DE602004012231T2

DE602004012231T2 - Steckverbinderanordnung

Info

Publication number: DE602004012231T2
Application number: DE602004012231T
Authority: DE
Inventors: Manfred Kolkman
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Operations Luxembourg SARL
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2024-05-15
Also published as: ATE388320T1; JP2006009790A; EP1596058B1; JP4221481B2; DE602004012231D1; US7486005B2; EP1596058A1; US20050255754A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktuator, der eine elektrische Verbinderanordnung umfaßt, und insbesondere einen piezoelektrischen Aktuator und eine elektrische Verbinderanordnung von der Art umfaßt, die sich zur Verwendung in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eignet. Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Bildung einer elektrischen Verbinderanordnung.
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen zur Zufuhr vorgegebener Mengen von Kraftstoff zu einem Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine oder dergleichen umfassen im allgemeinen einen Kolben, der zur Steuerung des Drucks des Kraftstoffs, welcher in einer in einer Steuerungskammer der Kraftstoffeinspritzvorrichtung enthalten ist, betätigt werden kann. Die Steuerungskammer ist zum Teil durch eine Fläche festgelegt, die mit einer Düsennadel derart verbunden ist, daß Änderungen im Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerungskammer eine Bewegung der Düsennadel bewirken, wodurch erreicht wird, daß der Kraftstoff dem Verbrennungsraum der Maschine zugeführt wird.
Es ist bekannt, wie man solche Kraftstoffeinspritzvorrichtungen mit einem piezoelektrischen Aktuator (siehe zum Beispiel JP2002-54527 ) zur Steuerung der Bewegung des Steuerungskolbens versieht. Solche Aktuatoren bestehen aus einem piezoelektrischen Körper in Form eines mehrschichtigen Laminats oder "Stapels", der Schichten aus piezoelektrischem oder piezokeramischem Material hat, die durch Metall- oder elektrisch leitfähige Schichten getrennt sind, welche als interne Elektroden wirken. Positive und negative Verteilungselektroden werden im Stapel bereitgestellt, um Kontakt zu den internen Elektroden herzustellen. Die Verteilungselektroden sind mit einer externen Stromversorgung verbunden, wodurch eine Spannung an den Stapel angelegt werden kann.
Der piezoelektrische Aktuator ist so angeordnet, daß elektrische Energie in mechanische oder kinetische Energie derart umgewandelt wird, daß das Anlegen einer externen Spannung an die internen Elektroden die Ausdehnung oder Zusammenziehung des piezoelektrischen Materials je nach der Stärke und Polarität der Spannung, die angelegt wird, verursacht. Die Änderung der Länge des Stapels, die sich aus dieser Ausdehnung oder Zusammenziehung ergibt, bewirkt die Bewegung des Steuerungskolbens und daher das Öffnen und Schließen der Düsennadel.
Es ist bekannt, daß die Größe der Druckbelastung, die an den piezoelektrischen Stapel angelegt wird, das Leistungsverhalten und die Haltbarkeit des Aktuators deutlich beeinflussen kann. Genauer gesagt, kann das piezoelektrische oder piezokeramische Material, aus dem der Stapel gebildet ist, Druckspannungen, nicht aber merklichen Zugspannungen widerstehen. Es ist daher vorteilhaft sicherzustellen, daß eine Druckspannung auf dem Stapel während des ganzen Betriebszyklus der Einspritzvorrichtung aufrechterhalten wird.
In bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, die piezoelektrisch betrieben werden können und in Dieselmaschinen verwendet werden, befindet sich der piezoelektrische Stapel oft in einem mit Kraftstoff gefüllten Sammelvolumen oder einer -kammer, so daß die Druckbelastung, die auf den piezoelektrischen Stapel wirkt, durch hydrostatischen Druck bereitgestellt wird. Ein Aktuator von dieser Art wird in unserer mit anhängigen veröffentlichten europäischen Patentanmeldung, EP 0995901 A , beschrieben. Der Kraftstoff in der Sammelkammer steht unter einem hohen Druck, normalerweise um 2000 bar, und daher ist die hydrostatische Belastung des Stapels groß. Der Stapel ist in ein Polymergehäuse oder eine -kammer eingekapselt, die dazu dient, das Eindringen von Kraftstoff in die Stapelstruktur zu verhindern.
Während der Stapel sich in einer solchen Hochdruckumgebung befindet, stellt es eine Herausforderung dar, nicht nur sicherzustellen, daß die elektrischen Verbindungen mit dem Stapel richtig gegenüber dem Hochdruckkraftstoff innerhalb des Sammelvolumens abgedichtet sind, sondern auch, daß jede damit verbundene Isolierung oder Abdichtung des Stapels nicht durch hohe hydrostatische Kräfte beeinträchtigt wird.
JP 2002 054527 offenbart ein kompaktes und hoch beständiges piezoelektrisches Element zur Verwendung in einer Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Hochdruckkraftstoff. Das piezoelektrische Element 1 wird in die Einspritzvorrichtung eingebaut und wird durch abwechselndes Stapeln mehrerer piezoelektrischer Schichten und interner Elektrodenschichten gebildet.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Aktuator bereitzustellen, der eine elektrische Verbinderanordnung enthält, die die vorher genannten Probleme angeht.
Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung wird ein piezoelektrischer Aktuator zur Verwendung in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung bereitgestellt, wobei der Aktuator folgendes umfaßt: einen Stapel von einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen, die durch interne Elektroden getrennt sind; eine positive Verteilungselektrode und eine negative Verteilungselektrode, die auf einer Außenfläche des Stapels bereitgestellt werden, an die eine Spannung angelegt wird, um beim Gebrauch Kontakt mit den internen Elektroden herzustellen; dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Verbinderanordnung positive und negative Anschlußklemmen zur Verbindung mit den positiven bzw. negativen Verteilungselektroden umfaßt, wobei jede der positiven und negativen Anschlußklemmen eine Anschlußklemmenendfläche hat, die an eine Endfläche des Stapels grenzt; wobei jede der positiven und negativen Anschlußklemmen eine in radialer Richtung nach außen gelegene Kontaktfläche für den Kontakt mit einer inneren Kontaktfläche einer entsprechenden der positiven und negativen Verteilungselektroden hat.
Der piezoelektrische Aktuator der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung besonders geeignet, wobei der Aktuator sich in einem Sammelvolumen oder einer -kammer befindet, die mit einer Hochdruckflüssigkeit (z. B. Kraftstoff) gefüllt ist. Das Verteilungselektrodenmittel ist beim Betrieb mit einer externen Stromversorgung verbunden, um so das Anlegen einer Spannung an den Stapel zu ermöglichen, um so Änderungen in der Länge des Stapels zu bewirken.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Anschlußklemmenendfläche jeder der positiven und negativen Anschlußklemmen durch einen Basisabschnitt der Anschlußklemme festgelegt. Jeder Basisabschnitt legt eine entsprechende positive oder negative, radial nach außen angeordnete Fläche für den Kontakt mit dem Verteilungselektrodenmittel fest. Es ist ein bevorzugtes Merkmal, daß der Basisabschnitt jeder der positiven und negativen Anschlußklemmen die Form eines Blocks annimmt. Die Anschlußblöcke sind normalerweise so angeordnet, daß sie sich unmittelbar neben der Stapelendfläche befinden. Es ist angenehm, die Anschlußklemmenendflächen durch Kleben an der Stapelendfläche zu befestigen.
Das Verteilungselektrodenmittel umfaßt eine positive Verteilungselektrode zum Anschluß an die positive Anschlußklemme und eine negative Verteilungselektrode zum Anschluß an die negative Anschlußklemme.
Durch Herstellen des Kontaktes mit dem Verteilungselektrodenmittel durch einen massiven Anschlußblock wird die Steifigkeit des piezoelektrischen Aktuators verbessert. Ferner können Extrudierwege für jedes Dichtungsmaterial, das verwendet werden kann, minimiert oder insgesamt eliminiert werden. Es ist ein weiterer Vorteil, daß die 'Gesamtumhüllung' der Anschlußklemmengruppe der des Stapels ähnlich ist, was das Entfernen geometrischer Übergänge zwischen den Anschlußklemmen und dem Stapel und die Verkapselung des Stapels sehr vereinfacht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt jede der positiven und negativen Anschlußklemmen einen Anschlußklemmenschaft, der sich von seinem Block aus erstreckt, um in einer Anschlußklemmenlamelle beim Betrieb für die Verbindung mit der externen Stromversorgung zu enden.
Die Anschlußklemmen und insbesondere die Bereiche, die aus den Blöcken und den Schäften der Anschlußklemmen bestehen, werden vorzugsweise durch eine Isolierschicht getrennt, zum Beispiel eine Papierunterlegscheibe vom Aramidtyp.
Es ist vorzuziehen, daß die Isolierschicht an den positiven und negativen Anschlußklemmen, jeweils auf einer Seite derselben, mit einem Klebstoff befestigt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt der piezoelektrische Aktuator ferner eine Isolierhülse, in der zumindest ein Teil jedes Anschlußklemmenschafts aufgenommen wird. Die Isolierhülse wird normalerweise aus einem aufschrumpfbaren Material gebildet. Die Bereitstellung der Hülse dient dazu, die Bildung eines elektrischen Bogens zwischen den Anschlußklemmen zu verhindern, und verhindert auch die Bogenbildung zu den umgebenden Teilen der Baugruppe (z. B. den Körper des Kraftstoffeinspritzvorrichtungsgehäuses).
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der piezoelektrische Aktuator eine ringförmige Dichtung, die die Isolierhülse für die Anschlußklemmen umgibt. Der Schaft und der Block jeder der positiven und negativen Anschlußklemmen legen eine Stufe zwischen denselben fest, die eine Stoßfläche bildet, gegen die die ringförmige Dichtung stößt.
Die ringförmige Dichtung ist vorzugsweise in ihrer Form achsensymmetrisch und wird aus einem keramischen Material gebildet. Es ist ferner vorzuziehen, daß die ringförmige Dichtung mittels eines Klebstoffs an der Stoßfläche befestigt wird. Bei Einsatz in einer Einspritzvorrichtung der vorgenannten Art, die piezoelektrisch betrieben werden kann, liegt die ringförmige Dichtung um die Isolierhülse herum, um für eine Abdichtung zwischen dem Sammelvolumen und dem Teil der Verbinderanordnung (d. h. Anschlussklemmenlamellen) zu sorgen, der beim Gebrauch mit der externen Stromversorgung verbunden ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die ringförmige Dichtung auf ihrer äußeren Umfangsfläche mit einer oder mehreren ringförmigen Nuten versehen. Die Bereitstellung der Nuten dient zum Verstärken der Dichtung zwischen der ringförmigen Dichtung und einer umgebenden Verkapselungshülse, die am Aktuator bereitgestellt wird.
Der piezoelektrische Stapel kann aus mehreren Schichten aus piezoelektrischem oder piezokeramischem Material bestehen, in das mehrere Schichten von elektrisch leitfähigem Material eingefügt sind, die eine Verbindung zu den Verteilungselektroden herstellen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schichten aus piezoelektrischem oder piezoke ramischem Material jeweils durch eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material getrennt, die ein positives und negatives Elektrodenpaar bilden. Die Verteilungselektroden werden auf den Außenflächen des Stapels gebildet.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Bilden eines piezoelektrischen Aktuators gemäß der ersten Erscheinungsform der Erfindung (I) das Befestigen der Anschlußklemmenendflächen an der Stapelendfläche, und (II) nachfolgend die Bereitstellung von positiven und negativen Verteilungselektroden für die jeweiligen Außenflächen des Stapels, so daß die positive Elektrode den Übergang zwischen dem Stapel und der positiven Anschlußklemme überbrückt und die negative Elektrode den Übergang zwischen dem Stapel und der negativen Anschlußklemme überbrückt.
Das Verfahren kann in einer Ausführungsform den Schritt der Bereitstellung einer ersten Schicht aus leitfähigem Epoxid zum Überbücken der positiven Anschlußklemme und einer ersten Seite des Stapels umfassen, um die positive Verteilungselektrode zu definieren, und das Bereitstellen einer zweiten Schicht aus leitfähigem Epoxid zum Überbrücken der negativen Anschlußklemme und einer zweiten Seite des Stapels umfassen, um die negative Verteilungselektrode zu definieren.
Diese Erscheinungsform der Erfindung stellt ein geeignetes Verfahren zur Bildung der Verteilungselektroden der Verbinderanordnung bereit, nachdem die Anschlußklemmen und der Stapel zusammen montiert worden sind. Daher gibt es keine Notwendigkeit dafür, daß zerbrechliche Verteilungselektroden zur selben Zeit in Kontakt mit Anschlußklemmen gebracht werden, wenn die Verbinderanordnung und der Stapel zusammen montiert werden. Stattdessen werden die Verteilungselektroden erst gebil det, nachdem der Stapel und die Klemmen in Kontakt gebracht und an einander befestigt (d. h. festgeklebt) wurden.
Diese Erscheinungsform der Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Bildung der elektrischen Verbinderanordnung der ersten Erscheinungsform der Erfindung bereit, wobei das Verfahren die Schritte der Bereitstellung eines Blocks aus elektrisch leitfähigem Material, des maschinellen Bearbeitens des Blocks zur Festlegung der positiven und negativen Anschlußklemmen, wobei jede der Anschlußklemmen mindestens eine Anschlußklemmenlamelle und eine Anschlußklemmenbasis hat, des axialen Zerschneidens des Blocks, um so die positiven und negativen Anschlußklemmen zu trennen, und des sandwichartigen Anordnens einer Isolierschicht zwischen den positiven und negativen Anschlußklemmen umfaßt, um so die Anschlußklemmen elektrisch voneinander zu isolieren.
Jede Anschlußklemme umfaßt vorzugsweise einen Anschlußklemmenschaft, der sich zwischen der Anschlußklemmenbasis und der Anschlußklemmenlamelle befindet.
Gemäß der zweiten Erscheinungsform der Erfindung kann das Verfahren zur Bildung der elektrischen Verbinderanordnung der ersten Erscheinungsform der Erfindung die Schritte des Bereitstellens eines Blocks aus elektrisch leitfähigem Material, der eine Isolierschicht darin enthält, und des anschließenden maschinellen Bearbeitens des Blocks umfassen, um die positiven und negativen Anschlußklemmen, die durch die Isolierschicht getrennt sind, festzulegen.
Für die Zwecke dieser Patentschrift werden die Verweise auf 'oberer' oder 'unterer"' aus Gründen der Einfachheit verwendet, wenn auf die Ausrich tung der Zeichnungen verwiesen wird, dies darf aber nicht als einschränkend angesehen werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun als Beispiel mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, dabei gilt:
1 ist eine schematische Ansicht einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung von der Art, die einen piezoelektrischen Aktuator hat, bei der der piezoelektrische Aktuator und die elektrische Verbinderanordnung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
2 ist eine Schnittansicht einer elektrischen Verbinderanordnung, die im piezoelektrischen Aktuator der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3(a) bis (c) zeigen einzelne Teile der elektrischen Verbinderanordnung in 2 vor der Montage derselben, und 3(d) zeigt ein Anschlußklemmenmodul der Verbinderanordnung, wenn es vollständig montiert ist.
4(a) bis (d) illustrieren die weiteren Montagestufen der elektrischen Verbinderanordnung, sobald das Anschlußklemmenmodul von 3(d) montiert wurde.
5 ist eine Ansicht der vollständig montierten elektrischen Verbinderanordnung (d. h. ähnlich derjenigen, die in 2 gezeigt wird) in Verbindung mit dem piezoelektrischen Aktuator, und
6 ist eine perspektivische Ansicht eines 'Verbindungsblocks', der bei der Herstellung der elektrischen Verbinderanordnung in den 2 bis 5 verwendet werden kann.
Mit Bezug auf 1 umfaßt eine piezoelektrisch betätigte Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung (Dieselmaschine) einen piezoelektrischen Aktuator, der allgemein mit 10 bezeichnet wird und der dafür ausgelegt ist, die Bewegung eines Einspritzvorrichtungskolbens 12 zu steuern. Der Kolben wiederum steuert den Kraftstoffdruck in einer Steuerungskammer 14, die an der Rückseite einer Düsennadel 16 der Einspritzvorrichtung angeordnet ist. Durch die Steuerung des Kraftstoffdrucks in der Steuerungskammer 14 wird eine Düsennadel 16 der Einspritzvorrichtung zu einem Düsennadelsitz hin oder von demselben weg bewegt, um so zu steuern, ob eine Einspritzung durch einen oder mehrere Einspritzvorrichtungsauslässe 18 erfolgt oder nicht.
Der Hochdruckkraftstoff zur Einspritzung wird einem Einspritzvorrichtungseinlaß 20 zugeführt, der sich am oberen Ende der Einspritzvorrichtung, fern von den Auslässen 18, befindet. Der Einlaß 20 liefert Kraftstoff über ein Sammelvolumen 22 an einen nachgelagerten Einspritzvorrichtungsdurchlaß 24 und daher an die Einspritzvorrichtungsausläße 18. Das Sammelvolumen 22 wird also mit Hochdruckkraftstoff gefüllt, und in diesem Volumen befindet sich ein Stapel 26 des piezoelektrischen Aktuators 10.
Der Stapel 26 umfaßt mehrere piezoelektrische Elemente, die durch interne Elektroden (nicht dargestellt) in bekannter Weise getrennt sind. Externe Elektrodenmittel in Form von positiven und negativen Verteilungselekt roden (ebenfalls nicht dargestellt) werden auf dem Stapel 26 bereitgestellt, um einen geeigneten Kontakt zu den internen Stapelelektroden herzustellen.
Ein elektrischer Verbinder 28 oder Verbindungsmodul wird am oberen Ende des Sammelvolumens 22 angeordnet, um eine elektrische Spannung für die positiven und negativen Verteilungselektroden bereitzustellen. Das Verbindungsmodul 28 umfaßt positive und negative Anschlußklemmen, die jeweils mit einer der Verteilungselektroden verbunden sind, um das Anlegen einer externen Spannung an die internen Stapelelektroden zu ermöglichen. Bei dem Maßstab der Zeichnung, die in 1 gezeigt wird, können die einzelnen Anschlußklemmen des Verbinders nicht identifiziert werden. Durch Steuern der Spannung am Stapel 26 kann die Länge des Stapels 26 vergrößert oder verkleinert werden, wodurch der Steuerkolben 12 bewegt wird und so den Druck in Kammer 14 steuert.
Um den piezoelektrischen Stapel 26 vor dem umgebenden Hochdruckkraftstoff im Volumen 22 zu schützen, wird der Stapel 26, einschließlich der Verteilungselektroden, in einer Polymerumhüllung oder -hülse in bekannter Weise verkapselt. Da sich der piezoelektrische Stapel 26 im kraftstoffgefüllten Volumen 22 befindet, ist es wichtig, daß das Verbindungsmodul 28 nicht nur gegenüber dem Kraftstoff in dem Volumen abgedichtet wird, sondern auch daß das Verbindungsmodul 28 und alle notwendigen Dichtungsteile dafür den großen hydrostatischen Kräften innerhalb des Volumens 22 ohne schädliche Auswirkungen widerstehen können.
Das Verbindungsmodul 28 wird detaillierter in 2 gezeigt, wo zu erkennen ist, daß das Modul 28 eine erste positive Anschlußklemme 30 und eine zweite negative Anschlußklemme 32 umfaßt. Jede der positiven und negativen Anschlußklemmen 30, 32 umfaßt drei Abschnitte: einen oberen Endabschnitt in Form einer Anschlußklemmenlamelle 30a, 32a, die über ein geeignetes Verbindungsmittel (nicht dargestellt) mit einer externen Stromversorgung verbunden ist, einen vergrößerten Mittelabschnitt in Form eines Anschlußklemmenschafts oder -gehäuses 30b, 32b und einen unteren Endabschnitt in Form einer Basis 30c, 32c. Die Anschlußklemmenlamellen 30a, 32a werden mit Abstand angeordnet, um ein leeres Volumen 38 dazwischen festzulegen, während der Schaft 30b, 32b jeder Anschlußklemme und die Basis 30c, 32c jeder Anschlußklemme von ihrem Nachbarn durch ein Isolierelement 40 getrennt sind. Das Isolierelement nimmt die Form einer Schicht 40 aus Isoliermaterial an und liegt sandwichartig zwischen dem positiven und negativen Anschlußklemmenschaft und den Basisabschnitten 30b, 32b bzw. 30c, 32c.
Die Basis 30c, 32c jeder Anschlußklemme 30, 32 nimmt die Form eines massiven Blocks an, der jeweils eine im Wesentlichen ebene untere Endfläche 30d, 32d hat. Die Anschlußklemmenendflächen 30d, 32d liegen bündig zueinander, im so eine im Wesentlichen ebene Kontaktfläche der Anschlußklemmengruppe 30, 32 festzulegen. Die Anschlußklemmenendflächen 30d, 32d grenzen an, und stoßen gegen, eine im Wesentlichen ebene obere Endfläche 42 des Stapels 26. Die obere Fläche jedes Anschlußklemmenblocks 30c, 32c definiert an ihrem Schnittpunkt mit dem zugehörigen Schaft 30b, 32b einen abgestuften Bereich, der eine Stoßfläche 34 definiert.
Es werden positive und negative Verteilungselektroden 44a, 44b auf dem Stapel 26 bereitgestellt, von denen jede den Kontakt zu einer radial außen angeordneten Kontaktfläche 30e, 32e eines zugehörigen der Anschlußklemmenblöcke 30c, 32c herstellt. Um einen Kontakt mit der äußeren Kontaktfläche 30e, 32e des Blocks zu bewirken, hat jede der positiven und negativen Verteilungselektroden 44a, 44b einen Bereich, der über die Stapelendfläche 42 hinausragt, so daß die Kontaktfläche jeder Elektrode 44a, 44b auf einer inneren oder nach innen weisenden Fläche derselben liegt.
Die Schäfte 30b, 32b der Anschlußklemmen 30, 32 werden in einer Isolierhülse oder Rohr 46 aufgenommen. Die Hülse 46 wird normalerweise aus einem Schrumpfmaterial gebildet. Eine ringförmige keramische Dichtung 36 befindet sich über der Hülse 46 und sitzt abdichtend auf der Stoßfläche 34.
Sobald das Verbindungsmodul 28 und der piezoelektrische Stapel 26 in der vorgenannten Weise in elektrischen Kontakt gebracht wurden, wird der Stapel 26 innerhalb einer Außenhülse oder -abschirmung 47 verkapselt, die bei Montage innerhalb der Einspritzvorrichtung die Elemente des Stapels 26 vor dem umgebenden Hochdruckkraftstoff innerhalb des Sammelvolumens 22 schützt. Die Art und Weise, in der der montierte Aktuator 10 und das Verbindungsmodul 28 innerhalb der äußeren Abschirmung 47 verkapselt werden, wird in unserer mit anhängigen Internationalen Patentanmeldung WO 02/061856 beschrieben.
Die 3 illustrieren deutlicher die einzelnen Komponenten des elektrischen Verbinders und das Verfahren, mit dem das Verbindungsmodul 28 montiert werden kann. 3(a) zeigt die negative Anschlußklemme 32, und 3(c) zeigt die positive Anschlußklemme 30. Beide Anschlußklemmen 30, 32 können identisch sein, obwohl Unterschiede in der Abschrägung und/oder Länge der Lamellen vorgesehen werden können, um sicherzustellen, daß eine falsche oder vertauschte Verbindung der Verbinderanordnung verhütet wird.
Sowohl der Schaft 30b, 32b wie auch der Block 30c, 32c jeder Anschlußklemme 30, 32 werden aus einem geeigneten elektrisch leitfähigen Material gebildet, wie zum Beispiel Phosphorbronze. Um die dynamische Verschiebung des Aktuators nicht zu beeinträchtigen, müssen die Anschlußklemmenschäfte 30b, 32b so starr wie möglich sein, und daher wird das Material für die Anschlußklemmen unter Berücksichtigung dessen ausgewählt. Die Anschlußklemmenlamellen 30a, 32a werden normalerweise gold- oder nickelplattiert.
3(b) zeigt die Isolierschicht 40, die sich zwischen den Schäften 30b, 32b der positiven und negativen Anschlußklemmen 30, 32 befindet. Die Isolierschicht 40 kann normalerweise die Form einer T-förmigen Unterlegscheibe annehmen, die einen Schaft oder Körper 40a und ein Querstück 40b hat. Das Material, aus dem die Isolierschicht 40 gebildet ist, wird so ausgewählt, daß es einen Elastizitätsmodul hat, der dicht bei dem des Materials liegt, das für die Anschlußklemmen 30, 32 verwendet wird. Die Verwendung eines Materials mit dieser Eigenschaft stellt sicher, daß auf dem piezoelektrischen Stapel 26 ein im Wesentlichen homogener Spannungsverlauf erreicht wird. Dies ist wichtig, da das piezoelektrische Material, aus dem der Stapel 26 gebildet wird, eine Keramik, sehr spröde ist.
Zum Beispiel kann die Isolierschicht 40 normalerweise aus Papier gebildet werden, wie zum Beispiel einem Isolierpapier vom Aramidtyp. Alternativ kann die Isolierschicht 40 aus einem keramischen Material gebildet werden, obwohl dies zu einer erhöhten Schichtdicke zwischen den Anschlußklemmen 30, 32 führt.
Das Profil des Körpers oder Schafts 40a der Isolierschicht 40 ist geeignet geformt, so daß es zu dem der Anschlußklemmenschäfte 30b, 32b paßt. Das Querstück 40b der Isolierschicht 40 ist so geformt, daß es zu der der Anschlußklemmenblöcke 30c, 32c paßt. Eine nach innen weisende (innere) ebene Fläche 30f, 32f jedes Anschlußklemmenschafts 30b, 32b ist mit Klebstoff bedeckt. Die Anschlußklemmenschäfte 30b, 32b werden dann so zusammengebracht, daß sie sandwichartig die Isolierschicht 40 dazwischen aufnehmen. Anschließend wird der Klebstoff ausgehärtet, und die Anschlußklemmen 30, 32 werden während des Härtungsprozesses zusammengedrückt.
Nach dem Aushärten des Klebstoffs ist es wichtig, daß die Endfläche 30d, 32d jedes Anschlußklemmenblocks 30c, 32c geschliffen oder auf andere Art maschinell bearbeitet wird, um jede Spur von dem ausgehärteten Klebstoff zu entfernen. Dadurch wird sichergestellt, daß eine im Wesentlichen ebene Fläche für die Kopplung mit der Stapelendfläche 42 bereitsteht. Es ist auch wichtig, daß jede Spur von gehärtetem Klebstoff von der abgestuften Stoßfläche 34 entfernt wird, bevor die Plazierung der ringförmigen Dichtung auch die axiale Steifigkeit des Stapels 26 beeinträchtigen kann.
Sobald die Anschlußklemmen 30, 32 zusammen mit der Isolierschicht 40 zwischen ihnen montiert sind, wird Schrumpfhülse 46 über die verklebten Teile 30, 32 gebracht. Die Bereitstellung der Hülse 46 dient dazu, eine elektrische Bogenbildung zwischen den Anschlußklemmen 30, 32 zu verhüten, und verhütet auch die Bogenbildung zum umgebenden Einspritzvorrichtungsgehäuse (nicht dargestellt), wenn der Aktuator 10 in der Einspritzvorrichtung montiert wird. Die Schrumpfhülse 46 ist normalerweise ein dünnwandiges Element, das aus einem Fluorpolymer gebildet wird. Die Hülse 46 wird durch die Anwendung von Wärme so verformt, daß sie sich dicht um die Anschlußklemmen 30, 32 legt. Die montierten Anschlußklemmen 30, 32 werden zusammen mit der Hülse 46 in 5 gezeigt.
Klebstoff wird auf die Stoßfläche 34 der Anschlußklemmenblöcke 30d, 32d aufgetragen, um die ringförmige Dichtung 36 an der Fläche 34 zu befestigen. Die ringförmige Dichtung 36 nimmt normalerweise die Form einer maschinell bearbeitbaren Keramik an und ist in der Form achsensymmetrisch (d. h. symmetrisch um ihre Achse parallel zur Stapelachse). Es wurde festgestellt, daß die achsensymmetrische Form der Dichtung 36 für die besten Dichtungseigenschaften gegenüber der Fluorpolymer-Schrumpfhülse 46 sorgt. Außerdem werden auf Grund der symmetrischen Form innere Spannungen in der Dichtung 36 minimiert. Wie in den 4(c) und insbesondere (d) zu erkennen ist, wird die ringförmige Dichtung 36 auch mit mehreren ringförmigen Nuten oder Vertiefungen 48 auf der äußeren Umfangsfläche versehen. Die Nuten 48 dienen auch zur Verstärkung der Abdichtung zwischen der ringförmigen Dichtung 36 und der äußeren Verkapselungshülse 47.
Wenn der Verbinder 28 vollständig montiert ist, hat er das Aussehen, das in den 2 und 5 gezeigt wird. Wenn die Verbinderanordnung 28 auf dem Stapel 26 montiert ist, erstrecken sich die erste und zweite Verteilungselektroden 44a, 44b nach oben über die Stapelendfläche 42 hinaus, so daß ihre Innenflächen in Kontakt mit den äußeren Kontaktflächen 30e, 32e der Anschlußklemmenblöcke 30c, 32c kommen. Dies unterscheidet sich von den vorher vorgeschlagenen Konstruktionen, wo der Kontakt zwischen den Verbinderklemmen und den Verteilungselektroden an einem Punkt entlang der Stapelseitenwand erfolgt, wobei sich die Anschlußklemmenlamellen über und um die obere Fläche des Stapels und die Stapelseiten hinunter erstrecken.
Es ist ein besonderer Vorteil des piezoelektrischen Aktuators und der elektrischen Verbinderanordnung der vorliegenden Erfindung und beson ders, wenn der Verbinder für einen Aktuator der Einspritzvorrichtung der vorgenannten Art verwendet wird, daß der Kontakt zwischen den Verbindungsklemmen 30, 32 und den Verteilungselektroden 44a, 44b des Stapels 26 an den äußeren Kontaktflächen 30e, 32e der Anschlußklemmenblöcke 30c, 32c durch Kopplung mit den nach innen weisenden Flächen der Verteilungselektroden 44a, 44b des Stapels hergestellt wird. Der Kontaktbereich erfährt auf Grund des Kraftstoffs im Volumen 22 eine große hydraulische Kraft, die zur Verstärkung des elektrischen Kontakts dient. Ferner stellen die Anschlußklemmenblöcke 30c, 32c eine viel starrere Kontaktfläche für die Verteilungselektroden als schmale Anschlußklemmenlamellen bereit. Die 'äußere Umhüllung' der Anschlußklemmen 30, 32 ist auch mit der des Stapels 26 vergleichbar, so daß es keine großen geometrischen Übergänge zwischen den Teilen gibt und daher die äußere Verkapselung des Stapels und der Verbinderanordnung 26, 30, 32 leichter zu erreichen ist.
Die Schritte beim Verbinden der Anschlußklemmen 30, 32 mit den Verteilungselektroden 44a, 44b können in einer von mehreren Folgen ausgeführt werten. Die Verteilungselektroden 44a, 44b können zum Beispiel zuerst an den Stapel 26 angelötet werden. Die Anschlußklemmen 30, 32 werden an die Stapelendfläche 42 angeklebt, und als letzter Schritt werden die Verteilungselektroden 44a, 44b an die Anschlußklemmen 30, 32 angelötet. Alternativ werden zuerst die Anschlußklemmen 30, 32 auf die Stapelendfläche 42 geklebt, und dann werden die Verteilungselektroden 44a, 44b an den Stapel 26 und an die Anschlußklemmen 30, 32 angelötet, um den erforderlichen elektrischen Anschluß zu vervollständigen. In einem weiteren alternativen Montageverfahren werden die Anschlußklemmen 30, 32 zu Beginn an der Endfläche 42 des Stapels 26 festgeklebt, und dann werden die erste und zweite Schicht aus elektrisch leitfähigem Epoxid auf die festgeklebten Teile (30, 32 und 26) aufgestrichen, wodurch der Übergang zwischen dem Stapel 26 und den Anschlußklemmen 30, 34 überbrückt wird, um die positiven und negativen Verteilungselektroden 44a bzw. 44b zu bilden. Als letzter Schritt in der Montagefolge wird der Stapel 26 in der äußeren Verkapselungshülse 47 plaziert, die den Stapel 26 als Ganzes umgibt und sich ein Stück entlang der Länge der ringförmigen Dichtung 36 erstreckt (d. h. so wie am deutlichsten in 2 zu sehen ist).
Die Verteilungselektroden 44a, 44b können an den Stapel 26 angelötet oder mit demselben auf andere Weise verbunden werden. Sobald die Anschlußklemmen 30, 32 in Kontakt mit den Verteilungselektroden 44a, 44b gebracht sind, wird ein Lot aufgetragen, um die elektrische Verbindung zu sichern.
Bei Gebrauch wird die verkapselte Aktuatoranordnung 10 im kraftstoffgefüllten Sammelvolumen 22 der Einspritzvorrichtung plaziert. Die oberen Enden der Anschlußklemmenlamellen 30a, 32a werden mit der externen Stromversorgung über einen Kabelverbinder in Kontakt gebracht, um eine Spannungssteuerung des Stapels 26 zu ermöglichen. Auf Grund der äußeren Verkapselungshülse und der ringförmigen Dichtung 36 werden die Stapelelemente und elektrischen Kontaktbereiche vor dem Hochdruckkraftstoff im Volumen 22 geschützt.
Ein Verfahren zum Bilden des Verbindungsmoduls 28 besteht darin, zu Anfang einen Abschnitt eines Stabs, der aus einem leitfähigen Material gebildet ist (d. h. für die Anschlußklemmen 30, 32), und eine getrennte Schicht aus Isoliermaterial (d. h. für die Isolierschicht 40) bereitzustellen. Der Stab wird dann maschinell bearbeitet, um die gewünschte Anschlußklemmenstruktur festzulegen, die erste und zweite Anschlußklemmenlamellen 30a, 32a, erste und zweite Anschlußklemmenschäfte 30a, 30b und erste und zweite Anschlußklemmenblöcke 30c, 32c hat. Der Stab wird entlang seiner Mittelachse geschnitten oder zerteilt, um die positiven und negativen Anschlußklemmen zu trennen (wie in den 3(a) und (c)). Die Isolierschicht 40 wird dann sandwichartig zwischen die Anschlußklemmen 30, 32 gebracht (wie in 3(d)), gefolgt von den anschließenden Montageschritten, die vorher beschrieben wurden.
Ein alternatives Verfahren zum Aufbauen des Verbindungsmoduls 28 wird am besten unter Verweis auf 6 erläutert. Das Anschlußklemmenmaterial und das Isolierelement werden anfangs als rechteckiger 'Block' gebildet, der allgemein mit 50 bezeichnet wird, bevor der Block maschinell bearbeitet wird, um den Aufbau zu bilden, der in 3(d) gezeigt wird. Alles, was in diesem Fall erforderlich ist, ist das maschinelle Bearbeiten des Blocks 50, um die Anschlußklemmenlamellen 30a, 32a, die Anschlußklemmenschäfte 30b, 32b und die Basisblöcke 30c, 32c zu bilden, da die Isolierschicht 40 bereits zwischen den Anschlußklemmen 30, 32 im anfänglichen Block 50 bereitgestellt ist.

Claims

Piezoelektrischer Aktuator (10) zur Verwendung in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, wobei der Aktuator umfasst: einen Stapel (26) aus einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen, die durch interne Elektroden getrennt sind; eine positive Verteilungselektrode (44a) und eine negative Verteilungselektrode (44b), die an einer Außenfläche des Stapels (26) vorgesehen sind, über die eine Spannung angelegt wird, um im Gebrauch einen Kontakt mit den internen Elektroden herzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Verbinderanordnung positive und negative Anschlüsse (30, 32) zur Verbindung mit den positiven bzw. negativen Verteilungselektroden (44a, 44b) umfasst, wobei ein jeder der positiven und negativen Anschlüsse (30, 32) eine Anschlussendfläche (30d, 32d) aufweist, die benachbart zu einer Endfläche (42) des Stapels (26) gelegen ist; wobei ein jeder der positiven und negativen Anschlüsse (30, 32) eine radial äußere Kontaktfläche (30e, 32e) zum Kontakt mit einer inneren Kontaktfläche einer entsprechenden der positiven und negativen Verteilungselektroden (44a, 44b) aufweist.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach Anspruch 1, wobei die Anschlussendfläche (30d, 32d) eines jeden der positiven und negativen Anschlüsse (30, 32) durch eine Anschlussbasis (30c, 32c) definiert ist, und wobei jede Anschlussbasis (30c, 32c) die äußere Kontaktfläche (30e, 32e) zum Kontakt mit einer entsprechenden der positiven und negativen Verteilungselektroden (44a, 44b) definiert.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach Anspruch 2, wobei jede Anschlussbasis die Form eines Blocks (30c, 32c) annimmt.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach Anspruch 3, wobei ein jeder der positiven und negativen Anschlüsse (30, 32) einen Anschlussschaft (30b, 32b) umfasst, der sich von seinem Anschlussblock (30c, 32c) erstreckt und in einer Anschlusslamelle (30a, 32a) zur Verbindung mit einer externen Spannungsquelle in Gebraucht endet.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach Anspruch 4, wobei der Anschlussschaft (30b, 32b) und der Anschlussblock (30c, 32c) eines jeden der positiven und negativen Anschlüsse (30, 32) durch eine Isolatorschicht (40) beabstandet sind.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach Anspruch 5, wobei die Isolatorschicht (40) an die positiven und negativen Anschlüsse (30, 32), jeweils auf jeder Seite davon, mittels eines Klebstoffs angefügt ist.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, der ferner eine Isolierhülse (46) umfasst, in der zumindest ein Abschnitt jedes Anschlussschafts (30b, 32b) aufgenommen ist.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach Anspruch 7, wobei die Isolierhülse (46) aus einem Wärmeschrumpfmaterial gebildet ist.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, der ferner eine kreisringförmige Dichtung (36) umfasst, die die Isolierhülse (46) umgibt.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach Anspruch 9, wobei der Anschlussschaft (30b, 32b) und der Anschlussblock (30c, 32c) eines jeden der positiven und negativen Anschlüsse (30, 32) dazwischen eine Stufe definiert, die eine Anschlagfläche (34) für die kreisringförmige Dichtung (36) definiert.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach Anspruch 10, wobei die kreisringförmige Dichtung (36) mittels eines Klebstoffs an die Anschlagfläche (34) angefügt ist.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die kreisringförmige Dichtung (36) eine achssymmetrische Form aufweist.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die kreisringförmige Dichtung (36) mit einer oder mehreren kreisringförmigen Nuten (48) an ihrer Umfangsfläche versehen ist.
Piezoelektrischer Aktuator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, der ferner ein äußeres Einkapselungsmittel (47) zum Einkapseln des piezoelektrischen Stapels (26) und zumindest eines Teils der elektrischen Verbinderanordnung umfasst.
Verfahren zum Bilden eines piezoelektrischen Aktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Verfahren umfasst, dass: (i) die Anschlussendfläche (30d, 32d) eines jeden der positiven und negativen Anschlüsse (30, 32) an dem piezoelektrischen Stapel (26) befestigt wird; und (ii) anschließend positive und negative Verteilungselektroden (44a, 44b) an jeweiligen Außenflächen des Stapels (26) vorgesehen werden, so dass die positive Elektrode den Übergang zwischen dem Stapel (26) und dem positiven Anschluss (30) überspannt und die negative Elektrode den Übergang zwischen dem Stapel (26) und dem negativen Anschluss (32) überspannt.
Verfahren nach Anspruch 15, das umfasst, dass eine erste Schicht aus leitfähigem Epoxid an dem positiven Anschluss (30) und einer ersten Seite des Stapels (26) vorgesehen wird, um die positive Verteilungselektrode (44a) zu definieren, und eine zweite Schicht aus leitfähigem Epoxid an dem negativen Anschluss (32) und einer zweiten Seite des Stapels (26) vorgesehen wird, um die negative Verteilungselektrode (44a) zu definieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei die elektrische Verbinderanordnung des piezoelektrischen Aktuators nach den Ansprüchen 1 bis 14 gemäß den Schritten gebildet wird, dass: ein Block aus elektrisch leitfähigem Material bereitgestellt wird; der Block derart maschinell bearbeitet wird, dass die positiven und negativen Anschlüsse (30, 32) definiert werden, wobei jeder zumindest eine Anschlusslamelle (30a, 32a) und eine Anschlussbasis (30c, 32c) aufweist; der Block axial halbiert wird, um die positiven und negativen Anschlüsse (30, 32) zu trennen; und eine Isolierschicht (40) zwischen den positiven und negativen Anschlüssen (30, 32) angeordnet wird, um die Anschlüsse (30, 32) elektrisch voneinander zu isolieren.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Block (50) aus elektrisch leitfähigem Material bereitgestellt wird, indem eine Isolierschicht (40) vorgesehen wird; und anschließend der Block (50) maschinell bearbeitet wird, um die positiven und negativen Anschlüsse (30, 32) zu definieren, die durch die Isolierschicht (40) getrennt sind.