專利名稱：壓電致動器模件及其裝配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于如權(quán)利要求1的前序部分詳細所述類型的壓電致動器模件，特別是用于在配有蓄壓噴油系統(tǒng)(共軌系統(tǒng))的汽車噴油裝置的高壓部分中的噴油器，本發(fā)明還基于如權(quán)利要求10的前序部分詳細所述類型的壓電致動器模件裝配方法。
背景技術(shù)：
這種致動器模件實際上是公知的，它尤其可以與共軌蓄壓噴油系統(tǒng)一起被用于柴油內(nèi)燃機。在此，壓電致動器模件配屬于一個呈閥狀的閥門控制模件并用于操縱該閥門控制模件的閥門關(guān)閉機構(gòu)。利用該閥門控制模件，還可以操縱噴油閥的噴嘴模塊的噴油針。噴油針至少與一個通向內(nèi)燃機燃燒室的噴孔配合工作。
壓電致動器模件通常包括致動器腿，它支撐在噴油閥殼上；壓電元件，它在施加電壓時會伸長；致動器頭部，如此通過致動器頭部將壓電元件伸長傳給所謂的控制活塞，即活塞沿軸向移動?？刂苹钊?jīng)過呈液壓室形式的液力偶合器與所謂的操縱活塞配合工作，操縱活塞又與閥門關(guān)閉機構(gòu)相連。在DE19946831中也介紹了這樣的結(jié)構(gòu)。
DE10043626提出一種壓電致動器模件，它被一個軸向伸展的套筒包住，套筒的作用是保護壓電元件不被臟東西和汽油污染以及在裝配時防止受損。在致動器頭部的區(qū)域內(nèi)，壓電致動器模件利用折疊式護套被密封起來，該護套一方面允許致動器行程，另一方面能補償壓電元件的負的熱膨脹系數(shù)。但折疊式護套也有缺點，即它們占地相當大且是成本密集型部件。

發(fā)明內(nèi)容
在具有根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的特征的本發(fā)明的壓電致動器模件中，在致動器腿上連接著一膜片，該膜片基本沿徑向延伸并與一套筒相連并且其橫截面有著不同的曲率半徑，這樣的壓電致動器模件的優(yōu)點是，膜片安裝得特別低，因而只需要很小的安裝空間。此外，膜片成本也比折疊式護套的成本低得多。
本發(fā)明的壓電致動器模件的膜片最好這樣布置，即它能夠跟隨致動器頭部的如40μm的位移，這種位移是由壓電元件伸長引起的。當膜片沿軸向密封住致動器模件時，它便與沿徑向限制致動器模件的套筒一起形成致動器模件的護套。致動器腿、壓電元件、致動器頭部、套筒和膜片共同構(gòu)成壓電致動器模件。
因此，膜片有如下功能，即密封功能；溫度平衡功能，即在加熱時在具有負的縱向伸縮的壓電元件和具有正的縱向伸縮的套筒之間實現(xiàn)溫度平衡；以及傳遞致動器行程的功能(連接致動器頭部和套筒)。
在一個有利的實施形式里，膜片例如可以用彈簧鋼制成或者用析出強化材料制成。
膜片同致動器腿的特別可靠的連接能夠通過將這兩個部件焊接在一起來實現(xiàn)。
此外，膜片可以與套筒焊接起來或同套筒制成一個整體。在上述兩種情況下，膜片最好具有一個用于逐漸鎖小的致動器腿部的中央通孔，以便將壓電元件的伸長傳給至少一個活塞。為此，膜片呈環(huán)形。
根據(jù)本發(fā)明壓電致動器模件的一個優(yōu)選的實施形式，呈環(huán)形的膜片有一個弧形橫斷面。在這個實施形式里，在工作中作用于膜片的機械負荷是最小的。
就可用結(jié)構(gòu)空間和當致動器模件工作時存在的負荷而言，已被證明是特別有利的是使用其橫斷面有不同曲率半徑的膜片。該膜片的橫斷面例如在與致動器腿相連的區(qū)域里是平坦的，從而使膜片在該區(qū)域里成圓錐形，在此，與該錐形部位相連的首先是一個具有第一曲率半徑的部位；與具有第一曲率半徑的部位相連的是一個具有第二曲率半徑的部位，第二曲率半徑小于第一曲率半徑；與具有第二曲率半徑的部位相連的是一個具有第三曲率半徑的部位，第三曲率半徑又小于第二曲率半徑。與具有第三曲率半徑的部位相連的又可以是一個平行于套筒定向的圓筒形部位，膜片就通過該圓筒形部位與套筒相連。在膜片的圓錐形部位和圓筒形部位之間形成的角度例如為45°。在環(huán)形膜片的外徑例如為9.85mm、環(huán)形膜片的內(nèi)徑例如為3.7mm的條件下，第一曲率半徑是1.9mm，第二曲率半徑是1.5mm，第三曲率半徑是1.0mm。這樣的膜片形狀就是在預(yù)定結(jié)構(gòu)空間條件下FEM-最佳化(有限元法-最佳化)的結(jié)果。膜片厚度例如為80μm的膜片的形狀允許承受在致動器模件工作時產(chǎn)生的負荷，這種負荷尤其包括在膜片上出現(xiàn)的最大為60巴的流體壓力；-40℃和160℃之間的溫度波動；約35μm的致動器行程。膜片與致動器頭部或套筒的連接最好通過激光焊來實現(xiàn)。
但根據(jù)一個變型實施方式，膜片也能具有基本平坦的造型。
根據(jù)一個有利的實施例，膜片厚度例如為70μm-0.2mm。
本發(fā)明還提出壓電致動器模件的裝配方法，這種致動器模件至少包含一壓電元件、一致動器腿和一致動器頭部，該致動器頭部與一由壓電元件操縱的部位配合工作，在此，致動器模件被一軸向伸展的套筒包圍著。根據(jù)本發(fā)明，套筒在致動器腿一側(cè)的端頭上用一個膜片被封閉起來，該膜片基本上沿徑向延伸。
最好在封閉套筒時將膜片同致動器頭部無負荷地加以焊接。然后可將膜片連同致動器頭部一起裝入到套筒中，并以預(yù)加負荷向壓電元件加載。在致動器剛度為40N/μm情況下，750N的預(yù)加負荷相當于一個大約19μm的行程。膜片本身這時保持無負荷。然后可將膜片在加載的壓電元件情況下同套筒加以焊接，接著可除去致動器頭部的預(yù)加負荷，這一點便可實現(xiàn)膜片沿致動器腿方向的19μm的偏移。按這種裝配方法，由于作用于套筒的750N預(yù)加負荷之故，膜片的正偏移得以補償。于是，膜片在未操作的壓電元件和沒有作用于膜片的流體壓力的情況下，在例如溫度為20℃時，處于零位置中，而且是無負荷的。
本發(fā)明的其它優(yōu)點和主題的有利的進一步發(fā)展，均可從有關(guān)的說明書、附圖和權(quán)利要求中看出。


附圖示意地表示壓電致動器模件的五個實施例示意，在以后的說明書中將詳細解釋這些實施例。附圖表示圖1是壓電致動器模件的縱斷面示意圖，該致動器模件用作噴油閥的控制單元；圖2是圖1所示致動器模件的致動器腿部的斷面透視圖；圖3以與圖1相應(yīng)的視圖表示在噴油閥里的壓電致動器模件的第二
具體實施例方式
圖1、2所示的實施例表示汽油噴射系統(tǒng)1的局部，該噴油系統(tǒng)設(shè)計安裝在汽車內(nèi)燃機中，在這里是作為共軌噴油器設(shè)計的，最好用于噴射柴油。
噴油器包括一致動器模件2，它被裝在一個保持體3中并通過偶合器模塊配屬于一成閥狀的閥門控制模件，該控制模件用于操縱噴油針，噴油針安置在一個在圖中未詳細繪出的噴嘴模塊中。此外，在保持體3中形成一平行于致動器模件2地延伸的供油通道4(高壓孔)，它用于將汽油從共軌蓄壓單元中送往噴油閥1的噴嘴模塊。
致動器模件2包括所謂的致動器腿5，致動器模件2經(jīng)過該支腳支撐在保持體3上；軸向連接到致動器腿5上的壓電元件6，壓電元件通常是用多層壓電材料制成的；一個沿背向致動器腿5的方向連接到壓電元件6上的所謂的致動器頭部7。致動器頭部7用來將壓電元件6的伸縮傳給一個已知的在但未示出的閥門控制單元的控制活塞，該閥門控制單元原則上最好成如DE19946831所述液體控制閥的形式。
在此，控制活塞通常通過呈液壓室形式的液力偶合器(偶合器模塊)與所謂的操縱活塞有效連接，在這里，下方的操縱活塞最好還同一個閥門關(guān)閉機構(gòu)相連，該閥門關(guān)閉機構(gòu)與閥座配合作用。
壓電元件6的伸縮的傳遞通過一個在這里被用作補償元件的球8來實現(xiàn)。球8的直徑例如約為3mm。
壓電致動器模件2在這里被一個軸向伸展的且基本呈圓筒狀的薄壁套筒9包住，該套筒例如是用廉價的不銹鋼制成的并徑向密封著壓電致動器模件2。
在背向致動器腿5的一側(cè)，壓電致動器模件2沿軸向通過由彈簧鋼制成的前方膜片10被密封住，該膜片基本沿徑向伸展并呈環(huán)狀并且有一個用于致動器頭部7的一榫形部位12的中央通孔。
膜片厚度例如為0.08mm-0.2mm，外徑為9.5mm，內(nèi)徑為2.5mm。
膜片10的造型在這里基本上是平坦的或成板狀，膜片在朝向榫形部位12的內(nèi)邊界上通過焊縫13與致動器頭部7固定連結(jié)。在朝向套筒9的外邊界上，膜片10經(jīng)過一條焊縫14與套筒9相連。
圖3表示壓電致動器模件20的一個可選用的實施形式。該實施形式與圖1、2所示實施形式不同之處在于膜片21隆起成橢圓形乃至圓弧形，在此，隆起面沿壓電元件6的方向延伸。膜片21基本徑向延伸并且也呈環(huán)形，它在內(nèi)邊界上經(jīng)過一條焊縫13與致動器頭部7相連并在外邊界上經(jīng)過一條焊縫14與套筒9相連。按這種實施形式，在工作中作用于膜片的機械負荷是很小的。
圖4示出本發(fā)明的壓電致動器模件30的第三實施形式。該實施形式與圖1、2所示實施形式的不同點在于其膜片31與套筒9做成一個整體，因此，它與套筒9形成一個單元。膜片31具有平面的或平坦的幾何形狀并且成環(huán)形，它在其內(nèi)邊界上通過一條焊縫13與致動器頭部7相連。
不言而喻的是，本發(fā)明并不局限于附圖所示的幾個實施形式。膜片甚至也能具有各種可想到的實施形式，只要專業(yè)人員針對既定用途認為合適就行。
圖5表示本發(fā)明的壓電致動器模件40的第四實施形式。壓電致動器模件40的結(jié)構(gòu)與圖1所示的壓電致動器模件結(jié)構(gòu)的不同點在于其膜片41有一個具有不同曲率半徑的橫斷面，在此，環(huán)狀膜片41沿壓電元件6的方向成拱面形狀。
在圖6中放大示出了膜片41的橫斷面，它具有在橫斷面中為平坦的圓錐形部位42，該部位與套筒9成45°角，其長度d1為0.7mm。膜片41經(jīng)過圓錐形部位42與致動器腿7焊接。在部位42上連接一個有1.9mm的第一曲率半徑的部位43；在部位43上連接一個有1.5mm的第二曲率半徑的部位44；在部位44上再連接一個有1.0mm的第三曲率半徑的部位45。在部位45(具有第三曲率半徑)上，再連接一個在橫斷面中為扁平的圓筒狀部位46，膜片41經(jīng)過該部位與套筒9焊接。膜片41部位46的高度d2為0.7mm，相對套筒9突前0.3mm。具有第三曲率半徑的部位45一直到達1.5mm的膜片高度；具有第二曲率半徑的部位44經(jīng)過膜片41的最高點達到1.8mm的高度d4并終止于1.78mm的高度d5。具有第一曲率半徑的部位43以1.25mm的膜片高度一直延伸到1.78mm的膜片高度。
膜片41的外徑為9.85mm；膜片41的內(nèi)徑為3.7mm。
圖5、6所示膜片是如此裝配的首先將致動器頭部7無負荷地與膜片41的部位42焊接起來。為了調(diào)定中壓水平，可以用預(yù)負荷750N(相當于19μm的致動器行程)將致動器頭部7壓在壓電元件6上，在此，在上述預(yù)負荷下將膜片41部位46同套筒9焊接在一起。
另一做法是，有目的地預(yù)成型膜片41的部位46并將它壓入到套筒9中，然后才將其與套筒9焊接起來。
通過在裝配膜片時所施加的預(yù)加負荷，便可明顯降低工作點上的電壓水平。
圖7表示本發(fā)明壓電致動器模件50的第五實施形式。壓電致動器模件50的結(jié)構(gòu)基本上與圖5、6所示的壓電致動器模件的結(jié)構(gòu)相同，不同之處在于膜片51有不一致的幾何結(jié)構(gòu)。
膜片51被構(gòu)造成沿壓電元件6方向成拱面形狀并且有這樣的橫斷面，即它由一個與壓電元件6的軸線垂直地定向的并包圍致動器腿的環(huán)形部位52形成，在環(huán)形部位上連接一個圓錐形部位53，在圓錐形部位里，膜片51在一個約0.3mm的長度e1上與致動器腿7焊接。在圓錐形部位53上連接著一個具有1.4mm的第一曲率半徑的部位54；在部位54上連接一個具有2.47mm的第二曲率半徑的部位55；在部位55上又連接一個具有0.5mm的第三曲率半徑部位56。在具有第三曲率半徑的部位56上再連接一個在橫斷面中為平坦的圓筒形部位57，膜片51通過此部位在大約為0.3mm的長度e2上與套筒9焊接。圓筒狀部位57由一個圍裙形的、與壓電元件6的軸線垂直的部位58構(gòu)成邊界。圓筒狀部位57的高度e3為1.2mm，相對套筒9超前。具有第三曲率半徑的部位56一直延伸到1.75mm的膜片高度e4；具有第二曲率半徑的部位55經(jīng)過膜片51的最高點達到1.85mm的高度e5并終止于1.62mm的高度e6。具有第一曲率半徑的部位54從1.24mm的膜片高度延伸到1.66mm的膜片高度e7。
膜片51的外徑在圍裙形部位58上為10.35mm，在圓筒狀部位57上為9.89mm。膜片51的內(nèi)徑為3.5mm。
盡管本發(fā)明提出的壓電致動器模件如上所述地被很有利地用在汽油噴油閥上，但本發(fā)明設(shè)計的壓電致動器模件也可用在其它應(yīng)用領(lǐng)域，特別是這樣一些領(lǐng)域，即考慮到要保護壓電元件不被污染和不被侵蝕物質(zhì)腐蝕的地方。
權(quán)利要求
1.壓電致動器模件，它至少包括壓電元件(6)；致動器腿(5)；致動器頭部(7)，該致動器頭部與一個由壓電元件(6)所操作的部件配合作用，在這里，該壓電致動器模件(2；20；30)被一個軸向延伸的套筒(9)包圍著，其特征在于一個膜片(10；21；31；41)與該致動器腿(7)相連，該膜片基本沿徑向延伸并與套筒(9)相連并具有一個有不同曲率半徑的橫斷面。
2.按權(quán)利要求1所述的壓電致動器模件，其特征在于該膜片(10；21；31；41)與該致動器腿(7)焊接在一起。
3.按權(quán)利要求1或2所述的壓電致動器模件，其特征在于該膜片(10；21；41)與該套筒(9)焊接在一起。
4.按權(quán)利要求1或2所述的壓電致動器模件，其特征在于該膜片(31)與該套筒(9)成一個整體。
5.按以上權(quán)利要求1-4之一所述的壓電致動器模件，其特征在于該膜片(21)具有拱形橫斷面。
6.按以上權(quán)利要求1-5之一所述的壓電致動器模件，其特征在于該膜片(10；21；31；41)的厚度大約為70μm-200μm。
7.按權(quán)利要求1-7之一所述的壓電致動器模件，其特征在于它用作汽車的汽油噴油閥(1)的且特別是共軌噴油閥的控制單元。
8.一種壓電致動器模件的裝配方法，該壓電致動器模件至少包括壓電元件(6)、致動器腿(5)和致動器頭部(7)，該致動器頭部同一個由該壓電元件(6)操作的部件配合作用，在這里，該壓電致動器模件(2；20；30；40)被一個軸向延伸的套筒(9)包圍著，其特征在于該套筒在該致動器頭部(7)一側(cè)的端頭用一膜片(10；21；31；41)被封閉住，該膜片基本沿徑向延伸。
9.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于該膜片(41)和該致動器頭部(7)無負荷地焊接。
10.按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于同該膜片(41)焊接的該致動器頭部(7)被裝入該套筒(9)中并且沿該壓電元件(6)的方向承受一個預(yù)負荷。
11.按權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于在致動器腿(7)承受預(yù)負荷的情況下，該膜片(41)同該套筒(9)焊接在一起。
全文摘要
本發(fā)明提出一種壓電致動器模件，它至少具有壓電元件(6)、致動器腿(5)和致動器頭部(7)并且它被一個軸向延伸的套筒(9)包圍著。為了沿軸向?qū)弘娭聞悠髂＜?2)實行密封，一個膜片(21)與致動器腿(7)相連，該膜片基本沿徑向延伸并與套筒(9)相連并且具有一個有不同曲率半徑的橫斷面。
文檔編號F02M61/16GK1620551SQ03802486
公開日2005年5月25日 申請日期2003年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月20日
發(fā)明者D·基恩茨勒, D·烏爾曼, J·-L·羅特拉格 申請人:羅伯特-博希股份公司