-
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einer Anschlußvorrichtung zum Aufsetzen auf die Anschlußstifte eines piezoelektrischen Aktors, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind piezoelektrische Aktoren, die z. B. verwendbar sind zur Steuerung der Injektoren 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 Anschlußstifte sind nämlich meist nicht geeignet, unmittelbar als Kontaktglieder für eine Steckverbindung zu dienen, entweder weil sie nicht die notwendige mechanische Festigkeit aufweisen oder weil sie in ihrer Form und Anordnung nicht mit den Gegenkontaktgliedern einer anderen Steckverbinderhälfte zusammenpassen. Aus diesem Grund benutzt man häufig eine Zwischenvorrichtung, die den Übergang von den Anschlußstiften zu passenden Kontaktgliedern herstellt, welche dann mit den Gegenkontaktgliedern der anderen Verbinderhälfte zusammensteckbar sind.
-
Solche Anschlußvorrichtungen, die auf Anschlußstifte eines elektrischen Bausteins aufsetzbar sind, enthalten allgemein einen Trägerkörper aus Isoliermaterial wie z. B. Kunststoff, der leitende Elemente trägt, deren jedes einen Kontaktierungsabschnitt 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 Außenverbindung.
-
Für die Verwendung an elektrischen Bausteinen, die widrigen 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 Verbindergehäuse zum Einstecken und sicheren Sitz einer anzuschließenden Steckverbinderhälfte bildet. Während des Herstellens der Umspritzung muß sichergestellt sein, daß die heiße Spritzmasse 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 Element ist, z. B. ein Piezoaktor zur Betätigung des Steuerventils 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. Ähnliches ist zu befürchten, wenn während des Transportes oder der Lagerung oder bei der Montage Änderungen der mechanischen Belastung des Piezobausteins und/oder Änderungen der Umgebungstemperatur auftreten. Die sich hierdurch aufbauende elektrische 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 Kurzschluß 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 Anschlußstifte vorgesehen waren, wurden diese z. B. mittels Klemmverbindung 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 Außenverbindung abgetrennt oder offen ist, der Kurzschluß wieder eingefügt werden, um eine Handhabungssicherheit herzustellen.
-
Aus
DE 30 27 254 A1 ist ein Sensor zur Erfassung eines Klopfens einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Sensor piezoelektrische Elemente aufweist. Die piezoelektrischen Elemente sind mit Kontaktierungen versehen, zwischen denen ein Ableitwiderstand geschaltet ist. Durch die Anordnung des Ableitwiderstandes werden Messwertverfälschungen, die durch starke kapazitive Aufladung des piezoelektrischen Elementes auftreten können, vermieden.
-
Aus
DE 197 15 487 A1 ist ein Piezoaktor für ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt.
-
Aus
DE 196 01 449 A1 ist ein Beschleunigungsfühler, insbesondere für Sicherheitssysteme in Fahrzeugen zur Personenbeförderung bekannt. Zur Vermeidung von mechanischen und thermischen Störeinflüssen für das Ausgangssignal des Beschleunigungsfühlers ist ein Ableitwiderstand vorgesehen, der piezoelektrische Plättchen des Beschleunigungsfühlers miteinander verbindet.
-
Aus
DE 195 25 147 A1 ist ein piezoelektrischer Biegesensor, insbesondere ein Serien-Bimorph-Sensor bekannt, der aus piezoelektrischen Biegelementen aufgebaut ist. Der piezoelektrische Biegesensor besteht aus einem Verbund aus vorzugsweise zwei mit gegensinniger Polarisierung übereinander geschichteten und mechanisch sowie elektrisch miteinander verbundenen piezoelektrischen Biegeelementen. Das einer Beschleunigung auf den Biegesensor entsprechende Ausgangssignal wird an gegenüberliegenden Außenelektroden der Verbundanordnung abgegriffen. Um durch Temperaturänderungen hervorgerufene Falschsignale zu unterdrücken, sind zwischen den Biegelementen zusätzliche Elektroden vorgesehen, wobei die zusätzlichen Elektroden mit zumindest einer Außenelektrode über elektrische Ableitelemente verbunden sind.
-
Aus
DE 78 26 870 U1 ist ein Hochspannungs-Anschlussstecker mit einem Ableitwiderstand bekannt. Der Hochspannungs-Anschlussstecker ist insbesondere für Bildröhren vorgesehen und weist ein Anschlusskontaktstück auf, das in einer kappenartigen, flexiblen Tülle untergebracht ist. Zudem ist ein rohrförmiger Stutzen vorgesehen, der von der Tülle abstehend angeordnet ist. Im Stutzen ist ein Hochspannungskabel angeordnet, das mit dem Anschlusskontaktstück verbunden ist. Am Stutzen ist ein dreidimensionales, inelastisches Formteil angesetzt, das zur Führung und Halterung sowohl des Hochspannungskabels als auch eines Ableitwiderstandes ausgebildet ist. Der Ableitwiderstand ist ebenfalls mit dem Anschlusskontaktstück verbunden.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Piezoaktor für einen Kraftstoffinjektor mit einer Anschlußvorrichtung der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß schädigende Einflüsse auf den Aktor durch unerwünschten Ladungsaufbau permanent vermieden oder zumindest minimal gehalten werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Gegenstand der Erfindung ist demnach der Piezoaktor mit einer Anschlussvorrichtung, die auf die Anschlußstifte des piezoelektrischen Bautsteins aufgesetzt ist, wobei der Baustein einen Trägerkörper aus Isoliermaterial umfasst, der zwei leitende Elemente trägt, deren jedes einen Kontaktierungsabschnitt zur Anlage an einen zugeordneten Anschlußstift und einen am Trägerkörper abstehenden Abschnitt hat, der ein Kontaktglied für eine elektrische Außenverbindung bildet. Erfindungsgemäß ist ein die beiden leitenden Elemente verbindender Brückenwiderstand vorgesehen, der einerseits genügend hochohmig ist, um den Betrieb des piezoelektrischen Aktors nicht zu beeinträchtigen, andererseits aber genügende Leitfähigkeit hat, um den Baustein vor einer ihn schädigenden elektrischen Aufladung zu schützen.
-
Durch die erfindungsgemäße Integration eines geeignet bemessenen ohmschen Widerstandes als Brücke zwischen den leitenden Elementen im Trägerkörper der Anschlußvorrichtung ergibt sich eine handhabungssichere kompakte Baueinheit. Dies gilt insbesondere, wenn der Trägerkörper aus einer die leitenden Elemente und den Brückenwiderstand umschließende Kunststoffumspritzung besteht, welche die Außenkontaktglieder und die zur Berührung der Anschlußstifte vorgesehenen Kontaktierungsabschnitte ausspart. Die so gebildete Baueinheit sichert den Piezoaktor 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 Ausführungsbeispiel, das lediglich der Veranschaulichung dient und nicht als Einschränkung aufzufassen ist, näher erläutert.
-
1 zeigt in einer vergrößerten perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäße Anschlußvorrichtung schräg von unten;
-
2 zeigt die Anschlußvorrichtung nach 1 in einer perspektivischen Ansicht schräg von oben, wobei der Trägerkörper strichpunktiert in Phantomdarstellung gezeichnet ist, um den Blick auf die innenliegenden Teile freizugeben;
-
3 zeigt die Anschlußvorrichtung perspektivisch aus der gleichen Blickrichtung wie 2, jedoch in ungefährer Originalgröße;
-
4 und 5 sind zwei aus unterschiedlichen Blickrichtungen gesehene und teilweise aufgeschnittene Aufrißdarstellungen eines piezoelektrischen Bausteins mit aufgesetzter Anschlußvorrichtung nach den 1 bis 3.
-
In den Figuren ist mit der Bezugszahl 10 ein Trägerkörper bezeichnet, der aus einem isolierenden Kunststoff besteht. Der Trägerkörper 10 ist ein spritzgegossenes Formstück, welches zwei leitende Elemente 20a, 20b umschließt, von denen jeweils ein zungenförmiger Abschnitt 22a, 22b seitlich aus dem Trägerkörper 10 hervorsteht. Ein weiterer Abschnitt jedes leitenden Elementes 20a, 20b bildet jeweils eine 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 Öffnung 22a bzw. 23b.
-
Die den Zungen 22a, 22b gegenüberliegenden Endabschnitte 24a, 24b der leitenden Elemente 20a, 20b sind durch einen relativ 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 Öffnungen 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 4 und 5 hauptsächlich nur das äußere Gehäuse zu sehen ist. Wenn der Trägerkörper 10 in entsprechender Weise auf die Anschlußstifte 31a, 31b aufgeschoben ist, berühren letztere die Laschen 21a, 21b, um Kontakt mit den leitenden Elementen 20a, 20b zu bilden; diese Kontaktverbindung wird nach dem Aufsetzen des Trägerkörpers 10 durch irgendein geeignetes Schweißverfahren gesichert.
-
Die Herstellung des Trägerkörpers 10 kann erfolgen, indem 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 Anschlußstifte 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 Bausteins 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 größer 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 bemessen, daß die Manschetten 11a, 11b hineintreten können, wenn der Trägerkörper 10 nach unten geschoben wird, und jeweils 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 Ausnahme 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 bezüglich der Unterkante des piezoelektrischen Bausteins 30 einnehmen. Hierdurch können Längentoleranzen des Bauseins 30 ausgeglichen werden: bei längeren Bausteinen können die Manschetten 11a, 11b weiter in die Öffnungen 41a, 41b der Kopfplatte 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 demzufolge maximaler Eindringtiefe der Manschetten 11a, 11b, die Enden der Manschetten nicht auf den Baustein selbst stoßen.
-
Nach dem Vorgang des Aufsetzens werden die Anschlußstifte 31a, 31b mit den Laschen 21a, 21b der leitenden Elemente 20a, 20b verschweißt, und das obere Ende des piezoelektrischen Bausteins 30 einschließlich des aufgesetzten Trägerkörpers 10 werden mit einer Kunststoffmasse 50 umspritzt. Durch diese Umspritzung 50 wird ein wirksamer Schutz vor Umgebungseinflüssen erzielt. Im dargestellten Fall bildet die Umspritzung 50 gleichzeitig ein Steckergehäuse 51, welches die Zungen 22a, 22b umgibt und zum Einführen und Haltern eines Gegensteckers (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 Umspritzung die unter Druck stehende und heiße Spritzmasse zum piezoelektrischen Baustein 30 selbst vordringt. In sehr engen Spalten, die eventuell noch zwischen den Außenseiten der Manschetten 11a, 11b und den Innenwandungen der Kopfplattenöffnungen 41a, 41b vorhanden sind, wird eine ”Selbstabdichtung” erfolgen: an den Spaltwänden erstarrt die gegebenenfalls eindringende 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 Dichtwirkung, daß der Druck der Spritzmasse auf den piezoelektrischen Baustein übertragen wird. Da außerdem der Trägerkörper 10 infolge der Schweißverbindung zwischen den Laschen 21a, 21b und den Anschlußstiften 31a, 31b gegenüber dem piezoelektrischen Baustein 30 fixiert ist, kann der Druck der Spritzmasse auch keine Verlagerung des Trägerkörpers 10 und damit der Manschetten 11a, 11b mehr bewirken.
-
Der Brückenwiderstand 25 zwischen den leitenden Elementen 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 elektrische Aufladung, wie sie etwa bei mechanischer Beanspruchung oder durch thermische Einwirkung entstehen kann, zu begrenzen 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 voraussehen. Es wurde gefunden, daß der Widerstand vorzugsweise so bemessen sein sollte, daß das Produkt seines Widerstandswertes 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 etwa 10 Mikrofarad (im Zustand höchster thermischer und mechanischer Belastung während des Einsatzes). Somit wäre für diesen Baustein ein Brückenwiderstand geeignet, dessen Widerstandwert 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 gewünschten Erfolg brachte.
-
Neben der vorstehend beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform sind selbstverständlich auch andere Ausgestaltungen der Erfindung möglich. So ist die Erfindung nicht auf besondere Ausbildungen der Abdichtung beschränkt. Auch müssen die aus dem Trägerkörper herausstehenden 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 piezoelektrische Aktoren auf dem vorstehend beschriebenen Einsatzgebiet, sondern ist bei beliebigen piezoelektrischen Bauelementen mit Vorteil anwendbar.
