DE19940346A1 - Anschlußvorrichtung für einen piezoelektrischen Baustein - Google Patents

Abstract

An einer Anschlußvorrichtung zum Aufsetzen auf die Anschlußstifte eines piezoelektrischen Bausteins, in welcher sich zwei leitende Elemente (20a, 20b) zur Kontaktgabe zwischen den Anschlußstiften und einer elektrischen Außenverbindung befinden, ist ein die beiden leitenden Elemente (20a, 20b) verbindender Brückenwiderstand (25) vorgesehen, der einerseits genügend hochohmig ist, um den Betrieb des piezoelektrischen Bausteins nicht zu beeinträchtigen, andererseits aber genügende Leitfähigkeit hat, um den Baustein vor einer ihn schädigenden elektrischen Aufladung zu schützen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anschlußvorrichtung zum Auf­ setzen auf die Anschlußstifte eines piezoelektrischen Bau­ steins, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bevor­ zugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind piezoelektrische Aktoren, die z. B. verwendbar sind zur Steuerung der Injekto­ ren in Kraftstoff-Einspritzsystemen an Verbrennungsmotoren.

Die elektrische Verbindung zwischen den Anschlußstiften eines piezoelektrischen Bausteins (entweder eines einzelnen Bauelementes oder einer ganzen Baugruppe) und einem anderen Gerät wird in vielen Fällen über Steckverbinder hergestellt. Die vom Hersteller am elektrischen Baustein angebrachten An­ schlußstifte sind nämlich meist nicht geeignet, unmittelbar als Kontaktglieder für eine Steckverbindung zu dienen, entwe­ der weil sie nicht die notwendige mechanische Festigkeit auf­ weisen oder weil sie in ihrer Form und Anordnung nicht mit den Gegenkontaktgliedern einer anderen Steckverbinderhälfte zusammenpassen. Aus diesem Grund benutzt man häufig eine Zwi­ schenvorrichtung, die den Übergang von den Anschlußstiften zu passenden Kontaktgliedern herstellt, welche dann mit den Ge­ genkontaktgliedern der anderen Verbinderhälfte zusammensteck­ bar sind.

Solche Anschlußvorrichtungen, die auf Anschlußstifte ei­ nes elektrischen Bausteins aufsetzbar sind, enthalten allge­ mein einen Trägerkörper aus Isoliermaterial wie z. B. Kunst­ stoff, der leitende Elemente trägt, deren jedes einen Kontak­ tierungsabschnitt zur Anlage an einen jeweils zugeordneten Anschlußstift hat. Ein am Trägerkörper abstehender anderer Abschnitt jedes leitenden Elementes bildet ein Kontaktglied für den Anschluß einer zugehörigen elektrischen Außenverbin­ dung.

Für die Verwendung an elektrischen Bausteinen, die wid­ rigen Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind, empfiehlt es sich, die besagte Anschlußvorrichtung nach dem Aufbringen auf den elektrischen Baustein mit einer isolierenden Umspritzung aus Kunststoff zu versehen, die gleichzeitig auch ein Verbinder­ gehäuse zum Einstecken und sicheren Sitz einer anzuschließen­ den Steckverbinderhälfte bildet. Während des Herstellens der Umspritzung muß sichergestellt sein, daß die heiße Spritz­ masse nicht durch Spalte entlang den Anschlußstiften zum elektrischen Baustein direkt vordringt und diesen schädigt. Dies läßt sich durch geeignete Dichtungsmaßnahmen minimieren.

Wenn der elektrische Baustein ein piezoelektrisches Ele­ ment ist, z. B. ein Piezoaktor zur Betätigung des Steuerven­ tils eines Kraftstoffinjektors an einem Verbrennungsmotor, dann können der hohe Druck und auch die Wärme der Spritzmasse zusätzlichen Schaden am Baustein verursachen, und zwar durch den Aufbau einer übermäßig hohen elektrischen Ladung bzw. Spannung zwischen den Elektroden des Piezoelementes. Ähnli­ ches ist zu befürchten, wenn während des Transportes oder der Lagerung oder bei der Montage Änderungen der mechanischen Be­ lastung des Piezobausteins und/oder Änderungen der Umgebung­ stemperatur auftreten. Die sich hierdurch aufbauende elektri­ sche Spannung kann zu einer Veränderung des Verhaltens des Bausteins im Betrieb oder gar zur Beschädigung bis hin zur Zerstörung des Bausteins führen.

Die bisherige Lösung dieses Problems sah einen Kurz­ schluß durch provisorisches direktes Kontaktieren der beiden Elektrodenanschlüsse des Piezobausteins vor. In einem Fall, bei dem diese Anschlüsse Kabellitzen beinhalteten, wurden diese mechanisch miteinander verdrillt. Wo feste Anschluß­ stifte vorgesehen waren, wurden diese z. B. mittels Klemmver­ bindung direkt kurzgeschlossen. Im Betrieb des Bausteins muß der Kurzschluß natürlich wieder beseitigt sein.

Diese Lösungen haben den Nachteil, daß das Vorsehen und Beseitigen eines provisorischen Kurzschlusses aufwendig ist. Auch am fertig eingebauten und mit einer Anschlußvorrichtung versehenen Baustein müßte, sobald die elektrische Außenver­ bindung abgetrennt oder offen ist, der Kurzschluß wieder ein­ gefügt werden, um eine Handhabungssicherheit herzustellen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anschlußvorrichtung der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß schädigende Einflüsse auf den Baustein durch unerwünschten Ladungsaufbau permanent vermieden oder zumin­ dest minimal gehalten werden. Diese Aufgabe wird erfindungs­ gemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Gegenstand der Erfindung ist demnach Anschlußvorrichtung zum Aufsetzen auf die Anschlußstifte eines piezoelektrischen Bausteins mit einem Trägerkörper aus Isoliermaterial, der zwei leitende Elemente trägt, deren jedes einen Kontaktie­ rungsabschnitt zur Anlage an einen zugeordneten Anschlußstift und einen am Trägerkörper abstehenden Abschnitt hat, der ein Kontaktglied für eine elektrische Außenverbindung bildet. Er­ findungsgemäß ist ein die beiden leitenden Elemente verbin­ dender Brückenwiderstand vorgesehen, der einerseits genügend hochohmig ist, um den Betrieb des piezoelektrischen Bausteins nicht zu beeinträchtigen, andererseits aber genügende Leitfä­ higkeit hat, um den Baustein vor einer ihn schädigenden elek­ trischen Aufladung zu schützen.

Durch die erfindungsgemäße Integration eines geeignet bemessenen ohmschen Widerstandes als Brücke zwischen den lei­ tenden Elementen im Trägerkörper der Anschlußvorrichtung er­ gibt sich eine handhabungssichere kompakte Baueinheit. Dies gilt insbesondere, wenn in einer vorteilhaften Ausführungs­ form der Erfindung der Trägerkörper aus einer die leitenden Elemente und den Brückenwiderstand umschließende Kunststof­ fumspritzung besteht (welche natürlich die Außenkontaktglie­ der und die zur Berührung der Anschlußstifte vorgesehenen Kontaktierungsabschnitte ausspart). Die so gebildete Bauein­ heit sichert nach ihrer Montage auf dem Piezoaktor letzteren dauerhaft gegen Beschädigung, die ansonsten aufgrund nicht abbaubarer elektrischer Ladung, bedingt durch mechanische oder thermische Einwirkung, zu befürchten wäre.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbei­ spiel, das lediglich der Veranschaulichung dient und nicht als Einschränkung aufzufassen ist, näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer vergrößerten perspektivischen Dar­ stellung eine erfindungsgemäße Anschlußvorrichtung schräg von unten;

Fig. 2 zeigt die Anschlußvorrichtung nach Fig. 1 in ei­ ner perspektivischen Ansicht schräg von oben, wobei der Trä­ gerkörper strichpunktiert in Phantomdarstellung gezeichnet ist, um den Blick auf die innenliegenden Teile freizugeben;

Fig. 3 zeigt die Anschlußvorrichtung perspektivisch aus der gleichen Blickrichtung wie Fig. 2, jedoch in ungefährer Originalgröße;

Fig. 4 und 5 sind zwei aus unterschiedlichen Blick­ richtungen gesehene und teilweise aufgeschnittene Aufrißdar­ stellungen eines piezoelektrischen Bausteins mit aufgesetzter Anschlußvorrichtung nach den Fig. 1 bis 3.

In den Figuren ist mit der Bezugszahl 10 ein Trägerkör­ per bezeichnet, der aus einem isolierenden Kunststoff be­ steht. Der Trägerkörper 10 ist ein spritzgegossenes Form­ stück, welches zwei leitende Elemente 20a, 20b umschließt, von denen jeweils ein zungenförmiger Abschnitt 22a, 22b seit­ lich aus dem Trägerkörper 10 hervorsteht. Ein weiterer Ab­ schnitt jedes leitenden Elementes 20a, 20b bildet jeweils ei­ ne Lasche 21a, 21b, die nach oben aus dem Trägerkörper 10 hervorsteht. Unmittelbar angrenzend an diese Laschen 21a, 21b verläuft jeweils eine den Trägerkörper 10 durchdringende Öff­ nung 22a bzw. 23b.

Die den Zungen 22a, 22b gegenüberliegenden Endabschnitte 24a, 24b der leitenden Elemente 20a, 20b sind durch einen re­ lativ hochohmigen Brückenwiderstand 25 von beispielsweise 200 Kiloohm miteinander verbunden, z. B. durch Verschweißung oder Verlötung.

An der Unterseite des Trägerkörpers 10 sind zwei nach unten abstehende Manschetten 11a, 11b angeformt, sogenannte "Dome", deren lichte Innenräume etwa gleiche Querschnittsform und gleichen Durchmesser wie die Öffnungen 23a, 23b haben und mit diesen fluchten. Die Manschetten 11a, 11b und die Öffnun­ gen 23a, 23b sind zum Durchtritt von Anschlußstiften 31a, 31b ausgelegt, die sich an einem piezoelektrischen Baustein 30 befinden, der im dargestellten Beispielsfall ein Piezoaktor ist und von dem in den Fig. 4 und 5 hauptsächlich nur das äußere Gehäuse zu sehen ist. Wenn der Trägerkörper 10 in ent­ sprechender Weise auf die Anschlußstifte 31a, 31b aufgescho­ ben ist, berühren letztere die Laschen 21a, 21b, um Kontakt mit den leitenden Elementen 20a, 20b zu bilden; diese Kon­ taktverbindung wird nach dem Aufsetzen des Trägerkörpers 10 durch irgendein geeignetes Schweißverfahren gesichert.

Die Herstellung des Trägerkörpers 10 kann erfolgen, in­ dem zunächst die leitenden Elemente 20a, 20b einschließlich des daran leitend befestigten Brückenwiderstandes 25 in einer der Gestalt des Trägerkörpers 10 entsprechenden Spritzgußform fixiert werden, die dann mit Kunststoff-Spritzmasse gefüllt wird. Der Widerstand 25 ist vorzugsweise unlackiert, um bei diesem Spritzvorgang eine Zersetzung von Lack zu verhindern, die zur Bildung einer niederohmigen Kurzschlußbrücke führen könnte.

Für das Zusammenfügen mit dem piezoelektrischen Baustein 30 wird der Trägerkörper 10 mit den eingegossenen Teilen 20a, 20b, 25 auf den piezoelektrischen Baustein 30 aufgesetzt, derart, daß sich die Manschetten 11a, 11b auf die Anschluß­ stifte 31a, 31b schieben, bis letztere an den Öffnungen 23a, 23b oben aus dem Trägerkörper 10 heraustreten und die Schweißlaschen 21a, 21b berühren. Am oberen Ende des Bau­ steins 30, wo die Anschlußstifte 31a, 31b aus dem Baustein treten, ist eine Kopfplatte 40 angeordnet, die vorzugsweise aus isolierendem Kunststoff besteht und zwei Öffnungen 41a, 41b hat, durch welche die Anschlußstifte 31a, 31b ragen. Der Innendurchmesser dieser Öffnungen 41a, 41b ist merklich grö­ ßer als der Durchmesser der Anschlußstifte 31a, 31b, so daß ein Ringspalt zwischen jedem Anschlußstift 31a, 31b und der ihn umgebenden Innenwandung der zugeordneten Öffnung 41a, 41b vorhanden ist. Die Durchmesser dieser Ringspalte sind so be­ messen, daß die Manschetten 11a, 11b hineintreten können, wenn der Trägerkörper 10 nach unten geschoben wird, und je­ weils eine Dichtung zwischen der Oberseite der Kopfplatte 40 und dem Raum am Fuß der Anschlußstifte 31a, 31b bilden. Die Kopfplatte 40 ist so ausgebildet bzw. aufgebracht, daß sie die Oberseite des piezoelektrischen Bausteins 30, mit Ausnah­ me an den Orten der erwähnten Ringspalte, hermetisch abdeckt.

Der Trägerkörper 10 wird so weit aufgeschoben, bis die Enden der Zungen 22a, 22b eine vorgeschriebene Position be­ züglich der Unterkante des piezoelektrischen Bausteins 30 einnehmen. Hierdurch können Längentoleranzen des Bauseins 30 ausgeglichen werden: bei längeren Bausteinen können die Man­ schetten 11a, 11b weiter in die Öffnungen 41a, 41b der Kopf­ platte 40 geschoben werden als bei kürzeren Bausteinen. Die Länge der Manschetten 11a, 11b ist daher so bemessen, daß im einen Extremfall, d. h. bei einem Baustein minimaler Länge und demzufolge geringstem Einschub der Manschetten 11a, 11b in die Öffnungen 41a, 41b, die Eindringtiefe noch ausreicht, um eine angemessene Dichtwirkung zu erzielen, und daß im anderen Extremfall, d. h. bei einem Baustein maximaler Länge und dem­ zufolge maximaler Eindringtiefe der Manschetten 11a, 11b, die Enden der Manschetten nicht auf den Baustein selbst stoßen.

Nach dem Vorgang des Aufsetzens werden die Anschlußstif­ te 31a, 31b mit den Laschen 21a, 21b der leitenden Elemente 20a, 20b verschweißt, und das obere Ende des piezoelektri­ schen Bausteins 30 einschließlich des aufgesetzten Trägerkör­ pers 10 werden mit einer Kunststoffmasse 50 umspritzt. Durch diese Umspritzung 50 wird ein wirksamer Schutz vor Umgebungs­ einflüssen erzielt. Im dargestellten Fall bildet die Umsprit­ zung 50 gleichzeitig ein Steckergehäuse 51, welches die Zun­ gen 22a, 22b umgibt und zum Einführen und Haltern eines Ge­ gensteckers (nicht gezeigt) ausgelegt ist, der Kontaktglieder aufweist, die mit den Zungen 22a, 22b in Verbindung treten und somit für den Anschluß des piezoelektrischen Bausteins 30 an andere Geräte sorgen können.

Durch die mittels der Manschetten 11a, 11b hergestellte Dichtung wird wirksam verhindert, daß während dieser Umsprit­ zung die unter Druck stehende und heiße Spritzmasse zum pie­ zoelektrischen Baustein 30 selbst vordringt. In sehr engen Spalten, die eventuell noch zwischen den Außenseiten der Man­ schetten 11a, 11b und den Innenwandungen der Kopfplattenöff­ nungen 41a, 41b vorhanden sind, wird eine "Selbstabdichtung" erfolgen: an den Spaltwänden erstarrt die gegebenenfalls ein­ dringende flüssige Spritzmasse und verschließt so die Spalte, bevor die Masse in den Raum am Fuß der Anschlußstifte 31a, 31b vordringen kann. Auch verhindert die beschriebene Dicht­ wirkung, daß der Druck der Spritzmasse auf den piezoelektri­ schen Baustein übertragen wird. Da außerdem der Trägerkörper 10 infolge der Schweißverbindung zwischen den Laschen 21a, 21b und den Anschlußstiften 31a, 31b gegenüber dem piezoelek­ trischen Baustein 30 fixiert ist, kann der Druck der Spritz­ masse auch keine Verlagerung des Trägerkörpers 10 und damit der Manschetten 11a, 11b mehr bewirken.

Der Brückenwiderstand 25 zwischen den leitenden Elemen­ ten 20a, 20b ist so bemessen, daß er einerseits genügend hochohmig ist, um den Betrieb des Bausteins 30 beim Anlegen einer piezoelektrischen Betätigungsspannung an die Zungen 22a, 22b nicht nennenswert zu beeinträchtigen, andererseits aber genügend stromdurchlässig, um eine unbeabsichtigte elek­ trische Aufladung, wie sie etwa bei mechanischer Beanspru­ chung oder durch thermische Einwirkung entstehen kann, zu be­ grenzen bzw. in angemessener Zeit abzubauen.

Der optimale ohmsche Wert des Brückenwiderstandes hängt von Kennwerten des Piezobausteins und von den zu erwartenden Bedingungen bei Herstellung, Transport, Lagerung, Montage und Betrieb des Bausteins ab. Diese Bedingungen lassen sich vor­ aussehen. Es wurde gefunden, daß der Widerstand vorzugsweise so bemessen sein sollte, daß das Produkt seines Widerstands­ wertes mit der jeweiligen elektrischen Eigenkapazität des Piezobausteins eine Zeitkonstante im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 2,0 Sekunden ergibt. Bei einem typischen Baustein, der für den Einsatz als Piezoaktor an einem Kraftstoffinjektor konzipiert war, änderte sich diese Kapazität von 3 Mikrofarad (im völlig unbelasteten Zustand bei Zimmertemperatur) bis et­ wa 10 Mikrofarad (im Zustand höchster thermischer und mecha­ nischer Belastung während des Einsatzes). Somit wäre für die­ sen Baustein ein Brückenwiderstand geeignet, dessen Wider­ standwert zwischen 133 und 200 Kiloohm liegt. Es hat sich dann auch in der Praxis erwiesen, daß für den erwähnten Fall ein Brückenwiderstand von 200 Kiloohm tatsächlich den ge­ wünschten Erfolg brachte.

Neben der vorstehend beschriebenen und in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsform sind selbstverständlich auch andere Ausgestaltungen der Erfindung möglich. So ist die Erfindung nicht auf besondere Ausbildungen der Abdichtung be­ schränkt. Auch müssen die aus dem Trägerkörper herausstehen­ den Kontaktglieder 22a, 22b nicht unbedingt Kontaktzungen zum Aufsetzen eines Steckers sein, sie können genausogut anders ausgebildet sein, z. B. als Kontaktfedern oder Lötfahnen. Auch eignet sich die Erfindung nicht nur für piezoelektische Akto­ ren auf dem vorstehend beschriebenen Einsatzgebiet, sondern ist bei beliebigen piezoelektrischen Bauelementen mit Vorteil anwendbar.

Claims (4)

1. Anschlußvorrichtung zum Aufsetzen auf die Anschluß­ stifte (31a, 31b) eines piezoelektrischen Bausteins (30) mit einem Trägerkörper (10) aus Isoliermaterial, der zwei leiten­ de Elemente (20a, 20b) trägt, deren jedes einen Kontaktie­ rungsabschnitt (21a, 21b) zur Anlage an einen zugeordneten Anschlußstift (31a, 31b) und einen am Trägerkörper (10) ab­ stehenden Abschnitt hat, der ein Kontaktglied (22a, 22b) für eine elektrische Außenverbindung bildet, gekennzeichnet durch einen die beiden leitenden Elemente (20a, 20b) verbin­ denden Brückenwiderstand (25), der einerseits genügend hochohmig ist, um den Betrieb des piezoelektrischen Bausteins (30) nicht zu beeinträchtigen, andererseits aber genügende Leitfähigkeit hat, um den Baustein (30) vor einer ihn schädi­ genden elektrischen Aufladung zu schützen.

2. Anschlußvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Trägerkörper (10) aus einer die leitenden Elemente (20a, 20b) und den Brückenwiderstand (25) umschlie­ ßenden Kunststoffumspritzung besteht, welche die Kontaktglie­ der (22a, 22b) und die Kontaktierungsabschnitte (21a, 21b) ausspart.

3. Anschlußvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Brückenwiderstand (25) ein unlackiertes Bauelement ist.

4. Piezoelektrischer Baustein (30) mit Anschlußstiften (31a, 31b), auf welche eine elektrische Anschlußvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufgesetzt ist, die gemeinsam mit zumindest einem Teil des Bausteins (30) durch Kunststoff (50) umspritzt ist, unter Bewahrung der Zugäng­ lichkeit der Kontaktglieder (22a, 22b).