Beschreibung
Kopfplattenbaugruppe für einen Aktor und Herstellungsverfahren für einen Aktor
Die Erfindung betrifft eine Kopfplattenbaugruppe für einen Aktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für einen Aktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
In modernen Emspr tzanlagen für Brennkraftmaschinen werden piezoelektrische Aktoren als Stellglieder für Emspπtzventi- le eingesetzt . Um die Piezoaktoren vor schädigenden Umwelteinflüssen zu schützen, werden die Aktoren mit abgedichteten Gehäusen versehen. Dabei müssen die Zuleitungen des Aktors durch das den Aktor umgebende Geh use hmdurchgefuhrt werden.
Tn der DE 197 15 487 AI wird er n Piezoaktor beschrieben, der aus einem vorgefertigten Hohlprofil besteht, in das P ezoele- mente und zwei Anschlussstifte, die zur Kontaktierung der
Piezoelemente dienen, eingebracht werden. Auf das Hohlprofil mit den eingesetzten Piezoelementen und den eingesetzten Anschlussstiften wird e n Deckel aufgesetzt, der anschließend mit Kunststoff umspritzt wird.
Nachteilig an dem beschriebenen Aufbau ist beispielsweise, dass ein Vordringen der Spritzgussmasse in das Innere des Aktors vermieden werden muss. Weiterhin ist die Umspritzung mit Kunststoff aufwandig. Außerdem ist auch die Abdichtwirkung des Kunststoffs an den Durchfuhrungen f r die Anschlusskontakte unzureichend, so dass das Innere des Aktors ungenügend gegen eindringendes Motorol oder eindringendes Wasser geschützt ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, e ne Vorrichtung für einen Aktor anzugeben, die mit möglichst geringem Aufwand das Innere des Aktors möglichst zuverlässig abdich-
tet. Es st weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsver ahren anzugeben, mit dem eine solche Vorrichtung mit möglichst geringem Aufwand hergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird mit einer Kopfplattenbaugruppe gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterhin ist ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 15 geeignet, einen Aktor mit einer solchen Kopf- plattenbaugruppe herzustellen .
Die Erfindung geht von der technischen Erkenntnis aus, dass in die Kopfplattenbaugruppe zuverlässigere Dichtungen eingebaut werden können, falls die Kopfplattenbaugruppe ohne den Aktor vormontiert wird. Dabei können Dichtungen verwendet werden, deren Einbau in eine Abdeckung des Aktors beispiels- weise bestimmte Temperaturführungen erfordert. Durch die Vormontage der Kopfplattenbaugruppe st es möglich, mit Tempera¬ turführungen zu arbeiten, d e bei einer herkömmlichen Montage, das heißt bei Abdichtung des bereits zusammengesetzten Aktors, Teile des Aktors zerstören könnten.
Vorteilhafterweise wird die Kopfplattenbaugruppe aus einer Abdeckung und einem hindurchgeführten Anschlussstift aufgebaut, wobei der Anschlussstift eine ausreichende Länge aufweist, so dass er zumindest über einen Großteil der Länge ei- nes Aktorkörpers reicht. Dies hat den Vorteil, dass für eine Kontaktierung beispielsweise einzelner Piezoelemente des Aktorkörpers lediglich eine kurze elektrische Leitung zwischen dem Piezoelement und dem Anschlussstift nötig ist. Vorteilhafterwe se ist der Anschlussstift daher ausreichend lang, so dass er sich über die gesamte Länge des Aktorkörpers erstreckt .
Die Durchführung des Anschlussstifts durch die Abdeckung wird vorzugsweise mit einer Dichtung abgedichtet. Damit kann das Innere des Aktors vor schädigenden Umwelteinflüssen geschützt werden. Für die Dichtung eignen sich beispielsweise Keramikoder Kunststoffdichtungen, aber auch andere Materialien, die
geeignet sind, die Durchfuhrung abzudichten. Vorteilhaft ist, dass bei der Auswahl der Dichtung keine Rucksicht auf eine mögliche Beschädigung des Aktorkorpers beim Montieren der Dichtung genommen werden muss, da die Dichtung montiert wird, bevor die Kopfplattenbaugruppe mit dem Aktorkorper verbunden wird.
Vorzugsweise ist die Dichtung eine Glasdichtung. Eine Glasdichtung bietet den Vorteil einer sehr guten Abdichtung, wo- bei die Glasdichtung vorzugsweise eine Grenzleckrate von
10~8 mbar/s aufweist. Eine kleine Grenzleckrate ist vorteilhaft, da sie e n Eindringen von Flüssigkeiten oder Gasen m den Aktorraum verhindert. So können auch Glasdichtungen mit einer Grenzleckrate von 10"13 mbar/s oder weniger sinnvoll sein. Wird der Anschlussstift vollständig von der Glasdichtung umschlossen, so bietet dies den Vorteil, dass die Glas dichtung gleichzeitig den Anschlussstift gegenüber der Abdeckung elektrisch isoliert, was besonders dann von Vorteil ist, wenn die Abdeckung aus Metall besteht. Es kann jedoch auch aufgrund der Konstruktion der Glasdichtung oder der Abdeckung vorteilhaft sein, dass die Glasdichtung den durchgeführten Anschlussstift nur teilweise umschließt.
Die Glasdichtung kann als angepasste Glas-Metall-Durchfuhrung oder als Druckglasdurchfuhrung ausgeführt sein. Bei angepass- ten Glas-Metall-Durchfuhrungen werden Glaser und Metallteile verwendet, deren Ausdehnungskoeffizienten zwischen Raumtemperatur und der Transformationstemperatur des Glases weitgehend übereinstimmen. Damit wird erreicht, dass der durchgeführte Anschlussstift in das Glas eingeschmolzen wird, ohne dass beim Abkühlen mechanische Spannungen in der Verschmelzung entstehen. Angepasste Glas-Metall-Durchführungen bieten beispielsweise auch den Vorteil, dass m eine Durchfuhrung ohne großen Aufwand mehrere Anschl sssti te eingeschmolzen werden können, die durch das Glas voneinander elektrisch isoliert sind. Die Erfindung bietet hier besondere Vorteile, da bei der Temperaturfuhrung für den Einbau der angepassten Glasme-
talldurchfuhrung, das heißt wahrend das Einschmelzen des Glases, keine Rucksicht auf eine Temperaturempfindlichkeit von Bauelementen des Aktorkorpers genommen werden muss. Zuerst wird die Kopfplattenbaugruppe mit der Abdeckung, der Glas- dichtung und dem hindurchgefuhrten Anschlussstift vormontiert und anschließend der Aktorkorper mit der Kopfplattenbaugruppe zusammengebaut. Tm Gegensatz zu angepassten Glas-Metall- Durchfuhrungen werden bei Druckglasdurchfuhrungen Metalle und Glaser eingesetzt, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten unter- schiedlich sind. Vorzugsweise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der außen liegenden Abdeckung hoher als der des Em- schmelzglases und der des metallischen Anschlussstifts. Dies bietet den Vorteil, dass nach dem Einsetzen der Glasdichtung und des metallischen Anschlussstifts und der nachfolgenden Abkühlung die außen liegende Abdeckung infolge ihrer wesentlich höheren Kontraktion das Glas zusammendruckt. Dies bietet den Vorteil, dass die Dichtung unter Druck steht und damit e ne sehr geringe Leckrate aufweist. Beispielsweise kann die Abdeckung aus einem Metall bestehen, das zwischen 20 und 300°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von 13 x 10"61/K aufweist. Es ist auch möglich, Ausdehnungskoeffizienten zwischen 9 x 10"61/K und 18 x 10"61/K zu verwenden. Die Ausdehnungskoeffizienten des Glases und des Anschlussstifts m demselben Temperaturbereich sollten darunter liegen, beispiels- weise zwischen 5 x 10"6 1/K und 9 x 10"61/K. Auch bei Druckglasdurchfuhrungen bietet das erfindungsgemaße Vormontieren der Kopfplattenbaugruppe den Vorteil einer unabhängigen Tem- peraturfuhrung beim Einbau der Glasdichtung.
Vorteilhafterweise weist der Anschlussstift zumindest eine flache Seite auf. Dies bietet einerseits den vorteil, dass zur Außenkontaktlerung auch flache Stecker aufgesetzt werden können, die einen besseren Halt bieten können als runde Stecker. 7um anderen bietet dies den Vorteil , dass Kontakti erun- gen von Piezoelementen des Aktorkorpers mit kurzen Verbm- dungsdrahten leichter an den Anschlussstift angeschlossen werden können, da ein Anschweißen von Drähten an ebenen Ober-
flächen leichter zu bewerkstelligen ist als ein Anschweißen auf runden Oberflächen. Der Anschlussstift kann dabei einen Querschnitt aufweisen, bei dem von einem Kreis ein Stück abgeschnitten wird. Er kann aber auch beliebige andere Formen wie beispielsweise eine Rechteckform aufweisen. Es kann außerdem vorteilhaft sein, den Anschlussstift auf Höhe des Aktorkörpers mit einem anderen Querschnitt zu versehen als auf Höhe der Durchführung oder der Außenkontaktierung. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, falls für die Kontaktierung des Aktorkörpers eine bestimmte Querschnittsform vorteilhaft ist und für das Anbringen eines Steckerkontakts eine andere.
Vorzugsweise besteht die Abdeckung mindestens teilweise aus Metall oder Keramik. Metall oder Keramik bieten den Vorteil einer hohen Festigkeit und einer hohen Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe schädlicher Umgebungseinflüsse.
Wird eine Halterung zur räumlichen Fixierung eines Aktorkörpers zusammen mit der Kopf lattenbaugruppe vormontiert, so bietet dies den Vorteil, dass der Aktorkörper durch die Halterung an einer definierten Stelle gehalten wird, beispielsweise wenn im weiteren Herstellungsverfahren der Aktor ausgegossen wird. Weiterhin bietet eine mit der Kopfplattenbaugruppe vormontierte Halterung den Vorteil, dass der Aktorkör- per zur Montage lediglich in die Halterung geschoben werden muss, zur Befestigung kann beispielsweise ein Clip vorgesehen sein, der den Aktorkörper gegen ein Herausrutschen aus der Halterung während des weiteren Montageprozesses sichert. Im fertig montierten Aktor ist der Aktorkörper üblicherweise in seiner Längsrichtung, das heißt in seiner Wirkungsrichtung, eingespannt. Die Halterung hält ihn in Querrichtung.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Halterung einen integrierten Kantenschutz auf, um eine axial, das heißt in Längsrichtung, verlaufende Kante des Piezostapels zu schützen. Dieser Kantenschutz kann beispielsweise mindestens einen axial verlaufenden Steg aufweisen, der die zu schützende Kan-
te des Piezostapels abdeckt. Üblicherweise werden die einzelnen Elemente von Piezostapeln kontaktiert, indem e ne Drahtumwicklung vorgenommen wird, welche die Anschlussstifte mit den Piezoelementen verbindet. Da bei der Bewicklung des Pie- zostapels mit Draht üblicherweise zwei gegenüberliegende Kanten mechanisch beansprucht werden, deckt der Kantenschutz vorzugsweise zwei axial verlaufende, gegenüberliegende Kanten des Piezostapels ab. Ein derartiger Kantenschutz kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Halterung der erfindungsgemaßen Montageaufnahme kafigformig ausgebildet ist und zwei Stirnplatten aufweist, die durch Stege miteinander verbunden sind, wobei die Stege zwischen den beiden Stirnplatten zusätzlich als Kantenschutz für den Piezostapel dienen.
Wird zwischen dem Kantenschutz und dem Piezostapel e n Spalt gelassen, der ausreichend groß ist, um beim Vergießen des Piezoaktors m einer Montageaυfnähme das Eindringen der Vergussmasse zu ermöglichen, so bietet dies den Vorteil, dass der Piezostapel zuverlässig eingegossen wird.
Bei der Bewicklung der Piezoemheit, die den Piezostapel und die Halterung umfasst, mit einem elektrisch leitfahigen Draht wird die Piezoemheit mit der Kopfplattenbaugruppe ein- schließlich der Anschlussstifte üblicherweise relativ zu der Drahtzufuhrung gedreht. Dies fuhrt wahrend des Bewicklungsvorganges zu einer Drahtspannung, die bei konstanter Drehgeschwindigkeit der Piezoemheit von dem effektiven Bewicklungsradius der Piezoemheit abhangt. Zur Erleichterung der Drahtabwicklung bilden die axial verlaufenden Kanten des Piezostapels mit den Anschlussstiften und dem Kantenschutz im Querschnitt daher vorzugsweise ein Polygon mit mindestens sechs Ecken. Eine derartige Ausgestaltung der Halterung bietet den Vorteil, dass die Drahtspannung wahrend des Bewi ck- lungsvorga ges nur geringfügige Schwankungen aufweist. Hierbei ist zu erwähnen, dass das von den Kanten des Piezostapels, den Anschlussstiften und dem Kantenschutz gebildete Po-
lygon in der Praxis keine exakten Ecken und Kanten aufweist, so dass dieser Begriff anschaulich zu verstehen ist. So können beispielsweise die Stege zwischen den Stirnplatten der kaf gformigen Halterung in der Praxis stark abgerundet sein, was jedoch der Drahtbewicklung im erfmdungsgemaßen Sinne nicht entgegensteht. Um einen möglichst gleichbleibenden Radius bei der Bewicklung zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn das durch die Kanten des Piezostapels, die Anschlussstifte und den Kantenschutz gebildete Polygon im wesentlichen gleichseitig ist.
Weiterhin ist ein Aktor mit einer Kopfplattenbaugruppe m einer der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen Gegenstand der Erfindung. Ein solcher Aktor bietet den Vor- teil, dass er zuverlässig gegen das Eindringen von Verschmutzungen geschützt st, da die vormontierte Kopfplattenbaugruppe eine zuverlässige Abdichtung der Durchfuhrungen der Anschlusssti te erlaubt.
Vorteilhafterweise weist der Aktor eine Rohrfeder und eine mit der Rohrfeder verbundene Bodenplatte zur Aufbringung einer Vorspannung auf den Aktorkorper auf. Besteht der Aktor- korper aus Piezoelementen, so bietet dies den Vorteil, dass eine Zerstörung der Piezoelemente vermieden wird. Die Rohrfe- der ist vorzugsweise mit der Kopfplattenbaugruppe verbunden, sie kann beispielsweise mit der Abdeckung verschweißt sein. Der Aktorkorper ist vorteilhafterweise zwischen der Bodenplatte und der Abdeckung eingespannt, wahrend er in Querrichtung durch die Halterung gegen seitliches Ausweichen gestutzt
Vorzugsweise wird der Aktor mit einer Vergussmasse ausgegossen, um dem Aktorkorper und den Kontaktierungen Halt zu geben, so dass beispielsweise eine Zerstörung der Aktorkontak- tierungen durch Stoße im Betrieb vermieden wird. Das Ausgießen mit einer Vergussmasse bietet außerdem den Vorteil, dass die Aktorkontaktierungen elektrisch isoliert werden und es zu
keinen unerwünschten Kontakten wahrend des Betriebs kommt. Als Vergussmasse eignet sich beispielsweise Silikon, es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden, die isolierend s nd und sich leicht vergießen lassen.
Vorteilhafterweise wird der Aktor in em Metallgehause und eine Abdichtmembran eingebaut, so dass der Aktor nach außen abgedichtet ist. Wird das Metallgehause mit der Kopfplattenbaugruppe und der Bodenplatte verschweißt, so ist es möglich, einen rundum abgedichteten Aktor herzustellen, der zuverlässig gegen Umgebungseinflusse geschützt ist.
Weiterhin ist ein Injektor für eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemaßen Aktor und eine Emspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Injektor Gegenstand der Erfindung.
Die erfindungsgemaße Kopfplattenbaugruppe und der erfindungs- gemaße Aktor, die mit einem erfindungsgemaßen Herstellungs- verfahren hergestellt werden können, werden anschließend anhand der beigefugten Abbildungen naher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch m einer Explosionsdarstellung den Aufbau einer er indungsgemaßen Kopfplattenbau- gruppe und eines die Kopfplattenbaugruppe enthaltenen Piezoaktors.
Figur 2 zeigt einen abgedichteten Piezoaktor.
Figur 1 zeigt eine vormontierte Kopfplattenbaugruppe 1, die hergestellt wird, indem in einer Abdeckung 2 aus Metall zwei Durchfuhrungen 3 angeordnet werden, durch die zwei Anschlussstifte 4 hindurch gefuhrt werden. Die Durchfuhrungen 3 werden abgedichtet, indem zwischen der Abdeckung ? und den An- schlussstiften 4 angepasste Glas-Metall-Durchfuhrungen als Glasdichtungen 5 angebracht werden.
Im nächsten Schritt wird an der Kopfplattenbaugruppe 1 noch ein Aktorkafig 6 montiert, indem dieser mit der Abdeckung 2 verschweißt w rd. Der Aktorkafig 6 dient als Halterung für einen Piezostack 7, der aus einem Stapel von vielen einzelnen P ezoelementen besteht . Der Aktorkafig 6 weist zwei Stege 8 auf, die den Piezostack 7 beim Bewickeln mit einem Anschlussdraht schützen. Außerdem sind in dem Aktorkafig 6 Durchfuhrungen zur Durchfuhrung der Anschlussstifte 4 angebracht.
Wenn der Piezostack 7 in dem Aktorkafig 6 montiert ist, wird der Piezostack 7 kontaktiert, indem eine Bewicklung mit Draht erfolgt (nicht gezeigt) . Die einzelnen Windungen der Drahtbewicklung haben dabei jeweils einen Abstand, welcher der Hohe eines Piezoelementes entspricht. Der Draht wird jeweils an einem der beiden Anschlussstifte und an einer Piezoaußen- kontaktierung 9 (in Figur 1 ist nur die vordere gezeigt) an geschweißt. Die überflüssigen Stucke des Drahtes werden herausgetrennt .
Nachfolgend wird eine Rohrfeder 10 über den Aktorkafig 6 gesteckt und an der Kopfplattenbaugruppe 1 angeschweißt. An der der Kopfplattenbaugruppe 1 abgewandten Seite der Rohrfeder 10 wird eine Bodenplatte 11 angeschweißt, so dass die Rohrfeder 10 eine Vorspannung auf den Piezostack 7 aufbringt.
Zur Verhinderung von Masseschlussen, zur Verbesserung der Wärmeableitung und zur besseren Schwingungsdampfung wird der Piezoaktor m diesem Zustand mit z.B. Silikon ausgespritzt. Anschließend wird ein Metallgehause 12 und eine Abdichtmemb- ran an den Piezoaktor geschweißt, um einen vollständig abgedichteten Piezoaktor herzustellen, der Figur 2 dargestellt ist. In Figur 2 bezeichnen ansonsten gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie m Tigur 1.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausfuhrungsbeispiel beschrankt. Vielmehr ist e ne Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die eben-
falls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.