EP1920477A1 - Anordnung mit einem piezoaktor - Google Patents

Anordnung mit einem piezoaktor

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EP1920477A1
EP1920477A1 EP06777876A EP06777876A EP1920477A1 EP 1920477 A1 EP1920477 A1 EP 1920477A1 EP 06777876 A EP06777876 A EP 06777876A EP 06777876 A EP06777876 A EP 06777876A EP 1920477 A1 EP1920477 A1 EP 1920477A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lines
arrangement according
actuator
piezoelectric
actuator base
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06777876A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rudolf Heinz
Dieter Kienzler
Udo Schaich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1920477A1 publication Critical patent/EP1920477A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/005—Arrangement of electrical wires and connections, e.g. wire harness, sockets, plugs; Arrangement of electronic control circuits in or on fuel injection apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/875—Further connection or lead arrangements, e.g. flexible wiring boards, terminal pins
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the invention relates to an arrangement with a piezoelectric actuator, for example as a piezoelectric injector or for actuating a mechanical component such as a valve or the like, with an electrical connection for the control of a piezoelectric element via a foot of the piezoelectric actuator according to the generic features of the main claim.
  • a piezoelectric actuator for example as a piezoelectric injector or for actuating a mechanical component such as a valve or the like, with an electrical connection for the control of a piezoelectric element via a foot of the piezoelectric actuator according to the generic features of the main claim.
  • a piezoelectric element can be used so that by utilizing the so-called piezoelectric effect, a control of the needle stroke of a valve or the like can be made.
  • the piezoelectric element is constructed of a material having a suitable crystal structure such that upon application of an external electrical voltage, a mechanical reaction of the piezoelectric element takes place, which represents a pressure or tension in a predeterminable direction as a function of the crystal structure and the contact regions of the electrical voltage.
  • Such piezoelectric actuators are suitable, for example, for applications in which lifting movements take place under high operating forces and high clock frequencies.
  • such a piezoactuator is known from DE 100 26 005 A1, which is used to control the nozzle needle in injectors for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine. that can.
  • a piezoelectric element constructed as a stack of several electrically coupled together piezoceramic layers, which is held under bias between two stops. Each piezoceramic layer is enclosed as a piezoelectric layer between two internal electrodes via which an electrical voltage can be applied from the outside. Because of this electrical voltage, the piezoceramic layers then each carry out small strokes in the direction of the potential gradient, which add up to the total stroke of the piezoelectric actuator. This total stroke is variable by the amount of voltage applied and can be transferred to a mechanical actuator.
  • a piezoelectric actuator is also described in EP 1 174 615 A3, in which a piezoelectric element is present as an actuator for the direct needle stroke control of an injection injector for an internal combustion engine. Between the piezo element as an actuator and the needle sits only a coupler with a hydraulic ratio to the expansion compensation. With an activation of the piezoelectric element in this case the held under bias to the closure of the injection nozzle needle is moved away from the nozzle opening, as the needle directly translated follows the movement of the actuator.
  • the electrical connection of the piezoelectric element to an external voltage source is achieved by an extension of the outer electrodes through a foot portion of the piezoelectric element.
  • This extension can also be routed to a connector, so that they are thus contacted in a mechanically non-critical area.
  • the extensions can thereby be electrically isolated by the actuator base, for example made of steel, on which the piezoelectric element is applied or fixed.
  • the extensions for fixing and strain relief of the outer electrodes are held in a potting compound, which are in a recess of the actuator base, possibly surrounded by a molded part made of steel or polymer introduced.
  • the invention is based on a piezoelectric actuator described above, which has a multi-layer structure of piezoelectric layers of a piezoelectric element, which are held in a holding body, wherein on the piezoelectric element, a mutual contacting of internal electrodes with contact elements is present.
  • the lines are guided in an area of the actuator base to an accessible from outside of the actuator base, lying in a recess of the Aktorfußes connection point, at the opposite ends of the lines in an advantageous manner electrically and mechanically connect.
  • Such an arrangement is for example advantageously used for controlling the stroke of a needle for fuel injection in a motor vehicle, both with a single-stage and with a two-stage translation.
  • connection point is located in a recess of the actuator base, which is formed as a groove or in another contour produced by sintering, grinding or a suitable machining to expose the connection point.
  • the actuator foot can be made of an electrically insulating and high-pressure-tight ceramic part and a connecting part serving for engagement with the housing of the piezoelectric actuator, preferably made of metal, in a particularly advantageous manner.
  • the lines can be performed in an Anbindeteil in an insulation and in the ceramic part in a Glaseinschmelzung or soldering.
  • the ceramic actuator base can then simultaneously take over the sealing function by glass melted or soldered directly into the ceramic.
  • the high pressure seal can also be placed at any time in the tether or other components, with conventional Glaseinschmelzonne can be used depending on the space available.
  • the actuator base also in the region of the connection point of a single metal part, preferably steel.
  • the lines are here in the actuator base in an insulation, preferably in a ceramic tube or insert, and are encapsulated with an insulation, preferably ceramic kit.
  • the piezoelectric elements described above also require a high precision of the connecting parts to the actuator housing, especially in terms of flatness, roughness, parallelism and rigidity of the contact point. This can not be achieved by the previously used slotted components, so that additional components, such as platelets, inserts, etc., would then be necessary.
  • additional components such as platelets, inserts, etc.
  • the guidance or positioning of these additional components in the component assembly is very complex and expensive in terms of a desired mass production.
  • connection of the line ends can advantageously take place in that at least one end of the line is pre-stamped by means of a spoons, cones, u-shaped or other contour and the other end then comes to rest safely in this contour for a subsequent connection process in the small space accurate positioning is of great importance.
  • Welding, resistance welding, soldering, crimping, flanging or a combination of these can be considered as simple joining processes.
  • connection point It is also advantageous if the recesses for receiving the connection point have a contour for receiving a sealing plug.
  • the upcoming pressure of the fuel in a common-rail system supports the system and the tightness of the sealing plug in the actuator base.
  • the connection point can be injected electrically insulated at any time with plastic or ceramic kit
  • the recesses can be closed at the connection point, for example, in a simple manner by means of ceramic, ceramic sleeves, ceramic kit, plastic sealing plug or Kunststoffumspritzept for electrical insulation.
  • the lines in the actuator base can on the one hand angled outwards to the junction and opposite angled back again be guided or on the other hand just straight to the junction and also straight on.
  • FIG. 2 shows a partial section through an actuator base with an electrical contact of electrodes on the piezoelectric element in a piezoelectric actuator according to the figure 1 as prior art
  • FIG. 3 shows a partial section through an inventive connection point of the lines for contacting the internal electrodes of the piezoelectric element with angled cable routing
  • 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b and 8a, 8b are schematic views of embossments of the lines at the connection points
  • Figure 11a, 11b and 11b cross-sections in the region of the junction of the lines in a Aktorfuß made of metal and
  • Figures 12a, 12b and 12b are longitudinal sections in the region of the junction of the lines in a Aktorfuß made of metal.
  • FIG. 1 shows a basic structure of an arrangement as a single-stage piezo injector 1 with a piezoactuator, which is used, for example, for needle stroke control in the injection system for fuel in an internal combustion engine. can be used.
  • a holding body 2 In the upper part of a holding body 2 is present, which can be adjusted in its geometric dimensions substantially to the specific site. It can be seen a plug part 3, by means of which the electrical voltage for driving the piezoelectric actuator can be connected with a connector also adapted specifically to the application.
  • the leadership of the electrical line and a possible supply of the controllable with the piezoelectric fuel in the holding body 2 is in this case in the holding body 2 can not be seen and for the operation of the invention also not essential.
  • a piezoelectric element 5 is arranged as part of the piezoelectric actuator, which acts on a nozzle needle 7 when actuated via a mechanical arrangement located vertically below with a coupler 6 such that release of a nozzle opening 8 can take place ,
  • a guided in the interior of the piezoelectric injector 1 through the interior of the fuel 4 can thus be injected into the combustion chamber of an internal combustion engine, not shown here.
  • Piezo layers of the piezoelectric element 5 are according to the figure 1 via an actuator base 9 at the top of a spherical sealing seat in the interior 4, wherein the piezoelectric element 5 and the piezoelectric actuator is pressed to effect a good sealing seat with a spring 10.
  • a high-pressure seal to an electrical connection space 11 is necessary here, through which two electrical lines 12 and 13, which are only schematically indicated, are led to the piezoelectric element 5.
  • Piezo layers are stacked one above the other in a manner known per se in the case of the piezoelectric element, said piezoelectric layers being made of ceramic piezofilms having a suitable crystal structure. are constructed so that taking advantage of the so-called piezoelectric effect in the manner described above when applying an external electrical voltage to here only by way of example provided with reference numerals internal electrodes 14 and 15, a mechanical reaction of the piezoelectric element 5 in the direction of the stack structure.
  • the supply of the different poles of the electrical voltage takes place in each case from one side via outer contact elements 16 and 17 or contact surfaces 18 and 19, which are mutually guided to the internal electrodes 14 and 15 of the respective piezoelectric layer of the piezoelectric element 5.
  • Figure 3 shows a erfindunmotheres embodiment with a representation, for example, the line 12 made of wire, which has to be connected ends 12a and 12b here.
  • An actuator base 20 here consists of a connecting part 21 made of metal, for example steel, and a ceramic part 22, which rests on the piezoelectric element 5.
  • the ends 12a and 12b of the conduit 12 are here angled out through the ceramic part 22 in a recess 23 which is accessible from the outside.
  • the line 12 is at least partially provided in the metallic Anbindeteil 21 with an insulation 24 or other cable guide or seal in the high-pressure-tight insulating ceramic part 22, the line 12 high-pressure-tight over a soldering or Glaseinschmelzung 25 embedded and in the piezoelectric element 5, the line 12 depending on Type of contacting the internal electrodes without insulation or partially insulated.
  • the ceramic part 22 according to the figure 3 is connected to the tether 21, which may consist of a plate or from a part of the housing of the piezoelectric actuator, via a likewise high pressure-tight adhesion or soldering.
  • the connection of the two ends 12a and 12b of the conduit 12 may be made, for example, by welding, resistance welding, soldering or crimping, etc.
  • FIGS. 4a and 4b show two variants of embossing of the ends 12a and 12b, wherein FIG. Regulation of the junction of the ends 12a and 12b is provided in a longitudinal groove 23 as a recess and in Figure 4b, a variant with a semicircular recess 26 is shown.
  • the end 12a here has, for example, a spoon-like embossment, which serves to receive and guide the end 12b during the connection.
  • FIGS. 5a and 5b From FIGS. 5a and 5b, FIGS. 6a and 6b, FIGS. 7a, 7b and FIGS. 8a, 8b, exemplary embodiments of the embossings of the end 12a for connection to the end 12b can be seen, which in various views in FIGS. 5a, 5b are spoon-like, in FIG Figures 6a, 6b have a wedge-shaped angled and in Figures 7a, 7b have a U-shaped embossing.
  • Figures 8a, 8b show such U-shaped embossing of the end 12a that this end 12a can be crimped around the other end 12b and electrically connected securely by soldering or welding.
  • the contact points of the electrical leads 12 or 13 exposed at the connection point can be covered with sealing plugs or injected by means of plastic or filled with ceramic kit according to FIGS. 9a to 9d.
  • a sealing plug 30 made of plastic or elastomer lies above the connection point of the lines 12a and 12b, whereby a so-called dovetail of the sealing plug 30 is supported on a supporting surface 31 which at the same time also enlarges the sealing surface.
  • the variant according to FIG. 9b shows a sealing plug 30 which comes to lie in a caulking contour 32 as a tenon and groove connection and additionally has a disassembly contour 33.
  • FIG. 9c From the figure 9c is a sintered or ground Verstemmkontur 34 can be seen in cross-section, in which then a corresponding sealing plug 35 can be inserted.
  • the variant according to FIG. 9d shows a contour 36 which has straight walls for better guidance and positional accuracy of the Has sealing plug 35 and prevents migration of the seal during operation.
  • a connection of the ends 12a and 12b of Figure 5a is made by means of a spoon-like embossing of the end 12a.
  • FIG. 10a and 10b show an embodiment with a straight guided connection of the ends 12a and 12 of the line 12, wherein also here, as in the embodiment of Figure 3, the ends are held by high pressure seals 35 in the ceramic part 22.
  • an abutment 45 is present and additional Abstützkonturen 37 are mounted for the sealing plug, not shown here.
  • FIG. 7b shows a section along the line A-A according to FIG. 7a.
  • FIGS. 11a, 11b and 11c Exemplary embodiments which have an actuator foot 40 made entirely of metal, for example steel, are shown in FIGS. 11a, 11b and 11c and in FIGS. 12a, 12b and 12c.
  • the insulation of the line 12 or the ends 12a and 12b necessary that they are provided for example with a ceramic tube and / or insert 41 and beyond, for example, after welding can still be embedded in a ceramic kit.
  • the embedding can also take place according to the figures 12b and 12c in an extension 42 at the junction.
  • the invention is industrially applicable to piezo actuators which can be used for injection injectors for fuel in so-called common rail systems (CR) for internal combustion engines in motor vehicles.
  • CR common rail systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Es wird eine Anordnung mit einem Piezoaktor, beispielsweise als Piezoinjektor oder zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen, die als Piezoelement (5) in einem Haltekörper (2) gehalten sind, wobei am Piezoelement (5) eine wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden (14,15) mit Kontaktelementen (16,17) vorhanden ist. Es ist ein Aktorfuß (9;21,22) zwischen den Piezolagen und der Wand einer inneren Ausnehmung (4) des Haltekörpers (2) vorhanden, durch den elektrische Leitungen (12,13) zu den Kontaktelementen (16,17) geführt sind. Die Leitungen (12,13) sind in einem Bereich des Aktorfußes (21,22;40) zu einer von außerhalb des Aktorfußes (21,22;40) zugänglichen Verbindungsstelle geführt, an der sich gegenüberliegende Enden (12a,12b) der Leitungen (12,13) elektrisch und mechanisch verbinden lassen.

Description

Anordnung mit einem Piezoaktor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Piezoaktor, beispielsweise als Piezoinjektor oder zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, mit einem elektrischen Anschluss für die Ansteuerung eines Piezoelements über ein Fußteil des Piezoaktors 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 wer- den 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 A3 ein Piezoaktor 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 wird der elektrische Anschluss des Piezoelements an eine externe Spannungsquelle durch eine Verlängerung der äußeren Elektroden durch ein Fußteil des Pie- zoaktors 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 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.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Piezoaktor aus, der einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen eines Piezoelements aufweist, das in einem Haltekörper gehalten sind, wobei am Piezoelement eine wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden mit Kontaktelementen vorhanden ist. Es ist weiterhin ein Aktorfuß zwischen den Piezolagen und dem Haltekörper vorhanden, durch den elektrische Leitungen zu den Kontaktelementen geführt sind. Gemäß der Erfindung sind in vorteilhafter weise die Leitungen in einem Bereich des Aktorfußes zu einer von außerhalb des Aktorfußes zugänglichen, in einer Ausnehmung des Aktorfußes liegenden Verbindungsstelle geführt, an der sich gegenüberliegende Enden der Leitungen elektrisch und mechanisch verbinden lassen. Ein 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.
Je nach der verwendeten Montageeinrichtung oder dem Automatisierungsgrad in der Fertigung oder dem Fertigungskonzept können dabei die Formen oder Konturen der Ausnehmungen für die Verbindungsstelle gewählt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Verbindungsstelle in einer Ausnehmung des Aktorfußes, die als Nut oder in einer sonstigen durch Sintern, Schleifen oder einer geeigneten Bearbeitung hergestellten Kontur zur Freilegung der Verbindungsstelle ausgebildet ist. Hierbei kann der Aktorfuß in besonders vorteilhafter weise aus einem die Verbindungsstelle enthaltenen elektrisch isolierenden und hochdruckdichten Keramikteil und einem zur Anlage an das Gehäuse des Piezoaktors dienenden Anbindeteil, vorzugsweise aus Metall, bestehen.
Die Leitungen können dabei im Anbindeteil in einer Isolierung und im Keramikteil in einer Glaseinschmelzung oder Verlötung geführt werden. Der Keramik-Aktorfuß kann dann gleichzeitig die Dichtfunktion übernehmen, indem die Drähte direkt in die Keramik glaseingeschmolzen oder eingelötet werden. Die Hochdruckabdichtung kann jedoch auch jederzeit in das Anbindeteil oder an sonstige Bauteile eingebracht werden, wobei übliche Glaseinschmelzungen je nach Bauraumverfügung verwendet werden können.
Gemäß einer anderen Ausführungsform besteht der Aktorfuß auch im Bereich der Verbindungsstelle aus einem einzigen Metallteil, vorzugsweise Stahl. Die Leitungen liegen hierbei im Aktorfuß in einer Isolierung, vorzugsweise in einem Keramikrohr oder -einsatz, und sind mit einer Isolierung, vorzugsweise Keramikkit, vergossen.
Mit der Erfindung ist auf einfache Weise ermöglicht, dass insbesondere in- nenkontaktierte Piezoelemente so einfach und sicher wie möglich in einem Kraftstoffinjektor eines Common-Rail-Systems elektrisch kontaktiert werden können und dabei die Hochdruckabdichtung des Common-Rail-Drucks nach außen mit hoher Sicherheit zu gewährleistet ist. Bisher war es sehr aufwändig die Kontaktierung der Innenelektroden durchzuführen, da durch die starren Hochdruckabdichtungen (meist eingepresste Glaseinschmelzungen) kein nachträgliches Verschieben der Kontakte oder der Kontaktstellen im Träger, zum Beispiel der Aktorfuß etc., oder auch im Piezoaktor möglich ist.
Die in der Regel freiliegenden Kontaktstellen müssen wieder verschlossen werden, um elektrische Kriechströme in den metallischen Bauteilen im Injektorbetrieb mit Flüssigkeiten, zum Beispiel Dieselkraftstoff oder Wasseranteile etc., zu unterbinden. Dies geschah häufig durch separate geschlitzte Bauteile, beispielsweise Halbschalen, welche nach dem Verbindungsprozess der Enden der Leitungen um die Kontaktstelle gefügt werden müssen. Meist benötigen solche Konstruktionen einen hohen Platzbedarf, welcher bei den gängigen Anwendungen nicht vorhanden ist.
Die zuvor beschriebenen Piezoelemente erfordern zudem eine hohe Präzision der Anbindeteile an das Aktorgehäuse, vor allem in Bezug auf Ebenheit, Rauhigkeit, Parallelität und Steifigkeit der Kontaktstelle. Dies kann durch die bisher verwendeten geschlitzten Bauteile nicht erreicht werden, so dass zusätzliche Bauteile, wie Plättchen, Einlegeteile, etc., dann notwendig wären. Die Führung bzw. Positionierung dieser zusätzlichen Bauteile im Bauteilverband ist im Hinblick auf eine erwünschte Großserienfertigung sehr aufwändig und kostenintensiv.
Wie erwähnt, wäre auch bei den herkömmlichen Systemen ein zusätzlicher Bauraum notwendig, da diese Bauteile eine hohe Eigensteifigkeit aufweisen müssen und unter der Belastung des Piezoaktors nicht brechen dürfen. Mit der Erfindung ist auf einfache Weise eine vorteilhafte Lösung dieser Problematik erreicht, indem eine sehr einfach zugängliche Verbindungsstelle zur Verbindung der beiden Enden der elektrischen Leitungen, in der Regel Drähte, über eine Ausnehmung als Fenster im Aktorfuß von außen erreichbar gemacht wird.
Die Verbindung der Leitungsenden kann vorteilhaft dadurch erfolgen, dass mindestens eine Ende der Leitung derart mittels einer löffel-, kegel-, u- förmigen oder sonstigen Kontur vorgeprägt ist und das andere Ende dann sicher in dieser Kontur für einen nachfolgenden Verbindungsprozess zu liegen kommt, da bei dem geringem Bauraum das genaue Positionieren von großer Wichtigkeit ist. Als einfache Verbindungsprozesse kommen hier Schweißen, Widerstandsschweißen, Löten, Crimpen, Umbördeln oder eine Kombination davon in Frage.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Ausnehmungen für die Aufnahme der Verbindungsstelle eine Kontur zur Aufnahme eines Dichtstopfens aufweisen. Der anstehende Druck des Kraftstoffs in einem Common-Rail-System unterstützt dabei die Anlage und die Dichtheit der Dichtstopfen im Aktorfuß. Die Verbindungsstelle kann jedoch jederzeit auch mit Kunststoff oder Keramikkit elektrisch isoliert ausgespritzt werden
Erfindungsgemäß können die Ausnehmungen an der Verbindungsstelle zum Beispiel auf einfache Weise auch mittels Keramik, Keramikhülsen, Keramikkit, Kunststoffdichtstopfen oder Kunststoffumspritzungen zur elektrischen Isolation verschlossen werden. Die Leitungen im Aktorfuß können einerseits abgewinkelt nach außen an die Verbindungsstelle und entgegengesetzt abgewinkelt wieder zurück geführt werden oder andererseits auch gerade zur Verbindungsstelle und ebenfalls gerade weiter geführt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch eine herkömmliche einstufige Anordnung mit einem Piezoaktor zur Steuerung einer Düsennadel in Kraftstoffeinspritzsystemen zur Erläuterung des prinzipiellen Aufbaus,
Figur 2 einen Teilschnitt durch einen Aktorfuß mit einer elektrischen Kontaktierung von Elektroden am Piezoelement bei einem Piezoaktor nach der Figur 1 als Stand der Technik,
Figur 3 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Verbindungsstelle der Leitungen zur Kontaktierung der Innenelektroden des Pie- zoelements mit abgewinkelter Leitungsführung,
Figur 4a und 4b Querschnitte durch Varianten der Verbindungsstellen nach der Figur 3,
Figur 5a, 5b, Figur 6a, 6b, Figur 7a, 7b und Figur 8a, 8b schematische Ansichten von Prägungen der Leitungen an den Verbindungsstellen,
Figur 9a bis 9d Teilschnitte und Querschnitte im Bereich der Verbindungsstelle mit Dichtstopfen mit unterschiedlichen Konturen der Ausnehmungen zur Aufnahme der Dichtstopfen,
Figur 10a und 10b Teilschnitte im Bereich der Verbindungsstelle mit gerade geführten Leitungen,
Figur 11a, 11 b und 11 b Querschnitte im Bereich der Verbindungsstelle der Leitungen in einem Aktorfuß aus Metall und
Figur 12a, 12b und 12b Längsschnitte im Bereich der Verbindungsstelle der Leitungen in einem Aktorfuß aus Metall.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Anordnung als einstufiger Pie- zoinjektor 1 mit einem Piezoaktor gezeigt, der beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmo- tor 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. Es ist ein Steckerteil 3 zu erkennen, durch das mit einer ebenfalls spezifisch an den Anwendungsfall ange- passten Steckerausführung die elektrische Spannung zur Ansteuerung des Piezoaktors angeschlossen werden kann. Die Führung der elektrischen Leitung und eine eventuelle Zuführung des mit dem Piezoaktor zu steuernden Kraftstoffs im Haltekörper 2 ist hierbei im Haltekörper 2 nicht zu erkennen und für die Funktion der Erfindung auch nicht wesentlich.
In einem Innenraum 4 des Piezoinjektors 1 ist ein Piezoelement 5 als Bestandteil des Piezoaktors angeordnet, das bei einer Betätigung über eine sich hier senkrecht unterhalb befindliche mechanische Anordnung mit einem Koppler 6 auf eine Düsennadel 7 derart wirkt, dass hier eine Freigabe einer Düsenöffnung 8 erfolgen kann. Ein im Inneren des Piezoinjektors 1 durch den Innenraum 4 geführter Kraftstoff kann somit in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden.
Piezolagen des Piezoelements 5 liegen nach der Figur 1 über einen Aktorfuß 9 oben an einem balligen Dichtsitz im Innenraum 4 an, wobei das Piezoelement 5 bzw. der Piezoaktor zur Bewirkung eines guten Dichtsitzes mit einer Feder 10 angedrückt wird. Insbesondere bei den eingangs erwähnten Common-Rail (CR)-Systemen ist hier eine Hochdruckabdichtung zu einem elektrischen Anschlussraum 11 notwendig, durch den zwei, hier nur schematisch angedeutete, elektrische Leitungen 12 und 13 an das Piezoelement 5 geführt sind.
Aus Figur 2 ist eine solche bereits aus dem Stand der Technik DE 100 26 005 A1 bekannte Anordnung der in einer Vergussmasse liegenden elektrischen Leitungen 12 und 13 im Aktorfuß 9 zu entnehmen. Hier sind in an sich bekannter weise beim Piezoelement 5 Piezolagen übereinander gestapelt, die aus keramischen Piezofolien mit einer geeigneten Kristallstruktur so auf- gebaut sind, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts in der eingangs beschriebenen Art und Weise bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an hier nur beispielhaft mit Bezugszeichen versehene Innenelektroden 14 und 15 eine mechanische Reaktion des Piezoelements 5 in Richtung des Stapelaufbaus erfolgt. Die Zuführung der unterschiedlichen Pole der elektrischen Spannung erfolgt hier jeweils von einer Seite über äußere Kontaktelemente 16 und 17 bzw. Kontaktflächen 18 und 19, die jeweils wechselseitig an die Innenelektroden 14 und 15 der jeweiligen Piezolage des Piezoelements 5 geführt sind.
Figur 3 zeigt ein erfindungemäßes Ausführungsbeispiel mit einer Darstellung beispielsweise der Leitung 12 aus Draht, der hier zu verbindende Enden 12a und 12b aufweist. Ein Aktorfuß 20 besteht hier aus einem Anbindeteil 21 aus Metall, zum Beispiel Stahl, und einem Keramikteil 22, das auf dem Piezo- element 5 aufliegt. Die Enden 12a und 12b der Leitung 12 sind hier abgewinkelt durch das Keramikteil 22 in eine Ausnehmung 23 herausgeführt, die von außen zugänglich ist. Die Leitung 12 ist im metallischen Anbindeteil 21 zumindest teilweise mit einer Isolation 24 bzw. einer sonstigen Kabelführung oder Dichtung versehen, im hochdruckdichten isolierenden Keramikteil 22 ist die Leitung 12 hochdruckdicht über eine Lötung oder Glaseinschmelzung 25 eingebettet und im Piezoelement 5 kann die Leitung 12 je nach Art der Kon- taktierung der Innenelektroden ohne Isolation oder teilisoliert geführt werden.
Das Keramikteil 22 nach der Figur 3 ist mit dem Anbindeteil 21 , das aus einer Platte oder auch aus einem Teil des Gehäuses des Piezoaktors bestehen kann, über eine ebenfalls hochdruckdichte Klebung oder Lötung verbunden. Die Verbindung der beiden Enden 12a und 12b der Leitung 12 kann zum Beispiel durch Schweißen, Widerstandsschweißen, Löten oder Crimpen etc. hergestellt werden. Aus Figur 4a und 4b sind zwei Varianten von Prägungen der Enden 12a und 12b zu entnehmen, wobei Figur 4a mit einer An- ordnung der Verbindungsstelle der Enden 12a und 12b in einer Längsnut 23 als Ausnehmung versehen ist und in Figur 4b eine Variante mit einer halbkreisförmigen Ausnehmung 26 gezeigt ist. Das Ende 12a hat hier beispielsweise eine löffelartige Anprägung, die zur Aufnahme und Führung des Endes 12b während der Verbindung dient.
Aus Figur 5a und 5b, Figur 6a und 6b, Figur 7a, 7b und Figur 8a, 8b sind Ausführungsbeispiele der Prägungen des Endes 12a zur Verbindung mit dem Ende 12b zu entnehmen, die in verschiedenen Ansichten in den Figuren 5a, 5b eine löffelartige, in den Figuren 6a, 6b eine keilförmig angewinkelte und in den Figuren 7a, 7b eine u-förmige Prägung aufweisen. Die Figuren 8a, 8b zeigen eine derartige u-förmige Prägung des Endes 12a, dass dieses Ende 12a um das andere Ende 12b herumgebördelt und mittels Löten oder Schweißen elektrisch sicher verbunden werden kann.
Um Kriechströme während des Betriebs des erfindungemäßen Piezoaktors unter dem hohen Druck beispielsweise von Kraftstoff zu vermeiden, können die an der Verbindungsstelle freiliegenden Kontaktstellen der elektrischen Leitungen 12 oder 13 gemäß Figur 9a bis 9d mit Dichtstopfen abgedeckt oder mittels Kunststoff ausgespritzt bzw. mit Keramikkit aufgefüllt werden.
In der Variante nach der Figur 9a liegt ein Dichtstopfen 30 aus Kunststoff oder Elastomer über der Verbindungsstelle der Leitungen 12a und 12b, wobei sich ein sog. Schwalbenschwanz des Dichtstopfens 30 an einer Abstützfläche 31 abstützt, die gleichzeitig auch die Dichtfläche vergrößert. Die Variante nach der Figur 9b zeigt einen Dichtstopfen 30, der in einer Verstemm- kontur 32 als Zapfen- und Nutverbindung zu liegen kommt und zusätzlich noch eine Demontagekontur 33 aufweist.
Aus der Figur 9c ist im Querschnitt eine eingesinterte oder eingeschliffene Verstemmkontur 34 zu entnehmen, in die dann ein entsprechender Dichtstopfen 35 einfügbar ist. Die Variante nach der Figur 9d zeigt eine Kontur 36, die gerade Wände zur besseren Führung und Positionsgenauigkeit des Dichtstopfens 35 aufweist und ein Herauswandern der Dichtung im Betrieb verhindert. Eine Verbindung der Enden 12a und 12b nach der Figur 5a wird mittels einer löffelartigen Prägung des Endes 12a vorgenommen.
Figur 10a und 10b zeigen ein Ausführungsbeispiel mit einer gerade geführten Verbindung der Enden 12a und 12 der Leitung 12, wobei auch hier, wie beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 3, die Enden über Hochdruckdichtungen 35 im Keramikteil 22 gehalten sind. Für einen besseren Halt während des Verbindungsprozesses ist ein Widerlager 45 vorhanden und es sind zusätzliche Abstützkonturen 37 für den hier nicht dargestellten Dichtstopfen angebracht. Die Figur 7b zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A nach der Figur 7a.
Ausführungsbeispiele, die einen Aktorfuß 40 komplett aus Metall, zum Beispiel Stahl, aufweisen, sind in Figur 11a, 11 b und 11c sowie in Figur 12a, 12b und 12c gezeigt. Hier ist zur Isolation der Leitung 12 bzw. der Enden 12a und 12b notwendig, dass sie beispielsweise mit einem Keramikrohr und/oder -einsatz 41 versehen sind und darüber hinaus zum Beispiel nach dem Schweißen noch in einen Keramikkit eingebettet werden können. Die Einbettung kann dabei auch noch gemäß der Figuren 12b und 12c in einer Erweiterung 42 an der Verbindungsstelle erfolgen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung ist bei Piezoaktoren, die für Einspritzinjektoren für Kraftstoff in sogenannten Common-Rail-Systemen (CR) für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen einsetzbar sind, gewerblich anwendbar.

Claims

Patentansprüche
1 ) Anordnung mit einem Piezoaktor, mit
- einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen, die in einem Piezoelement (5) in einem Haltekörper (2) gehalten sind, wobei am Piezoelement (5) eine wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden (14,15) mit Kontaktelementen (16,17) vorhanden ist und mit
- einem Aktorfuß (9;21 ,22) zwischen den Piezolagen und dem Haltekörpers (2), durch den elektrische Leitungen (12,13) zu den Kontaktelementen (16,17) geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Leitungen (12,13) in einem Bereich des Aktorfußes (21 ,22;40) zu einer von außerhalb des Aktorfußes (21 ,22;40) zugänglichen Verbindungsstelle geführt sind, an der sich gegenüberliegende Enden
(12a, 12b) der Leitungen (12,13) elektrisch und mechanisch verbindbar sind.
2) Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die Verbindungsstelle in einer Ausnehmung (23;26;34;36:42) des Aktorfußes (21 ,22;40) liegt, die als Nut oder in einer sonstigen durch Sintern, Schleifen oder einer geeigneten Bearbeitung hergestellten Kontur zur Freilegung der Verbindungsstelle ausgebildet ist.
3) Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Aktorfuß (21 ,22) aus einem die Verbindungsstelle enthaltenen elektrisch isolierenden und hochdruckdichten Keramikteil (22) und einem zur Anlage an das Gehäuse des Piezoaktors dienenden Anbindeteil (21 ), vorzugsweise aus Metall, besteht.
4) Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Leitungen (12,13) im Anbindeteil (21 ) in einer Isolierung (24) und im Keramikteil (22) in einer Glaseinschmelzung oder Verlötung (25) geführt sind.
5) Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Aktorfuß (40) insgesamt aus einem die Verbindungsstelle enthaltenen Metallteil besteht.
6) Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Leitungen (12,13) im Aktorfuß (40) in einer Isolierung, vorzugsweise in einem Keramikrohr oder -einsatz (41 ), geführt sind und mit einer Isolierung, vorzugsweise Keramikkit, vergossen sind.
7) Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- mindestens ein Ende (12a) der Leitungen (12,13) derart mittels einer löf- fel-, kegel-, u-förmigen oder sonstigen Kontur vorgeprägt ist und dass das andere Ende (12b) sicher in dieser Kontur für einen nachfolgenden Verbindungsprozess zu liegen kommt. 8) Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Verbindungsprozess ein Schweißen, Widerstandsschweißen, Löten, Crimpen, Umbördeln oder eine Kombination davon ist.
9) Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Ausnehmungen für die Aufnahme der Verbindungsstelle eine Kontur zur Aufnahme eines Dichtstopfens (30;35) aufweisen.
10) Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Leitungen (12,13) im Aktorfuß (21 ,22;40) abgewinkelt nach außen an die Verbindungsstelle und entgegengesetzt abgewinkelt wieder zurück geführt sind.
11 ) Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Leitungen (12,13) im Aktorfuß (21 ,22;40) gerade zur Verbindungsstelle und ebenfalls gerade weiter geführt sind.
12) Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Piezoaktor mit einer innenliegenden Kontaktierung der Innelektroden versehen und zur Steuerung des Hubs einer Nadel (7) für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist.
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