WO2007023048A1 - Piezoaktor mit steckervorrichtung und ein verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Piezoaktor mit steckervorrichtung und ein verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2007023048A1
WO2007023048A1 PCT/EP2006/064484 EP2006064484W WO2007023048A1 WO 2007023048 A1 WO2007023048 A1 WO 2007023048A1 EP 2006064484 W EP2006064484 W EP 2006064484W WO 2007023048 A1 WO2007023048 A1 WO 2007023048A1
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plug part
holding body
electrical
piezoelectric actuator
plug
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PCT/EP2006/064484
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Rudolf Heinz
Dieter Kienzler
Udo Schaich
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Robert Bosch Gmbh
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    • H10N30/80—Constructional details
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric actuator, preferably for use as a piezo injector or for actuating a mechanical component such as a valve, a nozzle needle or the like, according to the preamble of claim 1, and a method for its production according to claim 9.
  • a piezoelectric element can be used in such a way that, by utilizing the so-called piezoelectric effect, it is possible to control the needle stroke of a valve or the like.
  • 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.
  • Piezo injectors of this kind are suitable, for example, for applications in which lifting movements take place under high operating forces and high clock frequencies.
  • such a piezoelectric injector is known from DE 100 26 005 A1, which is used to control the nozzle needle in injectors for injection can be used by fuel in the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a piezoelectric element constructed as a stack of several electrically coupled to each other 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.
  • EP 1 174 615 A3 also describes a piezoelectric actuator as a piezoinjector, in which a piezoelectric element is present as an actuator for the direct needle lifting 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. Piezo element, coupler and needle thereby form parts of an actuator, by means of which, for example, in the case of an injection injector, for example, fuel or another fluid can be metered into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • FIG. 7 shows a basic structure of a single-stage piezoactuator 1 according to the prior art, which can be used, for example, for needle lift control in the injection system for fuel in an internal combustion engine.
  • a holding body 2 In the upper part of a holding body 2 is present, which can be adjusted in its geometrical dimensions substantially to the particular purpose and the specific location.
  • an electrical connection not shown here. space forming recess exists, with a plug part arranged therein.
  • electrical connector 5 an electrical voltage for driving a arranged in an interior 4 of the holder body 2, consisting of a plurality of arranged in a stack piezoelectric layers piezoelectric element 3.
  • a plug 5 specifically adapted to the application is used.
  • the plug part is matched to the plug 5 accordingly.
  • piezoelectric element 3 acts upon actuation of a here below vertically located mechanical arrangement with a coupler on a nozzle needle. 6 such that a release of a nozzle opening 7 can take place here.
  • a guided in the interior of the piezoelectric actuator 1 through the interior 4 of the holding body 2 fuel can thus be injected into the combustion chamber of an internal combustion engine, not shown here.
  • the piezoelectric element 3 is according to Figure 2 via an actuator base 8 at the top of a spherical sealing seat in the interior 4 of the holder body 2, wherein the piezoelectric element 3 is pressed to effect a good sealing seat with a spring 9.
  • a high-pressure seal is necessary here for an electrical connection space arranged above the inner space 4 in the holding body 2, through which the electric lines are led for electrical contacting of the piezoelectric element 3.
  • the problem often occurs that, for example, due to different thermal expansion coefficients between the plug part and the holding bodies present in the electrical receiving space, or due to mechanical vibration loads during operation of the piezoelectric actuator, or due to assembly -A-
  • ge or disassembly forces for example, when plugging and unplugging the electrical connector in the plug part, moisture from the outside plug part and holding body in the electrical receiving space penetrate kan, or the connection between the plug part and holder body is damaged.
  • a piezoelectric actuator according to the invention preferably a piezoelectric injector
  • the aforementioned genus by the electrical connection compartment and the plug part arranged therein have a plurality of circumferential, mutually corresponding, interlocking undercuts and projections, which together with a labyrinthine seal form at least two closed at the material and workpiece boundary between the holding body and the plug part circumferential sealing surfaces.
  • the piezoelectric actuator according to the invention has the advantage over the prior art that a very good sealing of the electrical connection space against ingress of moisture from the outside is ensured by the labyrinthine seal.
  • a durable and high mechanical loads exposed connection between the holding body and plug part is created by the corresponding rear undercuts and projections on the plug part and in the electrical connection compartment, which can absorb the occurring during assembly and service plugging, joining and peeling forces permanently.
  • a sufficient electrical insulation of arranged in the electrical connection compartment components and high tightness against moisture is ensured in the interior of the piezoelectric actuator.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that at least one sealing surface for a contraction of the plug part relative to the holding body and at least one sealing surface is provided for an expansion of the plug part relative to the holding body.
  • a reliable seal is achieved even with different thermal expansion coefficients of the holding body and the plug part.
  • each at least one sealing surface is effective in an expansion or contraction of the plug part relative to the holding body, a very strong interlocking toothing between the electrical connection space containing holding body and the plug part is generated.
  • the toothing additionally assumes a sealing function by, depending on the heat conditions between the holding body and plug part, once on one side and once on the other, the respective sealing surface forming flank surface is applied and seals. The same applies to the seal in the radial direction.
  • the plug part can be produced by spraying the electrical connection space, for example with a plastic.
  • spraying the plug part in the electrical connection space on the one hand, a geometry corresponding exactly to the catchings and projections of the electrical connection space of the projections and back grips on the plug part corresponding with the back grips and projections of the electrical connection space is ensured.
  • the plug part can be adapted by ejection relatively easy to the application-specific form of plugged into the plug part connector.
  • the plug part comprises a plurality of modular arrangeable, prefabricated internal parts, for easy adaptability to different installation and application-specific requirements.
  • prefabricated internal parts the manufacturing costs can be greatly reduced due to the high degree of prefabrication.
  • Such internal parts can serve, for example, to hold electrical contacts serving electrical contacts during the ejection; they may further comprise simple fillers which ensure a uniform wall thickness of the plug part.
  • the sealing surfaces forming undercuts and protrusions having part of the plug part can be made by ejection.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that arranged in the plug part, serving with the electrical contacting of the Piezoele- management electrical lines and contactable with an insertable into the plug part electrical plug electrical contacts are cast in the plug part with.
  • the electrical contacts preferably have overmoldable anchors for reliable and mechanically strong attachment in the plug part.
  • anchors may include, for example, arranged on the electrical contacts protrusions and / or Hintergreifungen and / or recesses.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a holding body upper part of a piezoelectric actuator according to the invention with a two-part holding body and with a labyrinthine seal between the electrical connection space and plug part,
  • FIG. 2 shows a section through the piezoactuator from FIG. 1 along the section line B-B
  • FIG. 3 shows an enlarged view of a variant of FIG. 1,
  • FIG. 1 An illustrated in Figures 1, 2 and 3 holding body upper part 21 of a piezoelectric actuator 10 according to the invention as piezoinjector with two-part holding body 20 has a port 24 for by means of a piezoelectric actuator 10 arranged in a piezoelectric element 10 metered fuel, and an electrical connection space 23, for electrical contacting of the Piezo elements on.
  • a flow channel 40 connects the interior substantially arranged in a holding body lower part, not shown 30 with the terminal 24.
  • the electrical connection space 23 a plurality of internal parts 61, 62, 63, and an encapsulation 60 comprehensive connector part 50 is arranged.
  • the plug part 50 has electrical contacts 64 connected to the piezoelectric element arranged in the interior space 30 by the electrical connection lead 23, which leads into a recess 65 of the plug part 50.
  • the geometry of the recess 65 and the position of the electrical contacts 64 in the recess 65 are adapted to an application-specific and use-specific shaped plug, which can be inserted into the plug part 50 by insertion into the recess 65.
  • the holding body upper part 21 having the electrical connection space 23 and the plug part 50 arranged therein have a plurality of circumferential, mutually corresponding interlocking undercuts 51, 51 ' and projections 52, 52 ' , which together form a labyrinthine seal.
  • the respective mutually corresponding back grips 51, 51 ' and projections 52, 52 ' of the plug member 50 and the holding body shell 21 form closed at their edges circumferential sealing surfaces 53, 54, 55, 56, which a very good seal of the electrical connection space 23 against moisture penetration ensure from the outside at the material and workpiece boundary between the holding body 20 and the plug part 50.
  • the piezoelectric actuator 10 is typically operated in a temperature range from -40 0 C to 16O 0 C.
  • the undercuts 51, 51 ' and the projections 52, 52 ' on the sealing surfaces 53 and 55 are the undercuts 51, 51 ' and the projections 52, 52 ' on the sealing surfaces 53 and 55, whereas, with a contraction of the male part 50 relative to the holding body 20, the rear grips 51, 51 ' and the projections 52, 52 ' at the sealing surfaces 54 and 56 rest securely, so that when heating the one, and when cooling the opposite sealing surface is reliably brought into abutment.
  • the shape and the number of labyrinth contours and thus the sealing surfaces can be carried out depending on requirements. The same effect applies also in the radial direction, where the encapsulation 60 is enclosed by a retaining bore 20 except for a through-bore and is limited in its extent.
  • the plug part 50 essentially comprises a plurality of inner parts 61, 62, 63, as well as an encapsulation 60.
  • the inner parts 61, 62, 63 in FIGS. 1, 2 and 3 have the following function:
  • the inner part 61 is a base support, on which the electrical contact between the piezoelectric element connected to the electrical lines 42 and the electrical contacts 64 is arranged.
  • the inner part 61 is used for this purpose first in the electrical connection space 23.
  • the inner part 61 has the holes 70 shown in FIG. 2, through which the electrical lines connected to the piezoelectric element are guided.
  • the inner part 62 shown in Figure 4a to 4d is arranged on the base support.
  • the inner part 62 is a plug-in contact carrier on which the electrical contacts 64 have already been arranged in a preceding production step.
  • the electrical contacts 64 are connected to the inner part 62 designed as plug-in contact carrier, for example by injection, clipping or plugging in and are aligned and guided by the plug contact carrier.
  • the plug contact carrier is made of an electrically insulating material.
  • the inner part 62 is inserted second in the electrical connection space 23. After placing the inner part 62 on the inner part 61 are the electrical leads 42 connected to the electrical contacts 64, for example by soldering, crimping or the like.
  • FIGS. 4b, 4c, 4d may be attached, for example, by means of the recesses shown in FIGS. 4b, 4c, 4d, alternatively to the production of the encapsulation 60 on the inner part 61 designed as a base support.
  • the inner part 63 is arranged above the inner part 62.
  • the inner part 63 is inserted as a third in the electrical connection space.
  • 63 is a filler, which occupies a part of the after insertion of the inner parts 61 and 62, as well as connected to the inner part 62 electrical contacts 64 in the electrical connection space 23 remaining space.
  • the formed as a filler inner part 63 is used in particular for volume compensation in order to achieve 60 uniform wall thicknesses for the encapsulation. According to the required volume, the inner part 63 can be designed arbitrarily in shape.
  • the extrusion coating 60 is produced by spraying the remaining space in the electrical connection space 23 with a plastic.
  • the inner part 63 designed as a filling piece ensures that the space occupied by the encapsulation 60 has a volume suitable for the ejection. This is particularly important in view of the predetermined by the clock speed of an automated manufacturing process, necessary heat dissipation.
  • a uniform wall thickness of the encapsulation 60 is ensured by the formed as a filler inner part 63.
  • the receptacle of the plug serving recess 65 is recessed at the same time, so that by inserting the inner parts 61, 62, 63 and then producing the encapsulation 60, the plug member 50 is completed after only a few manufacturing steps.
  • the inner parts 61, 62 and 63 in conjunction with the encapsulation 60, a simple implementation of various application-specific requirements for the plug part, such as different holder body lengths, different installation angle layers, different elevation angles and the like, ensured.
  • the internal parts 61, 62, 63 designed as standardized identical parts the production costs of the piezoelectric actuator 10 according to the invention can be considerably reduced compared with the prior art.
  • FIGS. 5a to 5e show, by way of example, different cross-sectional shapes of such plastically deformable press noses. In this case, around a pin 80 several when inserting into a corresponding, approximately corresponding to the pin diameter recess on the respective counterpart plastically deformable lugs 81 are arranged.
  • FIGS. 5a and 5b show cross sections normal to the longitudinal axis of a pin 80 with a different number of lugs 81 arranged around the pin 80.
  • 5c, 5d and 5e show cross sections parallel to the longitudinal axis of a pin 80 with lugs 81 having differently shaped geometries , These are shown twice in FIG. 5c. the simply round, in Figure 5d) double or simply pointed, and in Figure 5e double or simply barrel-shaped.
  • the positioning can also be done for example via double pins, T-slot or tongue and groove geometries on the individual components. For example, a positioning by means of grooves and springs as shown in Figures 4b, 4c, 4d conceivable.
  • the final strength results in the additional encapsulation with the encapsulation 60.
  • FIGS. 6a to 6f show a plurality of conceivable anchorages of the electrical contacts 64 in the plug part 50. It is essential that the electrical contacts 64 projections 82 ( Figure 6b), and / or notches 83 ( Figure 6a) and / or recesses 84 ( Figure 6c), which can be enveloped by the encapsulation 60, filled or taken to to ensure a stable anchoring of the electrical contacts 64 in the plug part 50.
  • the designed as a base support inner part 61 is positioned and fixed on cylindrical shapes in the electrical connection space 23 holding body 20. On the position of the mounting holes in the holding body 20, the plug position can be defined to the holding body 20.
  • the internal parts 61, 62, 63 can be standardized in view of the resulting cost advantage.
  • the formed as a base support inner part 61 is designed in its geometry so that it forms a sealing labyrinth together with the encapsulation 60 and seals against moisture from the outside.
  • the encapsulation 60 encloses the inner parts 61, 62 and 63 as well as a part of the electrical contacts 64 and gives the bandage the necessary strength. At the same time, the encapsulation 60 ejects the introduced geometries and thus ensures the required sealing function. In this case, depending on the specific application, the corresponding plug shape can be molded in almost any desired angular positions.
  • the holding body 20 can be made in one piece, or in two parts, with a holding body upper part 21 which is substantially adapted to the installation and application-specific position of the electrical connection space 23 and the connection 24 for the fuel, and an inner space 30 which essentially accommodates the piezoelectric element Be executed holding body lower part.
  • the invention is particularly applicable in the field of manufacturing piezo actuators for use in connection with injection injectors for internal combustion engines.

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Abstract

Es wird ein Piezoaktor (10) insbesondere für eine Verwendung als Piezoinjektor beschrieben, umfassend einen einen Innenraum (4) aufweisenden Haltekörper (20) sowie ein in dem Innenraum (4) angeordnetes, durch den Haltekörper (20) hindurch elektrisch kontaktierbares Piezoelement (3), bei dem der Haltekörper (20) einen oder mehrere Anschlüsse (24) und Strömungskanäle (4) zur Zufuhr eines mittels eines das Piezoelement (30) umfassenden Stellglieds dosierbaren Fluids in den Innenraum (4), sowie mindestens einen der elektrischen Kontaktierung des Piezoelements dienenden elektrischen Anschlussraum (23) mit einem darin angeordneten Steckerteil (50) aufweist, wobei der elektrische Anschlussraum (23) und das Steckerteil (50) mehrere umlaufende, miteinander korrespondierende Hintergreifungen (51, 51´) und Vorsprünge (52, 52´) aufweisen, welche gemeinsam eine labyrinthartige Abdichtung mit mindestens zwei an der Grenze zwischen dem Haltekörper (20) und dem Steckerteil (50) geschlossen umlaufenden Dicht- flächen (53, 54, 55, 56) bilden.

Description

Piezoaktor mit Steckervorrichtung und ein Verfahren zu dessen Herstellung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, vorzugsweise zur Verwendung als Piezoinjektor bzw. zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil, eine Düsennadel oder dergleichen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Anspruch 9.
Stand der Technik
Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau eines Piezoinjektors ein Piezoele- ment 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 Piezoinjektoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
Beispielsweise ist ein solcher Piezoinjektor 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 werden kann. Bei diesem Piezoinjektor 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.
Außerdem ist auch in der EP 1 174 615 A3 ein Piezoaktor als Piezoinjektor 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. Piezoelement, Koppler und Nadel bilden dabei Teile eines Stellglieds, mit dessen Hilfe etwa bei einem Einspritzinjektor beispielsweise Kraftstoff oder ein anderes Fluid dosiert beispielsweise in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eingespritzt werden kann.
In Figur 7 ist ein prinzipieller Aufbau eines einstufigen Piezoaktors 1 nach dem Stand der Technik gezeigt, der beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Im oberen Teil ist ein Haltekörper 2 vorhanden, der in seinen geometrischen Abmessungen im Wesentlichen an den jeweiligen Verwendungszweck und den spezifischen Einsatzort angepasst werden kann. Am Haltekörper 2 ist eine einen hier nicht dargestellten elektrischen Anschluss- raum bildende Ausnehmung vorhanden, mit einem darin angeordneten Steckerteil. Über das Steckerteil kann mit einem in das Steckerteil einsteckbaren, elektrischen Stecker 5 eine elektrische Spannung zur Ansteuerung eines in einem Innenraum 4 des Haltekörpers 2 angeordneten, aus mehreren zu einem Stapel angeordneten Piezolagen bestehenden Piezoelements 3 zugeführt werden. Dabei wird ein spezifisch an den Anwendungsfall ange- passter Stecker 5 verwendet. Das Steckerteil ist entsprechend auf den Stecker 5 abgestimmt.
Vom Steckerteil sind hier nicht dargestellte Drähte als elektrische Leitungen zu ebenfalls nicht dargestellten Außenelektroden am Piezoelement 3 geführt, zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements 3. Das Piezoelement 3 wirkt bei einer Betätigung über eine sich hier senkrecht unterhalb befindliche mechanische Anordnung mit einem Koppler auf eine Düsennadel 6 derart, dass hier eine Freigabe einer Düsenöffnung 7 erfolgen kann. Ein im Inneren des Piezoaktors 1 durch den Innenraum 4 des Haltekörpers 2 geführter Kraftstoff kann somit in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden.
Das Piezoelement 3 liegt nach Figur 2 über einen Aktorfuß 8 oben an einem balligen Dichtsitz im Innenraum 4 des Haltekörpers 2 an, wobei das Piezoelement 3 zur Bewirkung eines guten Dichtsitzes mit einer Feder 9 angedrückt wird. Insbesondere bei so genannten Common-Rail (CR)-Systemen ist hier eine Hochdruckabdichtung zu einem oberhalb des Piezoelements 3 und oberhalb des Innenraums 4 in dem Haltekörper 2 angeordneten elektrischen Anschlussraum notwendig, durch den die elektrischen Leitungen zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements 3 geführt sind.
Bei den bekannten Piezoaktoren tritt häufig das Problem auf, dass beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Steckerteil und den im elektrischen Aufnahmeraum vorhandenen Haltekörper, oder aufgrund von mechanischen Schwingungsbelastungen während des Betriebs des Piezoaktors, oder aufgrund von Monta- -A-
ge- oder Demontagekräften, beispielsweise beim Ein- und Ausstecken des elektrischen Steckers in das Steckerteil, Feuchtigkeit von außen zwischen Steckerteil und Haltekörper in den elektrischen Aufnahmeraum eindringen kan, oder die Verbindung zwischen Steckerteil und Haltekörper beschädigt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Nachteile des Standes der Technik werden bei einem erfindungsgemäßen Piezoaktor, vorzugsweise einem Piezoinjektor, der eingangs genannten Gattung vermieden, indem der elektrische Anschlussraum und das darin angeordnete Steckerteil mehrere umlaufende, miteinander korrespondierende, ineinander greifende Hintergreifungen und Vorsprünge aufweisen, welche gemeinsam eine labyrinthartige Abdichtung mit mindestens zwei an der Werkstoff- und Werkstück-Grenze zwischen dem Haltekörper und dem Steckerteil geschlossen umlaufenden Dichtflächen bilden.
Der erfindungsgemäße Piezoaktor weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass durch die labyrinthartige Abdichtung eine sehr gute Abdichtung des elektrischen Anschlussraums gegen eindringende Feuchtigkeit von außen sichergestellt wird. Darüber hinaus wird durch die miteinander korrespondierenden Hintergreifungen und Vorsprünge am Steckerteil und im elektrischen Anschlussraum eine dauerfeste und hohen mechanischen Belastungen aussetzbare Verbindung zwischen Haltekörper und Steckerteil geschaffen, welche die während der Montage und im Service auftretenden Steck-, Füge- und Abziehkräfte dauerhaft aufnehmen kann. Gleichzeitig wird eine ausreichende elektrische Isolation der im elektrischen Anschlussraum angeordneten Bauteile sowie hohe Dichtheit gegenüber Feuchtigkeitseintritt in das Innere des Piezoaktors gewährleistet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Dichtfläche für eine Kontraktion des Steckerteils gegenüber dem Halte- körper und mindestens eine Dichtfläche für eine Ausdehnung des Steckerteils gegenüber dem Haltekörper vorgesehen ist. Dadurch wird eine zuverlässige Abdichtung auch bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Haltekörpers und des Steckerteils erreicht. Indem jeweils mindestens eine Dichtfläche bei einer Ausdehnung oder Kontraktion des Steckerteils gegenüber dem Haltekörper wirksam ist, wird eine sehr stark ineinander greifende Verzahnung zwischen dem den elektrischen Anschlussraum aufweisenden Haltekörper und dem Steckerteil erzeugt. Dadurch wird gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Festigkeit und Dichtheit der Verbindung zwischen dem Haltekörper und dem Steckerteil erreicht. Die Verzahnung übernimmt zusätzlich eine Dichtfunktion, indem sie, je nach den Wärmeverhältnissen zwischen Haltekörper und Steckerteil, einmal an der einen und einmal an der anderen, die jeweilige Dichtfläche bildenden Flankenfläche anliegt und abdichtet. Gleiches gilt auch für die Abdichtung in radialer Richtung.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Steckerteil durch Ausspritzen des elektrischen Anschlussraums, beispielsweise mit einem Kunststoff herstellbar ist. Durch Ausspritzen des Steckerteils in dem elektrischen Anschlussraum wird einerseits eine exakt den Hin- tergreifungen und Vorsprüngen des elektrischen Anschlussraums entsprechende Geometrie der mit den Hintergreifungen und Vorsprüngen des elektrischen Anschlussraums korrespondierenden Vorsprüngen und Hintergreifungen am Steckerteil sichergestellt. Andererseits kann das Steckerteil durch Ausspritzen relativ einfach an die anwendungsspezifische Form des in das Steckerteil einzusteckenden Steckers angepasst werden.
Darüber hinaus können Teile der elektrischen Kontaktierung, welche nach dem Stand der Technik bislang nicht im Haltekörper anordbar waren, durch das Ausspritzen des elektrischen Anschlussraums nunmehr in den Haltekörper integriert werden. Diese Integration ermöglicht einen zusätzlichen Schutz der inneren elektrischen Kontakte vor Beschädigungen von außen und eine Reduzierung von Schwingbelastungen auf die einzelnen Bauteile.
Eine zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Steckerteil mehrere modular anordbare, vorgefertigte Innenteile umfasst, zur einfachen Anpassbarkeit an verschiedene einbau- und anwendungsspezifische Anforderungen. Durch die Verwendung vorgefertigter Innenteile können die Herstellungskosten aufgrund des hohen Vorfertigungsgrades stark gesenkt werden. Derartige Innenteile können beispielsweise der Halterung von der elektrischen Kontaktierung dienenden elektrischen Kontakten während des Ausspritzens dienen; sie können ferner einfache Füllmittel umfassen, welche eine gleichmäßige Wandstärke des Steckerteils sicherstellen.
Dabei kann mindestens der die am Steckerteil angeordneten, die Dichtflächen bildenden Hintergreifungen und Vorsprünge aufweisende Teil des Steckerteils durch Ausspritzen hergestellt sein. Dadurch können einerseits die Herstellungskosten senkende, weitgehend vorgefertigte Innenteile verwendet werden, und andererseits ist eine einfache Anpassung des Steckerteils an den jeweils verwendeten, einsatzspezifischen Stecker sichergestellt. Darüber hinaus wird erreicht, dass die Hintergreifungen und Vorsprünge des Steckerteils exakt mit den korrespondierenden Vorsprüngen und Hintergreifungen im elektrischen Anschlussraum übereinstimmen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Steckerteil angeordnete, mit der elektrischen Kontaktierung des Piezoele- ments dienenden elektrischen Leitungen verbundene und mit einem in das Steckerteil einsteckbaren elektrischen Stecker kontaktierbare elektrische Kontakte in das Steckerteil mit eingegossen sind. Dabei ist denkbar, dass die elektrischen Kontakte vorzugsweise umspritzbare Verankerungen zur zuverlässigen und mechanisch belastbaren Befestigung in dem Steckerteil aufweisen. Derartige Verankerungen können beispielsweise an den elektrischen Kontakten angeordnete Vorsprünge und/oder Hintergreifungen und/oder Ausnehmungen umfassen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Haltekörperoberteil eines erfindungsgemäßen Piezoaktors mit einem zweiteiligen Haltekörper und mit einer labyrinthartigen Abdichtung zwischen elektrischem Anschlussraum und Steckerteil,
Figur 2 einen Schnitt durch den Piezoaktor aus Figur 1 entlang der Schnittlinie B-B,
Figur 3 eine vergrößerte Ansicht einer Variante von Figur 1 ,
Figur 4a bis 4d jeweils eine Detailansicht eines in dem Steckerteil angeordneten, elektrische Kontakte tragenden Innenteils,
Figur 5a bis 5e verschiedene Querschnittsformen von der Verbindung von Innenteilen dienenden Pressnasen,
Figur 6a bis 6f verschiedene Formen von Verankerungen von in dem Steckerteil anordbaren elektrischen Kontakten, sowie
Figur 7 einen Piezoaktor nach dem Stand der Technik.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Ein in Figuren 1 , 2 und 3 dargestelltes Haltekörperoberteil 21 eines erfindungsgemäßen Piezoaktors 10 als Piezoinjektor mit zweiteiligem Haltekörper 20 weist einen Anschluss 24 für mittels eines in einem Innenraum 30 des Piezoaktors 10 angeordneten Piezoelements dosierbaren Kraftstoff, sowie einen elektrischen Anschlussraum 23, zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements auf. Ein Strömungskanal 40 verbindet den im Wesentlichen in einem nicht dargestellten Haltekörperunterteil angeordneten Innenraum 30 mit dem Anschluss 24. In dem elektrischen Anschlussraum 23 ist ein mehrere Innenteile 61 , 62, 63, sowie eine Umspritzung 60 umfassendes Steckerteil 50 angeordnet. Das Steckerteil 50 weist darüber hinaus mit von dem elektrischen Anschlussraum 23 zu dem in dem Innenraum 30 angeordneten Piezoelement durch das Haltekörperoberteil 21 hindurchführenden elektrischen Leitungen 42 verbundene elektrische Kontakte 64 auf, welche in eine Ausnehmung 65 des Steckerteils 50 ragen. Die Geometrie der Ausnehmung 65 und die Lage der elektrischen Kontakte 64 in der Ausnehmung 65 sind an einen anwendungs- und einsatzspezifisch geformten Stecker an- gepasst, der durch Einführen in die Ausnehmung 65 in das Steckerteil 50 eingesteckt werden kann.
Das den elektrische Anschlussraum 23 aufweisende Haltekörperoberteil 21 und das darin angeordnete Steckerteil 50 weisen mehrere umlaufende, miteinander korrespondierende, ineinander greifende Hintergreifungen 51 , 51 ' und Vorsprünge 52, 52'auf, welche gemeinsam eine labyrinthartige Abdichtung bilden. Die jeweils miteinander korrespondierenden Hintergreifungen 51 , 51 ' und Vorsprünge 52, 52' des Steckerteils 50 und des Haltekörperoberteils 21 bilden dabei an ihren Flanken geschlossen umlaufenden Dichtflächen 53, 54, 55, 56, welche eine sehr gute Abdichtung des elektrischen Anschlussraums 23 gegen eindringende Feuchtigkeit von außen an der Werkstoff- und Werkstück-Grenze zwischen dem Haltekörper 20 und dem Steckerteil 50 sicherstellen.
Der Piezoaktor 10 wird typischerweise in einem Temperaturbereich von - 4O0C bis 16O0C betrieben. Bei einer durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des aus Stahl hergestellten Haltekörpers 20 zu dem aus Kunststoff hergestellten Steckerteils 50 hervorgerufenen Ausdehnung des Steckerteils 50 gegenüber dem Haltekörper 20 liegen die Hintergreifungen 51 , 51 ' und die Vorsprünge 52, 52' an den Dichtflächen 53 und 55 an, wohingegen bei einer Kontraktion des Steckerteils 50 gegenüber dem Haltekörper 20 die Hintergreifungen 51 , 51 ' und die Vorsprünge 52, 52' an den Dichtflächen 54 und 56 sicher anliegen, so dass beim Aufheizen die eine, und beim Abkühlen die gegenüberliegende Dichtfläche zuverlässig zur Anlage gebracht wird. Die Form und die Anzahl der Labyrinthkonturen und damit der Dichtflächen kann dabei je nach Anforderungen ausgeführt werden. Derselbe Effekt gilt auch in radialer Richtung, wo die Umspritzung 60 bis auf eine Durchgangsbohrung durch den Haltekörper 20 umschlossen und in ihrer Ausdehnung begrenzt ist.
Das Steckerteil 50 umfasst im Wesentlichen mehrere Innenteile 61 , 62, 63, sowie eine Umspritzung 60. Die Innenteile 61 , 62, 63 in den Figuren 1 , 2 und 3 haben folgende Funktion:
Das Innenteil 61 ist ein Basisträger, auf dem die elektrische Kontaktierung zwischen den mit dem Piezoelement verbundenen elektrischen Leitungen 42 und den elektrischen Kontakten 64 angeordnet ist. Das Innenteil 61 wird hierzu als erstes in den elektrischen Anschlussraum 23 eingesetzt. Das Innenteil 61 weist hierzu die in Figur 2 dargestellten Bohrungen 70 auf, durch die die mit dem Piezoelement verbundenen elektrischen Leitungen hindurch geführt werden.
Auf dem Basisträger ist das in Figur 4a bis 4d dargestellte Innenteil 62 angeordnet. Das Innenteil 62 ist ein Steckkontaktträger, an dem bereits in einem vorhergehenden Fertigungsschritt die elektrischen Kontakte 64 angeordnet wurden. Die elektrischen Kontakte 64 sind mit dem als Steckkontaktträger ausgebildeten Innenteil 62 beispielsweise durch Einspritzen, Einclip- sen oder Einstecken verbunden und werden von dem Steckkontaktträger ausgerichtet und geführt.
Zur elektrischen Isolation der elektrischen Kontakte 64 gegeneinander ist der Steckkontaktträger aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt.
Das Innenteil 62 wird als zweites in den elektrischen Anschlussraum 23 eingesetzt. Nach dem Aufsetzen des Innenteils 62 auf das Innenteil 61 werden die elektrischen Leitungen 42 mit den elektrischen Kontakten 64 beispielsweise durch Verlöten, Crimpen oder dergleichen verbunden. Das Innenteil
62 kann dabei beispielsweise mittels in den Figuren 4b, 4c, 4d dargestellten Ausnehmungen hilfsweise bis zur Herstellung der Umspritzung 60 auf dem als Basisträger ausgeführten Innenteil 61 befestigt werden.
Oberhalb des Innenteils 62 ist das Innenteil 63 angeordnet. Das Innenteil 63 wird als drittes in den elektrischen Anschlussraum eingesetzt. Das Innenteil
63 ist ein Füllstück, welches einen Teil des nach dem Einsetzen der Innenteile 61 und 62, sowie der mit dem Innenteil 62 verbundenen elektrischen Kontakte 64 im elektrischen Anschlussraum 23 verbleibenden Raums einnimmt.
Das als Füllstück ausgebildete Innenteil 63 dient insbesondere zum Volumenausgleich, um für die Umspritzung 60 gleichmäßige Wandstärken zu erzielen. Entsprechend dem geforderten Volumen kann das Innenteil 63 in seiner Form beliebig gestaltet werden.
Nach dem Einsetzen der Innenteile 61 , 62 und 63 erfolgt die Herstellung der Umspritzung 60 durch Ausspritzen des verbleibenden Raums im elektrischen Anschlussraum 23 mit einem Kunststoff. Dabei stellt das als Füllstück ausgebildete Innenteil 63 sicher, dass der von der Umspritzung 60 eingenommene Raum ein für das Ausspritzen geeignetes Volumen aufweist. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die durch die Taktgeschwindigkeit eines automatisierten Herstellungsprozesses vorgegebene, notwendige Wärmeableitung wichtig. Darüber hinaus wird durch das als Füllstück ausgebildete Innenteil 63 eine gleichmäßige Wandstärke der Umspritzung 60 sichergestellt.
Durch Herstellen der Umspritzung 60 durch Ausspritzen des verbleibenden Raums in dem elektrischen Anschlussraum 23 wird einerseits eine exakt den Hintergreifungen 51 ' und Vorsprüngen 52' des elektrischen Anschlussraums 23 entsprechende Geometrie der mit den Hintergreifungen 51 ' und Vorsprüngen 52' des elektrischen Anschlussraums 23 korrespondierenden Vor- sprüngen 52 und Hintergreifungen 51 am Steckerteil 50 sichergestellt. Andererseits ist so eine einfache Anpassbarkeit des Steckerteils 50 an verschiedene Stecker möglich.
Bei der Herstellung der Umspritzung 60 wird gleichzeitig die der Aufnahme des Steckers dienende Ausnehmung 65 ausgespart, so dass durch Einsetzen der Innenteile 61 , 62, 63 und anschließendes Herstellen der Umspritzung 60 das Steckerteil 50 nach nur wenigen Herstellungsschritten fertig gestellt ist.
Durch die Verwendung der Innenteile 61 , 62 und 63 in Verbindung mit der Umspritzung 60 wird eine einfache Umsetzbarkeit verschiedener anwendungsspezifischer Anforderungen an das Steckerteil, wie etwa unterschiedliche Haltekörperlängen, unterschiedliche Einbauwinkellagen, unterschiedliche Höhenwinkel und dergleichen, sichergestellt. Durch die Verwendung der als standardisierte Gleichteile ausgeführten Innenteile 61 , 62, 63 können die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Piezoaktors 10 gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert werden.
Vor der Herstellung der Umspritzung 60 müssen die Innenteile 61 , 62, 63 relativ zueinander positioniert werden. Eine Positionierung der einzelnen Innenteile 61 , 62, 63 relativ zueinander kann beispielsweise über plastisch verformbare Pressnasen erreicht werden. In Figur 5a bis 5e sind beispielhaft verschiedene Querschnittsformen derartiger plastisch verformbarer Pressnasen dargestellt. Dabei sind um einen Stift 80 herum mehrere beim Einstecken in eine entsprechende, in etwa dem Stiftdurchmesser entsprechende Ausnehmung an dem jeweiligen Gegenstück plastisch verformbare Nasen 81 angeordnet. Die Figuren 5a und 5b zeigen dabei Querschnitte normal zur Längsachse eines Stifts 80 mit einer verschiedenen Anzahl von um den Stift 80 herum angeordneten Nasen 81. Die Figuren 5c, 5d und 5e zeigen Querschnitte parallel zur Längsachse eines Stifts 80 mit Nasen 81 mit unterschiedlich ausgeformten Geometrien. Diese sind in der Figur 5c doppelt o- der einfach rund, in Figur 5d) doppelt oder einfach spitz, und in der Figur 5e doppelt oder einfach tonnenförmig ausgebildet.
Die Positionierung kann auch beispielsweise über Doppelstifte, T-Nut oder Nut/Feder Geometrien an den einzelnen Bauteilen erfolgen. So ist beispielsweise auch eine Positionierung mittels wie in den Figuren 4b, 4c, 4d dargestellter Nuten und Federn denkbar. Die endgültige Festigkeit ergibt das zusätzliche Umspritzen mit der Umspritzung 60.
In Figur 6a bis 6f sind mehrere denkbare Verankerungen der elektrischen Kontakte 64 in dem Steckerteil 50 dargestellt. Wesentlich ist dabei, dass die elektrischen Kontakte 64 Vorsprünge 82 (Figur 6b), und/oder Einkerbungen 83 (Figur 6a) und/oder Ausnehmungen 84 (Figur 6c) aufweisen, welche von der Umspritzung 60 umhüllt, ausgefüllt oder eingenommen werden können, um eine stabile Verankerung der elektrischen Kontakte 64 im Steckerteil 50 sicherzustellen.
Besonders wichtig ist dabei, dass das als Basisträger ausgeführte Innenteil 61 über zylindrische Ausprägungen im elektrischen Anschlussraum 23 Haltekörper 20 positioniert und fixiert wird. Über die Lage der Aufnahmebohrungen im Haltekörper 20 kann die Steckerlage zum Haltekörper 20 definiert werden. Bei diverser Vorgehensweise können die Innenteile 61 , 62, 63 im Hinblick auf den resultierenden Kostenvorteil standardisiert werden. Das als Basisträger ausgebildete Innenteil 61 ist in seiner Geometrie so gestaltet, dass es gemeinsam mit der Umspritzung 60 ein Dichtlabyrinth bildet und gegen Feuchtigkeit von außen abdichtet.
Die im Innenteil 61 angeordneten Bohrungen 70 führen und positionieren die elektrischen Leitungen 42 von einem schmalen Leitungsabstandsmaß auf ein breiteres. Die ist notwendig, da der Bauraum für den zur Verbindung mit den elektrischen Kontakten 64 erforderlichen Abstand zwischen den elektrischen Leitungen 42 im unteren Bereich des Haltekörperoberteils 21 nicht zur Verfügung steht, wohingegen im oberen Bereich des Haltekörperober- teils 21 ausreichend Platz für die Schweißung oder Lötung der Drähte an die elektrischen Kontakte 64 vorhanden sein muss.
Die Umspritzung 60 umhüllt die Innenteile 61 , 62 und 63 sowie einen Teil der elektrischen Kontakte 64 und gibt dem Verband dabei die notwendige Festigkeit. Gleichzeitig werden durch die Umspritzung 60 die eingebrachten Geometrien ausgespritzt und die erforderliche Dichtfunktion somit sicherstellt. Dabei kann je nach spezifischem Anwendungsfall die entsprechende Steckerform in annähernd beliebigen Winkellagen angespritzt werden.
Der Haltekörper 20 kann dabei einteilig, oder zweiteilig mit einem im Wesentlichen an die einbau- und anwendungsspezifische Lage des elektrischen Anschlussraums 23 und des Anschlusses 24 für den Kraftstoff ange- passten Haltekörperoberteil 21 und einem im Wesentlichen an den das Pie- zoelement aufnehmenden Innenraum 30 angepasstes Haltekörperunterteil ausgeführt sein.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Herstellung von Piezoaktoren zur Verwendung in Verbindung mit Einspritzinjektoren für Verbrennungsmotoren gewerblich anwendbar.

Claims

Ansprüche
1. Piezoaktor (1 ;10) umfassend einen einen Innenraum (4;30) aufweisenden Haltekörper (2;20) sowie ein in dem Innenraum (4;30) angeordnetes, durch den Haltekörper (2;20) hindurch elektrisch kontaktierbares Piezo- element, wobei der Haltekörper (2;20) einen oder mehrere Anschlüsse (24) und Strömungskanäle (40) zur Zufuhr eines mittels eines das Pie- zoelement umfassenden Stellglieds dosierbaren Fluids in den Innenraum (30), sowie mindestens einen der elektrischen Kontaktierung des Piezo- elements dienenden elektrischen Anschlussraum (23) mit einem darin angeordneten Steckerteil (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschlussraum (23) und das Steckerteil (50) mehrere umlaufende, miteinander korrespondierende Hintergreifungen (51 , 51 ') und Vorsprünge (52, 52') aufweisen, welche gemeinsam eine labyrinthartige Abdichtung mit mindestens zwei an der Grenze zwischen dem Haltekörper (20) und dem Steckerteil (50) geschlossen umlaufenden Dichtflächen (53, 54, 55, 56) bilden.
2. Piezoaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Dichtfläche (54, 56) für eine Kontraktion des Steckerteils (50) gegenüber dem Haltekörper (20) und mindestens eine Dichtfläche (53, 55) für eine Ausdehnung des Steckerteils (50) gegenüber dem Haltekörper (20) vorgesehen ist.
3. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steckerteil (50) durch Ausspritzen des elektrischen Anschlussraums (23) herstellbar ist.
4. Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steckerteil (50) mehrere modular anordbare, vorgefertigte Innenteile (61 , 62, 63) umfasst.
5. Piezoaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der die am Steckerteil (50) angeordneten, die Dichtflächen (53, 54, 55, 56) bildenden Hintergreifungen (51 , 51 ') und Vorsprünge (52, 52') aufweisende Teil (60) des Steckerteils (50) durch Ausspritzen hergestellt ist.
6. Piezoaktor nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Steckerteil (50) angeordnete, mit der elektrischen Kontaktierung des Pie- zoelements dienenden elektrischen Leitungen (42) verbundene und mit einem in das Steckerteil (50) einsteckbaren elektrischen Stecker kontak- tierbare elektrische Kontakte (64) in das Steckerteil (50, 60) mit eingegossen sind.
7. Piezoaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontakte (64) Verankerungen (82, 83, 84) zur zuverlässigen und mechanisch belastbaren Befestigung in dem Steckerteil (50) aufweisen.
8. Piezoaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerungen an den elektrischen Kontakten angeordnete Vorsprünge (82) und/oder Hintergreifungen (83) und/oder Ausnehmungen (84) umfassen.
9. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer oder mehrere der in dem elektrischen Anschlussraum (23) angeordneten Vorsprünge (52') und Hintergreifungen (51 ') und das jeweils korrespon- dierende Hintergreifungen (51 ) und Vorsprünge (52) aufweisende Teil (60) des Steckerteils (50) durch Ausspritzen, vorzugsweise mit einem Kunststoff, hergestellt wird.
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