DE102005039558B4

DE102005039558B4 - Anordnung mit einem Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005039558B4
Application number: DE102005039558.9A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Heinz; Dieter Kienzler; Udo Schaich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2025-08-23
Also published as: DE102005039558A1; WO2007023038A1

Abstract

Anordnung mit einem Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (26), die als Bestandteil eines Piezoelements (3; 21) in einem Haltekörper (2; 29, 30) gehalten sind, wobei am Piezoelement (3; 21) eine innere wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden (22, 23) mit Kontaktelementen (24, 25) vorhanden ist und mit – elektrischen Leitungen (34, 35), die durch ein Kopfteil (30) des Haltekörpers (29) zu den Kontaktelementen (24, 25) geführt sind, – wobei die elektrischen Leitungen (34, 35), die durch ein Kopfteil (30) des Haltekörpers (29) zu den Kontaktelementen (24, 25) geführt sind und in von außen während eines Montageschrittes zugänglichen Hohlräumen (40, 41; 50, 51) mit den Kontaktelementen (24, 25) verbindbar sind dadurch gekennzeichnet, dass – die Hohlräume (40, 41) von zwei von außen anbringbaren Halbschalen (42, 43) und einer darüber außen schiebbaren Schiebehülse (48) umschlossen sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Piezoaktor, beispielsweise als Piezoinjektor oder zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Stand der Technik
Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors 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 Reaktion 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.
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.
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.
Außerdem ist auch in der EP 1 174 615 A2 ein ein Piezoaktor bzw. ein Piezoinjektor 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 wegbewegt, da die Nadel direkt übersetzt der Bewegung des Aktors folgt.
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 Piezoaktors 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.
Bei den zuvor beschriebenen Piezoaktoren ist zu beachten, dass die elektrischen Anbindungen im Herstellungsprozess einfach aber im Betrieb sicher erfolgen sollen, wobei zusätzlich zur elektrischen Isolierung auch bei vielen Anwendungen mit einer Ventilfunktion eine ausreichende Abdichtung gegenüber Flüssigkeiten gewährleistet sein muss. Insbesondere bei einer Anwendung der Piezoaktoren als Einspritzinjektoren für Kraftstoff in sogenannten Common-Rail-Systemen (CR) ist bei den verwendeten hohen Drücken des Kraftstoffs eine sichere Bauweise erforderlich.
Weiter ist aus der EP 1 555 699 A2 eine Anordnung mit einem Piezoaktor bekannt, die ein Kopfteil aufweist, durch das Leitungen zu den Kontaktelementen des Piezoaktores geführt sind. Die Kontaktierung kann dabei in von außen während eines Montageschritts zugänglichen Hohlräumen erfolgen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einer eingangs beschriebenen Anordnung mit einem Piezoaktor aus, der einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen in einem Piezoelement aufweist und an einem Haltekörper gehalten sind, wobei am Piezoelement 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, die durch ein Kopfteil des Haltekörpers zu den Kontaktelementen geführt sind, in von außen während eines Montageschrittes zugänglichen Hohlräumen mit den Kontaktelementen verbindbar. Eine 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.
Dabei sind die Hohlräume von zwei von außen anbringbaren Halbschalen und einer darüber außen schiebbaren Schiebehülse gebildet. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Hohlräume durch zwei seitliche Bohrungen, die mittels eines Stopfens verschließbar sind, gebildet. Es ist bei den beschriebenen Piezoaktoren vorteilhaft, wenn insbesondere bei innenliegenden Kontaktelementen am Aktorfuß auf einfache Weise eine Verbindung zwischen den die Innenelektroden kontaktierenden Kontaktelementen und den weiterführenden Drähten oder sonstigen elektrischen Leitungen zu den Steckern am Haltekörper des Piezoaktors hergestellt werden kann.
Bei herkömmlichen Anordnungen wird hier zum Beispiel eine Steckverbindung vorgesehen, insbesondere wenn die weiterführenden Drähte mit Ihren Glaseinschmelzungen schon im Kopfteil des Haltekörpeers montiert sind. Diese Steckverbindungen sind allerdings nach der Montage nur schwer prüfbar bezüglich des elektrischen Kontakts, der Festigkeit und der Form, so dass die erfindungsgemäße Schiebehülse oder die durch einen Stopfen verschließbare Bohrung insofern vorteilhaft ist, dass die Verbindung zunächst unter Sichtkontrolle durch Schweißen, Löten oder sonstigen stoff- oder formschlüssigen Verfahren hergestellt werden kann. Eine Kontrolle der Verbindungsstelle kann auch durch Temperaturmessung, durch Sichtprüfung oder durch Kontrolle der Ausrichtung der Enden der Leitungen erfolgen. Die Verbindung der Enden der Leitungen und/oder der Kontaktelemente kann zumindest teilweise überlappend erfolgen.
Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren kann dadurch realisiert werden, dass in einem ersten Verfahrensschritt die Kontaktelemente mittels der Kontaktverbindungen an die Leitungen angefügt werden, in einem zweiten Verfahrensschritt die Halbschalen angefügt werden und in einem dritten Verfahrensschritt die Schiebehülse über die Halbschalen geschoben wird und mittels einer festen Verbindung hier gehalten wird. Alternativ können auch in einem ersten Verfahrensschritt die Kontaktelemente mittels der durch die Bohrungen vorgenommenen Kontaktverbindungen an die Leitungen angefügt werden und in einem zweiten Verfahrensschritt die Bohrungen mittels Stopfen verschlossen werden. Bei dem letztgenannten Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, dass hier deutlich an Bauhöhe eingespart wird und damit ein relativ kurzer Piezoaktor realisierbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Piezoinjektor mit einem Piezoaktor mit einem prinzipiellen geometrischen Aufbau nach dem Stand der Technik mit innenliegender Kontaktierung der Innenelektroden und
2 einen Teillängsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Piezoinjektors mit innenliegender Kontaktierung und einer Schiebehülse im Bereich einer Verbindung zu den Kontaktelementen im Fußteil des Piezoaktors
3 einen Querschnitt entlang einer Linie III-III nach der 2,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer seitlichen Öffnung bzw. Bohrung im Bereich der Verbindung zu den Kontaktelementen im Fußteil des Piezoaktors und
4a bis 4d Alternativen der Verbindungen der elektrischen Leitungen an den Kontaktelementen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein prinzipieller Aufbau eines einstufigen Piezoinjektors 1 gezeigt, bei dem ein Piezoaktor zur direkten Nadelhubsteuerung einer Düsennadel zur 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 angepassten Steckerausführung die elektrische Spannung zur Ansteuerung eines Piezoelements 3 angeschlossen werden kann.
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 Piezoinjektors 1 durch den Innenraum des Haltekörpers 2 geführter Kraftstoff kann somit in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden.
Die Piezolagen des Piezoelements 3 liegen nach der 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.
Aus 2 ist ein Teil eines erfindungsgemäßen Piezoaktors 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 eine innere Kontaktelemente 24 und 25 mit einer elektrischen Spannung versorgt werden. Die Kontaktelemente 24 und 25 kontaktieren die Innenelektroden 22 und 23 in einer hier nicht dargestellten Weise über Bürsten, über einen Leitkleber oder weisen eine hierfür geeignete Formgebung, zum Beispiel mit einer spiralförmigen Drahtführung auf. Durch das Potentialgefälle bei Anlage einer Spannung wird die in der Beschreibungseinleitung erläuterte mechanische Reaktion in den Piezolagen 26 aus Keramikfolien dann zwischen den Innenelektroden 22 und 23 bewirkt.
Das Piezoelement 21 liegt weiterhin über einen Aktorfuß 28, vorzugsweise aus Stahl, am Haltekörper 29 des Piezoaktors 20 an, wobei dieser ein Kopfteil 30 aufweist, das zum einen eine Kraftstoffzufuhr und ein elektrisches Anschlussteil aufweist. Das Piezoelement 21 ist gegenüber dem Kraftstoff im Inneren des Haltekörpers 29 noch mit einer äußeren Isolationsschicht abgedichtet.
Im Inneren des Kopfteils 30 sind Zuführdrähte als Leitungen 34 und 35 isoliert eingefügt, die zum Anschluss an das Piezoelement 21 hochdruckdicht zum Aktorfuß 28 geführt sind. Die Leitungen 34 und 35 werden nach unten durch eine hochdruckdichte Glaseinschmelzung 36 und 37 geführt und zur Drehfixierung in keramischen Hülsen 38 und 39 gehalten. Danach enden die Leitungen 34 und 35 in Hohlräumen 40 und 41, die von aus 3 ersichtlichen Halbschalen 42 und 43 umschließbar sind, die zur Isolierung der Enden der Leitungen 34 und 35 sowie der Kontaktelemente 24 und 25 eine Auskleidung 44 mit elektrisch isolierendem Material, zum Beispiel Polymer, aufweisen. Hinter der Verbindung der Leitungen 34 und 35 und der Kontaktelemente 24 und 25 liegen dann ebenfalls noch keramische Hülsen 45 und 46 zur Zentrierung bzw. Drehfixierung am Umfang der Bohrungen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel nach den 2 und 3 werden die elektrischen Verbindungen zwischen den Leitungen 34 und 35 und den Kontaktelementen 24 und 25 im jeweiligen Hohlraum 40 und 41 zunächst durch Schweißen, Löten oder ähnliche stoff- oder formschlüssige leitende Verbindungen hergestellt und dann werden die Halbschalen 42 und 43 angefügt und mittels einer Schiebehülse 48, die über die Halbschalen 42 und 43 geschoben wird, fixiert. Die Schiebhülse 48 kann dabei vor der Herstellung der Verbindung zwischen den Leitungen 34 und 35 und den Kontaktelementen 24 und 25 zunächst nach oben über eine Fortsetzung 49 des Kopfteils 30 geschoben werden und nach der Herstellung der Verbindung nach unten auf die Halbschalen 42 und 43 verschoben und dann mit Schweißnähten 47 befestigt werden.
Aus 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem alternativ zur Schiebehülse 48 nach der 2 seitliche Bohrungen 50 und 51 angebracht sind, durch die die Verbindung zwischen den Leitungen 34 und 35 und den Kontaktelementen 24 und 25 hergestellt werden kann und dann können die Bohrungen 50 und 51 durch Stopfen 52 und 53 verschlossen und dicht verschweißt werden.
In 4a bis 4d sind alternative Ausführungsbeispiele für die Verbindungen zwischen den Leitungen 34 und 35 und den Kontaktelementen 24 und 25 (hier beispielhaft zwischen den Leitungen 35 und 25) in den Hohlräumen 40, 41 nach der 2 und den Bohrungen 50, 51 nach der 4 gezeigt. Die 4a zeigt eine stumpfe, die 4b eine überlappende, die 4c eine breit auf schmal überlappende Verbindung und die 4d eine Steckverbindung.

Claims

Anordnung mit einem Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen (26), die als Bestandteil eines Piezoelements (3; 21) in einem Haltekörper (2; 29, 30) gehalten sind, wobei am Piezoelement (3; 21) eine innere wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden (22, 23) mit Kontaktelementen (24, 25) vorhanden ist und mit – elektrischen Leitungen (34, 35), die durch ein Kopfteil (30) des Haltekörpers (29) zu den Kontaktelementen (24, 25) geführt sind, – wobei die elektrischen Leitungen (34, 35), die durch ein Kopfteil (30) des Haltekörpers (29) zu den Kontaktelementen (24, 25) geführt sind und in von außen während eines Montageschrittes zugänglichen Hohlräumen (40, 41; 50, 51) mit den Kontaktelementen (24, 25) verbindbar sind dadurch gekennzeichnet, dass – die Hohlräume (40, 41) von zwei von außen anbringbaren Halbschalen (42, 43) und einer darüber außen schiebbaren Schiebehülse (48) umschlossen sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (40, 41) durch zwei seitliche Bohrungen (50, 51), die mittels eines Stopfens (52, 52) verschließbar sind, gebildet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (34, 35) im Kopfteil (30) des Haltekörpers (29, 30) in einer Glaseinschmelzung (36, 37) eingebettet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktverbindungen der elektrischen Leitungen (34, 35) zu den Kontaktelementen (24, 25) durch Verschweißen, Löten oder einer anderen stoff- oder formschlüssigen Verbindung herstellbar ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Leitungen (34, 35) und/oder der Kontaktelemente (24/25) zumindest teilweise überlappend aneinander liegen.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem Piezoaktor nach Anspruch 1 oder einem darauf zurückbezogenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt die Kontaktelemente (24, 25) mittels der Kontaktverbindungen an die Leitungen (24, 25) angefügt werden, in einem zweiten Verfahrensschritt die Halbschalen (40, 41) angefügt werden und in einem dritten Verfahrensschritt die Schiebehülse (45) über die Halbschalen (40, 41) geschoben wird und mittels einer festen Verbindung hier druckdicht gehalten wird.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem Piezoaktor nach Anspruch 2 oder einem darauf zurückbezogenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt die Kontaktelemente (24, 25) mittels der durch die Bohrungen (50, 51) vorgenommenen Kontaktverbindungen an die Leitungen (24, 25) angefügt werden und in einem zweiten Verfahrensschritt die Bohrungen (50, 51) mittels Stopfen (52, 53) druckdicht verschlossen werden.