Verfahren und Vorrichtung zur Kontaktierung eines piezoelek¬ trischen Aktors

Die Erfindung geht von einem Verfahren sowie von einer Vor¬ richtung zur Kontaktierung eines piezoelektrischen Aktors nach der Gattung der nebengeordnete Ansprüche 1 und 7 aus. Es ist schon bekannt, dass beispielsweise bei Kraftstoffinjekto- ren für die Einspritzung von Benzin oder Diesel in einen Verbrennungsmotor piezoelektrische Aktoren verwendet werden, die als Stapelaktor ausgebildet sind. Ein derartiger Stape¬ laktor wird zur Erzeugung eines möglichst großen Stellweges mit mehr als 300 übereinander gestapelten Piezo-Keramik- schichten aufgeschichtet, zwischen denen jeweils eine Metall¬ elektrode angeordnet ist. Zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in jeder Piezo-Keramikschicht sind die Metallelektro¬ den wechselweise mit zwei streifenförmig ausgebildeten Außen¬ metallisierungen verbunden, die an einer äußeren Randfläche des Stapelaktors angeordnet sind. Zur besseren Handhabung sind an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Stapelaktors zwei Kontaktpins vorgesehen. Die Kontaktpins sind über viele parallel geschaltete sehr dünne Kontaktdrähte mit den Außen¬ metallisierungen verlötet, die mit einer Wickeltechnik aufge- bracht werden. Der Stapelaktor wird danach zur Positionierung in einem Gehäuse und zum Schutz gegen Spannungsüberschläge mit einer Silikonmasse blasenfrei vergossen, die auch die Re¬ lativbewegung zwischen dem Stapelaktor und den Kontaktpins aufnehmen muss.

Der Montagevorgang für den Kontaktdraht ist relativ schwierig durchzuführen, da der Kontaktdraht mit nur ca 60 μm sehr dünn und empfindlich ist. Des weiteren können am Kontaktdraht ins¬ besondere beim Umwickeln des Stapelaktors durch die Kanten des Stapelaktors Knick- und Druckstellen entstehen, die zu Unterbrechungen und damit zu späteren Funktionsfehlern führen können. Für dieses Problem ist noch keine Lösung bekannt ge¬ worden.

Aus der EP 0977284 Al ist schon ein Vielschicht-Piezoaktor bekannt, der aus mindestens zwei piezoelektrischen Einzel¬ schichten besteht, die durch mindestens eine Elektrode an¬ steuerbar sind. Zur besseren Nutzung der verfügbaren zylind¬ rischen Raumform ist vorgesehen, für die einzelnen Piezo- Keramikschichten eine hexagonale Querschnittsgeometrie zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kontaktierung eines piezoelektrischen Aktors zu vereinfachen und die Funk¬ tionssicherheit zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 7 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise der Vor¬ richtung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeord¬ neten Ansprüche 1 und 7 ergibt sich der Vorteil, dass die Querschnittfläche als Polygon mit wenigstens sechs Seitenflä¬ chen ausgebildet ist. Dadurch können in vorteilhafter Weise die beiden Kontaktpins derart angeordnet werden, dass sie in der gleichen Ebene liegen wie die beiden streifenförmigen Au¬ ßenmetallisierungen. Da die über die Außenmetallisierungen und die Kontaktpins gespannten Kontaktdrähte in der gleichen Ebene liegen, können diese beispielsweise über eine Lötstraße sehr einfach und zeitsparend verlötet werden. Des weiteren wird dadurch verhindert, dass die Kontaktdrähte die einzelnen Piezoschichten an unerwünschten Stellen berühren kann. Als besonders vorteilhaft wird auch angesehen, dass zwei Hilfs- pins verwendet werden, die an zwei weiteren Seiten des Stape¬ laktors angeordnet sind. Durch die Hilfspins kann der Kon¬ taktdraht beim Umwickeln des Stapelaktors leicht geführt wer¬ den so dass er nicht an den scharfen Ecken und Kanten des Stapelaktors anliegt und dabei beschädigt werden kann. Auch erleichtern die beiden Hilfspins den Wickelvorgang, da der Kontaktdraht mit einer gleichmaßigen Zugspannung ahnlich wie bei einer Spule über die Hilfspins gewickelt werden kann.

Bei der Vorrichtung nach Anspruch 7 ist ein Käfig vorgesehen, bei dem an einer geeigneten Stelle die beiden Kontaktpins und Hilfspins angeordnet sind. Dadurch vereinfacht sich die An¬ bringung des Kontaktdraht weiter. Auch lassen sich sehr ein¬ fach die beiden Kontaktpins an dem Käfig so positionieren, dass sie in der Ebene der Außenmetallisierungen liegen. Da der Käfig auch zur Aufnahme und Fixierung des Stapelaktors ausgebildet ist, kann nun der Kontaktdraht sehr zuverlässig in der gewünschten Weise um den Stapelaktor und den Käfig ge¬ wickelt werden. Darüber hinaus erleichtert der Käfig das Handling des Stapelaktors beim Umwickeln mit dem Kontakt- draht.

Durch die in den abhangigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüche 1 und 7 angegebenen Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung gegeben. Als besonders vor¬ teilhaft wird angesehen, dass die nach dem Verlöten nicht be¬ notigten Drahtteile einfach abgeschnitten werden können. Üb¬ rig bleiben dann nur die Drahtverbindungen zwischen den Au- ßenmetallisierungen und den zugeordneten Kontaktpins. Die Hilfspins werden ebenfalls nicht mehr benotigt. Sie können jedoch im Käfig verbleiben, falls es gewünscht ist und werden ebenfalls mit der Silikonmasse vergossen.

Zum Abschneiden der überflüssigen Kontaktdrahte kann vorzugs- weise ein Laser verwendet werden. Der Laser schneidet die Kontaktdrahte an den Lotstellen der Außenmetallisierungen und den Kontaktpins ab, so dass die verbliebenen Kontaktdrahte durch den Schneidevorgang nicht beschädigt werden.

Eine gunstige Lösung wird auch darin gesehen, dass der Käfig beispielsweise durch entsprechend angebrachte Bohrungen die Kontaktpins aufnimmt und sie in ihrer Position fixiert. Eben- so kann der Stapelaktor im Käfig fixiert werden, so dass er beim Umwickeln mit dem Kontaktdraht nicht seine Position ver¬ ändern kann. Das ist besonders wichtig, um den Kontaktdraht mit konstanter Spannung wickeln zu können.

Zur Optimierung der Querschnittsfläche wird vorzugsweise eine achteckige Flächengeometrie verwendet, da bei dieser Geome¬ trie die Kontaktpins sehr leicht in der Ebene der Außenmetal¬ lisierungen angeordnet werden können.

Bei der Vorrichtung wird als vorteilhaft angesehen, dass der Käfig aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist, in dem die beiden Hilfspins integriert sind. Dadurch sind die beiden Hilfspins ohne nennenswerten Kostenaufwand herstellbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen Stapelaktor mit zwei Kontaktpins und zwei Hilfspins, die von einem Kontaktdraht umwickelt sind,

Figur 2 zeigt den Stapelaktor nach dem Abtrennen der nicht benötigten Kontaktdrähte und

Figur 3 zeigt einen Käfig in dreidimensionaler Ansicht.

In Figur 1 ist in Draufsicht ein piezoelektrischer Aktor 1 dargestellt. Der piezoelektrische Aktor 1 ist vorzugsweise als Stapelaktor ausgebildet, der aus einer Vielzahl von über¬ einander angeordneten, beispielsweise mehrere hundert Piezo- Keramikschichten aufgebaut ist. Zwischen den einzelnen Piezo- Keramikschichten sind Metallelektroden angeordnet. Die Me¬ tallelektroden sind an zwei geschliffenen Seiten 3 abwech- selnd mit einer der beiden vertikal verlaufenden streifenför¬ migen Außenmetallisierungen 4 verbunden. Die Querschnittsfläche des Stapelaktors 1 weist eine acht¬ eckige Geometrie auf, so dass sich am Umfang des Stapelaktors 1 insgesamt acht Seiten ergeben. An einer oberen und unteren Seite des Stapelaktors 1 sind die beiden streifenförmigen Au- ßenmetallisierungen 4 angeordnet. An den beiden Seiten links oben und rechts unten in Figur 1 sind zwei Kontaktpins 2 er¬ kennbar. Rechts oben und links unten sind die beiden Hilfs- pins 7 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind sowohl die Kontaktpins 2 als auch die Hilfspins 7 so platziert, dass der Kontaktdraht 5 wie bei einer Spule um den Stapelaktor 1 gewi¬ ckelt werden kann, ohne dass er an den Kanten des Aktors 1 geknickt wird. Es würde auch genügen, lediglich die Kontakt¬ pins 2 so zu fixieren, dass der Kontaktdraht 5 knickfrei zwi¬ schen den Außenmetallisierungen 4 und den zugeordneten Kon- taktpins 2 gewickelt werden kann. Für eine sichere Kontaktie- rung und um den Einfluss von Polungsrissen zu eliminieren ist beispielsweise vorgesehen, den Kontaktdraht 5 etwa 60 mal um den Stapelaktor 1 zu wickeln.

Um eine optimale Positionierung des Kontaktpins 2 und auch der Hilfspins 7 zu erhalten, ist alternativ vorgesehen, we¬ nigstens eine sechseckige Querschnittsfläche für den Stape¬ laktor 1 zu verwenden.

Wie Figur 1 weiter entnehmbar ist, ist der Stapelaktor 1 in einem Käfig 10 zentriert angeordnet und dort in seiner Posi¬ tion fixiert. Zur Aufnahme der beiden elektrisch leitenden Kontaktpins 2 sind entsprechende Bohrungen in dem Käfig 10 vorgesehen, deren Positionen auf die gleiche Ebene der Außen- metallisierungen 4 abgestimmt sind. Durch die jeweils gleiche Ebene lässt sich der Kontaktdraht 5 nicht nur knickfrei span¬ nen, sondern auch sehr einfach, beispielsweise auf einer Löt¬ strasse automatisch mit den Außenmetallisierungen 4 und den Kontaktpins 2 verlöten. Des weiteren sind an gegenüberliegen- den Seiten zwei weitere Bohrungen zur Aufnahme der beiden Hilfspins 7 erkennbar. Figur 1 zeigt den fertig gelöteten Stapelaktor 1. In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die beiden Hilfspins in dem Käfig 10 zu integrieren, wie spä¬ ter noch zu Figur 3 näher erläutert wird.

Figur 2 zeigt den in Figur 1 dargestellten Stapelaktor 1 in Draufsicht. In diesem Fall wurden nach dem Verlöten der Kon¬ taktdrähte 5 mit den Außenmetallisierungen 4 und den Kontakt¬ pins 2 die nicht benötigten Drahtreste entfernt. Des weiteren wurden die nicht mehr benötigten Hilfspins 7 entfernt. In diesem Zustand ist die Vorrichtung fertig, um im nächsten Ar¬ beitsschritt den Käfig 10 mit dem Stapelaktor 1 und den bei¬ den Kontaktpins 2 mit der Silikonmasse zu vergießen. Um einen späteren Zugang zu den Kontaktpins 2 zum Anlegen der Steuer- Spannung zu erhalten, müssen beim Vergießen entsprechende Kontaktflächen der beiden Kontaktpins 2 freigehalten werden. Zum Vergießen wird vorzugsweise eine in Figur 2 nicht darge¬ stellte Hülse verwendet, so dass die Vorrichtung blasenfrei vergossen werden kann. Das Vergussmaterial muss außerdem die Relativbewegung zwischen dem Stapelaktor 1 und der Umgebung aufnehmen.

Figur 3 zeigt eine alternative erfindungsgemäße Lösung für den Käfig 10. Der Käfig 10 ist vorzugsweise aus einem Kunst- Stoffmaterial zur Aufnahme eines achteckigen Stapelaktors 1 hergestellt. Die beiden Seitenteile 12 tragen einen oberen und einen unteren Ring 13, durch die der Stapelaktor 1 fi¬ xierbar ist. In dem oberen und unteren Ring 13 sind jeweils vier Bohrungen 11 eingebracht, die zur Aufnahme der beiden Kontaktpins 2 und der Hilfspins 7 dienen. Alternativ ist vor¬ gesehen, die Hilfspins 7 in den Käfig 10 zu integrieren und den Käfig 10 einstückig herzustellen.