个容积变化AVin 通过打包多个具有与温度和/或压力有关的第四容积变化AV4的预成形 物体6， 7-10这样设在钝化液体5里面，使致动器内室2的整个容积 变化AVin基本相当于外壳3的第 一容积变化AV1 。
按照图4的方法不局限于所述的顺序。因此例如可以交换方法步骤 a和d。
图5示出在外壳3上产生的最大主法向应力与传递介质的混合比的 关系图表。横坐标示出传递介质的不同混合。按照图5的实施例传递介 质由硅油Si-油和陶瓷小球氧化铝八1203组成的混合物组成。而在纵坐标 上以GPa示出应力、压应力和拉应力。按照图5的图表是由申请者执行
的计算的结果，它表示，应力随着Al203含量在传递介质中的增加而持
续减少。按照图5的试验结果表示，液体Si油的含量与Al203含量相比应该最低以减少应力，其中使液体Si油的含量正好还要这样多，使得不
产生陶瓷小球八1203与液体Si油的离析。
按照本发明的压电致动器1优选用于汽车的喷射系统。在此压电致 动器1尤其设置在喷射系统的高压室里面。该喷射系统由共轨喷射系统 构成。
尽管上面借助于优选的实施例描述了本发明，但是不局限于这个实 施例，而是能够以多种方式和方法变化。例如可以使钝化层位于传递介 质与压电叠层之间，只要钝化层尤其是附加的钝化层对于压电叠层是有 利的。此外对于专业人员显然的是，根据对于外壳使用的材料，也可以 使在图5中所示的硅油和陶乾小球混合物范围的所有的中间范围用于按 照本发明使外壳应力最小化。
权利要求
1. 用于以给定的燃料压力(P)喷射燃料的压电致动器(1)，具有a)至少侧面界定致动器内室(2)的外壳(3)，该外壳具有与温度和/或压力有关的第一容积变化(ΔV1)；b)设置在致动器内室(2)里面的压电叠层(4)，该压电叠层具有与温度和/或压力有关的第二容积变化(ΔV2)；c)设置在压电叠层(4)与外壳(3)之间的传递介质(5；6，7-10)，用于使从外部施加在外壳(3)上的燃料压力(P)传递到压电叠层(4)上，其中传递介质(5；6，7-10)具有钝化液体(5)和多个预成形的物体(6，7-10)，其中所述液体(5)具有与温度和/或压力有关的第三容积变化(ΔV3)，所述物体(6，7-10)具有与温度和/或压力有关的第四容积变化(ΔV4)，其中这样调整钝化液体(5)与预成形的物体(6，7-10)之间的比例，使外壳(3)的第一容积变化(ΔV1)基本相当于致动器内室(2)的整个容积变化(ΔVin)，该整个容积变化(ΔVin)至少包括第二、第三和第四容积变化(ΔV2-ΔV4)。
2. 如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，使致动器内室(2) 通过端头板(11 )、底板(12)、外壳(3)并通过压电叠层(4)界定。
3. 如权利要求1或2所述的压电致动器，其特征在于，使致动器内 室(2)的整个容积变化(AVm)与外壳(3)的第一容积变化(AV1) 之间的差值位于给定的误差范围里面。
4. 如上述权利要求中任一项或多项所述的压电致动器，其特征在 于，使压电叠层(4)正方形、多角形或圓柱形地构成。
5. 如上述权利要求中任一项或多项所述的压电致动器，其特征在 于，使外壳(3)由波紋管构成，该波紋管具有多个N波紋并且尤其是 金属的。
6. 如上述权利要求中任一项或多项所述的压电致动器，其特征在 于，4吏4屯化液体(5)由石圭油构成。
7. 如上述权利要求中任一项或多项所述的压电致动器，其特征在 于，使预成形物体(6, 7-10)由多个小球(6)构成，这些小球尤其 分别具有最大200pm的直径和/或由氧化陶瓷构成。
8. 如权利要求7所述的压电致动器，其特征在于，使小球(6)以最紧密的球包设置在钝化液体(5)里面。
9. 如权利要求5或6所述的压电致动器，其特征在于，使预成形的 物体(6, 7-10)由弹性的传递元件(7-10)构成，其中优选在至少 一个波紋里面设置至少两个适配于波紋形状的弹性的传递元件(7 -10)。
10. 如权利要求9所述的压电致动器，其特征在于，使弹性的传递 元件(7-10)由钢和/或陶瓷和/或殷钢和/或尼龙(PA66)和/或由弹性 体、尤其是特富龙构成。
11. 如权利要求5至10中任一项或多项所述的压电致动器，其特 征在于，使波紋管构造成能够纵向和横向膨胀的波紋管。
12. 如上述权利要求中任一项或多项所述的压电致动器，其特征在 于，使传递介质(5; 6， 7-10)形状配合和/或力结合地设置在外壳(3) 与压电叠层(4)之间。
13. 如上述权利要求中任一项或多项所述的压电致动器，其特征在 于，使预成形的物体(6, 7-10)的热膨胀系数以10倍至50倍、优选 以20倍至40倍、特别优选以25倍至35倍小于所述钝化液体(5 )的 热膨胀系数。
14. 一种制造如权利要求1至13中任一项或多项所述的压电致动 器(1 )的方法，包括下列步骤a) 使压电叠层(4)设置在致动器内室(2)里面，其中压电叠层 (4)具有与温度和/或压力有关的第二容积变化(AV2);b) 通过外壳(3)至少侧面界定致动器内室(2),该外壳具有与 温度和Z或压力有关的第一容积变化(AV1);c) 使压电叠层(4)与外壳(3)之间保留的致动器内室(2)通过 钝化液体(5)填充，用于使施加在外壳(3)上的燃料压力(P)传递 到压电叠层(4)上，其中液体(5)具有与温度和/或压力有关的第三容 积变化(AV3);d) 使至少包括笫二、第三和第四容积变化(AV2-AV4)的整个容 积变化(AVm)通过打包多个具有与温度和/或压力有关的第四容积变 化(AV4 )的预成形物体(6, 7 - 10 )这样设在钝化液体(5 )里面，使 致动器内室(2)的整个容积变化(AVin)基本相当于外壳(3)的第一 容积变化(AV1 )。
15. 喷射系统，具有如权利要求1至13中任一项或多项所述的压电致动器(1),其中压电致动器(1)设置在喷射系统的高压室里面。
16. 如权利要求15所述的喷射系统，其特征在于，喷射系统构造 成共轨喷射系统。
全文摘要
本发明提出用于以给定的燃料压力喷射燃料的压电致动器，它具有至少侧面界定致动器内室的外壳，它具有与温度和/或压力有关的第一容积变化；设置在致动器内室里面的压电叠层，它具有与温度和/或压力有关的第二容积变化；设置在压电叠层与外壳之间的传递介质，用于使从外部施加在外壳上的燃料压力传递到压电叠层上，其中传递介质具有钝化液体和多个预成形的物体，所述液体具有与温度和/或压力有关的第三容积变化，所述物体具有与温度和/或压力有关的第四容积变化，其中这样调整钝化液体与预成形的物体之间的比例，使外壳的第一容积变化基本相当于致动器内室的整个容积变化，该整个容积变化至少包括第二、第三和第四容积变化。
文档编号F02M51/06GK101438051SQ200780016611
公开日2009年5月20日 申请日期2007年5月3日 优先权日2006年5月8日
发明者M·克罗伯格 申请人:欧陆汽车有限责任公司