Piezoaktor mit einer Steckverbindung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, insbesondere als Piezoinjektor mit optimiertem Bauraum für eine zwischen einem Piezoelement und einem Haltekörper angeordneten elektrischen Steckverbindung, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil, eine Düsennadel oder dergleichen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau eines Piezoaktors bzw. eines Piezoinjek- tors 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 er- folgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der e- lektrischen 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 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 Piezoaktor ist ein Piezoelement, wie erwähnt, als Stapel mehrerer elektrisch miteinander gekoppelter piezokeramischen Schichten aufgebaut, der unter Vor- Spannung 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 Pie- zoaktors 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 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 Stell- glieds, 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 2 ist ein prinzipieller Aufbau eines einstufigen Piezoaktors 1 nach dem Stand der Technik gezeigt, der beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Ein- spritzsystem 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 ein hier nicht dargestelltes Steckerteil vorhanden, durch das mit einer ebenfalls spezifisch an den Anwendungsfall angepassten Steckerausführung die elektrische Spannung zur Ansteuerung eines in einem Innenraum 4 des Haltekörpers 2 angeordneten Piezoelements 3 angeschlossen werden kann.

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 5 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 balli- gen 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 not- wendig, durch den die elektrischen Leitungen zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements 3 geführt sind.

Einbauspezifische Anforderungen an Piezoaktoren können leichter und kostengünstiger mit einem ein Haltekörperoberteil und ein Haltekörperunterteil umfassenden, zweiteiligen Haltekörper erfüllt werden. Dabei ist das Haltekörperoberteil überwiegend an die durch die spezifischen Einbaubedingungen vorgegebenen Randbedingungen angepasst, wohingegen das Haltekörperunterteil überwiegend an die durch die Abmessungen und die Geometrie des Piezoelements und die Strömungsführung des Fluids im Innenraum vorgegebenen Randbedingungen angepasst ist. Stand der Technik ist die in Figur 2 dargestellte elektrische Kontaktierung des Piezoelements über eine hochdruckdichte, glaseingeschmolzene Dichtbuchse im Aktorfuß des Piezoelements. Diese Technik kann in einem zweiteiligen Haltekörper ohne steckbare Verbindung nicht verifiziert werden.

Insbesondere Piezoaktoren mit zweiteiligem Haltekörper setzen voraus, dass die durch das Haltekörperoberteil zum Piezoelement führende elektrische Kontaktierung des Piezoelements als Steckverbindung ausgeführt ist, um die durch das Haltekörperoberteil hindurchführende elektrische Kontaktierung auf Funktion und insbesondere Dichtheit nach Außen gegenüber dem unter hohem Druck in den Innenraum geführten Fluid, beispielsweise einem Kraftstoff, testen zu können. Das sich hieraus ergebende Problem ist, dass insbesondere bei immer kleiner ausgeführten Piezoaktoren in dem sehr kleinen zur Verfügung stehenden Bauraum nur sehr schwer eine zuverlässige und sichere elektrische Steckverbindung

herstellbar ist. Das Problem wird weiter dadurch verschärft, dass im Bereich der durch den Haltekörper bzw. durch das Haltekörperoberteil hindurchführenden e- lektrischen Kontaktierung des Piezoelements auch noch der oder die Strömungskanäle zur Zufuhr des mittels des Piezoaktors dosierbaren Fluids angeordnet sind. Bei einer typischen Ausführung eines als Einspritzinjektor verwendeten Piezoaktors, bei der die äußeren elektrischen Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements in axialer Verlängerung des Piezoelements angeordnet sind, und der Anschluss für den zu dosierenden Kraftstoff seitlich am Haltekörper bzw. am Haltekörperoberteil angeordnet ist, kreuzt der den Anschluss für den Kraftstoff mit dem Innenraum verbindende Strömungskanal die elektrische Kontaktierung. Hieraus ergeben sich bedingt durch die insbesondere im Bereich des Haltekörperoberteils geringen Abmessungen des Piezoaktors und den damit nur geringen zur Verfügung stehenden Bauraum Probleme bei der Ausgestaltung einer sicheren und zuverlässigen elektrischen Kontaktierung im Bereich der Steck- Verbindung.

Offenbarung der Erfindung

Die sich aus den Problemen des Standes der Technik ergebenden Nachteile werden bei einem erfindungsgemäßen Piezoaktor der eingangs genannten Gattung vermieden, indem der den Innenraum und den Anschluss für das Fluid verbindende Strömungskanal gegenüber durch den Haltekörper hindurch führenden, im Wesentlichen die elektrische Kontaktierung bildenden elektrischen Leitungen radial nach außen versetzt und im Wesentlichen parallel zu diesen verlaufend angeordnet ist, und dass eine das Piezoelement mit den elektrischen Leitungen ver- bindende elektrische Steckverbindung zwischen Haltekörper und Piezoelement angeordnet ist. Durch den parallel zu den durch den Haltekörper hindurchführenden elektrischen Leitungen angeordneten Strömungskanal wird der zur Verfügung stehende Bauraum im Haltekörper zur Anordnung der elektrischen Steckverbindung gegenüber dem Stand der Technik vergrößert. Der erfindungsgemäße Piezoaktor weist bei einer Verwendung als Piezoinjektor gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass durch die achsparallele Anordnung des Strömungskanals zu den elektrischen Leitungen im Haltekörper

oberhalb des Innenraums viel Bauraum für eine funktionssichere und robuste e- lektrische Steckverbindung zwischen dem Piezoelement und den im Haltekörper angeordneten elektrischen Leitungen verbleibt. Der gegenüber dem Stand der Technik größere zur Verfügung stehende Bauraum gestattet die Verwendung von Steckern und Buchsen mit größeren Durchmessern, so dass generell Pins, Kontakthülsen und die elektrischen Leitungen bildende Drähte mit größeren Durchmessern ausgelegt werden können. Dadurch werden die elektrischen Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf geringeren Spannungsabfall und geringere Ll- bergangswiderstände im Bereich der Steckverbindung nachhaltig verbessert. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der den Anschluss für das zu dosierende Fluid mit dem Innenraum verbindende Strömungskanal im Wesentlichen parallel zu der durch die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden, die zweipolige elektrische Kontaktierung herstellenden elektrischen Leitungen gebildeten, den Haltekörper axial zu dem Piezoelement teilenden Ebe- ne verläuft.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Haltekörper zweiteilig ausgeführt ist, und die elektrische Steckverbindung, der Strömungskanal sowie die Anschlüsse für die elektrische Kontaktierung und das Fluid in einem den Innenraum von einer Seite her stirnseitig begrenzenden Haltekör- peroberteil angeordnet sind, und der das Piezoelement aufnehmende Innenraum im Wesentlichen von einem Haltekörperunterteil gebildet wird. Dabei ist denkbar, dass das Piezoelement an einer den Innenraum stirnseitig begrenzenden Stirnwand des Haltekörperoberteils des zweiteiligen Haltekörpers angeordnet ist.

Eine zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der An- Schluss für die elektrische Kontaktierung im Wesentlichen axial zu dem in dem Innenraum angeordneten Piezoelement angeordnet ist, und der Anschluss für das Fluid unter einem Winkel gegenüber der Längsachse des Piezoelements angeordnet ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Steckverbindung in dem Haltekörper angeordnete Buchsen, sowie an dem Piezoelement angeordnete Stecker umfasst. Dabei ragen die Stecker des Piezoelements aus diesem heraus, so dass die Steckverbindung nach dem Zusammen-

bau des Piezoelements mit dem Haltekörper vollständig in dem Haltekörper angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, dass die Buchsen aus mit den beispielsweise aus Einzeldrähten bestehenden elektrischen Leitungen elektrisch leitfähig verbundene Hülsen umfassen. Eine zusätzliche, besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Piezoelement einen den Piezolagen-Stapel in Richtung des Haltekörpers abschließenden Aktorfuß umfasst, wobei der Aktorfuß mit dem Haltekörper, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung oder mittels einer Klebeverbindung fest verbindbar ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Piezoaktor mit einem ein Haltekörperoberteil und ein Haltekörperunterteil umfas- senden, zweiteiligen Haltekörper und in dem Haltekörperoberteil achsparallel zu den der elektrischen Kontaktierung des Piezoelements dienenden elektrischen Leitungen verlaufendem, den Innenraum mit dem Anschluss für das zu dosierende Fluid verbindenden Strömungskanal, sowie Figur 2 einen Piezoaktor nach dem Stand der Technik.

Ausführungsform(en)der Erfindung

Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Piezoaktors zur Verwendung als Common-Rail Einspritzinjektor mit direkter Nadelsteuerung beschrieben. Ein in Figur 1 dargestellter erfindungsgemäßer Piezoaktor 10 besteht im Wesentlichen aus einem zweiteiligen, einen Innenraum 40 aufweisenden Haltekörper 20, sowie aus einem in dem Innenraum 40 angeordneten, durch den Haltekörper 20 hindurch elektrisch kontaktierbaren Piezoelement 30. Das Piezoelement umfasst mehrere zu einem Stapel 31 angeordnete Piezolagen. Der Haltekörper 20 um- fasst ein Haltekörperoberteil 21 , sowie ein Haltekörperunterteil 22.

Das Haltekörperoberteil 21 weist einen Anschlussraum 23 für einen elektrischen Anschluss zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements 30 mittels durch den Haltekörper 20, genauer durch das Haltekörperoberteil 21 hindurch geführten e- lektrischen Leitungen 42 auf. Darüber hinaus weist das Haltekörperoberteil 21 einen Anschlussraum 24 zur Zufuhr eines mittels eines das Piezoelement 30 umfassenden Stellglieds dosierbaren Kraftstoffs in den Innenraum 40, sowie einen von dem Anschlussraum 24 in den Innenraum 40 führende Strömungskanal 41 auf. Dabei ist der elektrische Anschlussraum 23 in axialer Verlängerung des Piezoelements 30 angeordnet. Die elektrischen Leitungen 42 verlaufen somit koaxial zu der Längsachse des Piezoelements 30. Der Strömungskanal 41 ist gegenüber den durch das Haltekörperoberteil 21 hindurch führenden, im Wesentlichen die elektrische Kontaktierung bildenden elektrischen Leitungen 42 radial nach außen versetzt und im Wesentlichen parallel zu diesen verlaufend angeordnet. In Figur 1 ist der achsparallele Strömungskanal 41 gegenüber den elektrischen Leitungen 42 um 90° gedreht dargestellt. In einem um 90° gedrehten Längsschnitt durch den Piezoaktor 10 wäre zu erkennen, dass der Strömungskanal 41 im Wesentlichen parallel zu einer durch die elektrischen Leitungen 42 gebildeten, den Halte- körper 20 axial zu dem Piezoelement 30 teilenden Ebene verläuft. Dadurch verbleibt viel Bauraum im Haltekörperoberteil 21 für die elektrische Kontaktierung des Piezoelements 30.

Der Strömungskanal 41 mündet in den zwischen dem Piezoelement 30 und dem das Piezoelement 30 konzentrisch umhüllenden Haltekörperunterteil 22 verblei- benden Ringraum des Innenraums 40. Im Betrieb ist somit das eine in ihren In- nenquerschnittsabmessungen den Außenquerschnittsabmessungen des Piezoelements 30 entsprechende Isolationshülse 32 umfassende Piezoelement 30 von dem durch den verbleibenden Ringraum des Innenraums 40 strömenden Kraftstoff umgeben. Eine derartige Anordnung wird als nasse Anordnung bezeichnet. Das Haltekörperunterteil 22 bildet im Wesentlichen den das Piezoelement 30 konzentrisch aufnehmenden Innenraum 40. Das Haltekörperunterteil 22 begrenzt dabei den Innenraum 40 radial, und legt damit die Länge und den Querschnitt des

Innenraums 40 im Wesentlichen fest. Das Haltekörperoberteil 21 begrenzt den Innenraum 40 von einer Seite her stirnseitig. Im Haltekörperoberteil 21 sind im Wesentlichen die elektrischen Leitungen 42, der Strömungskanal 41 sowie die Anschlussräume 23, 24 angeordnet. Das Piezoelement 30 ist mittels einer elektrischen Steckverbindung 50 mit den in dem Haltekörperoberteil 21 angeordneten Leitungen 42 elektrisch verbunden.

Die elektrische Steckverbindung 50 ist dabei zwischen dem Haltekörperoberteil 21 und dem Piezoelement 30 angeordnet. Das Piezoelement 30 umfasst einen, den nicht näher dargestellten Piezolagen-Stapel 31 in Richtung des Haltekörper- Oberteils 21 stirnseitig abschließenden Aktorfuß 80, an dem den piezoelementsei- tigen Teil der Steckverbindung 50 bildende Steckpins 34 angeordnet sind, sowie eine zwischen Aktorfuß 80 und dem Piezolagen-Stapel 31 angeordnete keramische Isolation 81. Elektroden 44 dienen der inneren Kontaktierung der Piezola- gen. Im Bereich des Aktorfußes 80 sind die Elektroden 44 umhüllende Keramik- hülsen 82 angeordnet. Der haltekörperseitige Teil der Steckverbindung 50 ist in einer den Innenraum 40 stirnseitig begrenzenden Stirnwand 43 des Haltekörperoberteils 21 angeordnet.

Die elektrische Steckverbindung 50 besteht aus den an dem Piezoelement 30 angeordneten Steckpins 34, welche mit Isolierringen 33 versehen sind. Im Halte- körperoberteil 21 sind das Gegenstück zu den Steckpins 34 bildende Kontakthülsen 51 , 51 ^' angeordnet. Die Kontakthülsen 51 , 51 ^' sind mit an den elektrischen Leitungen angeordnete Steckpins 61 elektrisch leitend verbunden. Die der Steckverbindung 50 abgewandten, freien Enden 45 der elektrischen Leitungen 42 sind mit Isolierungen 46 versehen und können in dem Anschlussraum 23 mit einem Stecker kontaktiert werden.

Zur Herstellung des haltekörperseitigen Teils der Steckverbindung 50 werden die Kontakthülsen 51 , 51 ^' mit den Isolierungen 52, 52 ^' in das Haltekörperoberteil 21 eingebracht, wobei die Isolierhülsen 52, 52 ^' mit dem Haltekörperoberteil 21 bei Bedarf verklebt werden können. In dem Haltekörperoberteil 21 sind darüber hin- aus mit Glas eingeschmolzene Dichtbuchsen 60, die aus den Teilen Steckpin 61 , Glaseinschmelzung 62, kegelförmiger Stahlhülse 63 und einem aufgeschrumpften Isolierring 64 bestehen, hydraulisch verpresst. Dadurch wird eine zuverlässige

Abdichtung des unter hohem Druck in den Innenraum 40 geleiteten Kraftstoffs gegenüber der Umgebung erzielt.

Alternativ dazu können die in dem Haltekörperoberteil angeordneten, mit den e- lektrischen Leitungen 42 und den Kontakthülsen 51 elektrisch leitend verbunde- nen Steckpins 61 auch von dem die elektrischen Leitungen bildenden Draht 61 ^' gebildet werden, der direkt mit der jeweiligen Kontakthülse 51 ^' elektrisch leitend verbunden ist. Ein derartiger Steckpin kann kostengünstiger hergestellt werden.

Zur weiteren Verbesserung der Abdichtung des Innenraums 40 gegenüber der Umgebung ist das Piezoelement 30 an der den Innenraum 40 stirnseitig begren- zenden Stirnwand 43 des Haltekörperoberteils 21 fest angeordnet. Zur festen Anordnung des Piezoelements 30 an der Stirnwand 43 des Haltekörperoberteils 21 dient eine den Aktorfuß 80 fest mit der Stirnwand 43 verbindende Schweißverbindung 90.

Alternativ kann das Piezoelement 30 auch mittels einer Klebeverbindung zwi- sehen Aktorfuß 80 und Stirnwand 43 fest mit dem Haltekörperoberteil 21 verbunden werden.

Durch eine feste, umlaufende Verbindung, wie etwa durch die Schweißverbindung 90, wird eine Abdichtung der Steckverbindung 50 gegenüber dem unter hohem Druck mit Kraftstoff gefüllten Innenraum 40 erreicht. Wichtig ist zu bemerken, dass durch die achsparallele Anordnung des Strömungskanals 41 im Haltekörperoberteil 21 viel Bauraum zur Herstellung einer funktionssicheren und robusten Steckverbindung 50 verbleibt. Der größere zur Verfügung stehende Bauraum gestattet gegenüber dem Stand der Technik eine Verwendung von die elektrische Steckverbindung 50 bildenden Steckpins 34, 61 , 61 ^' , Kontakthülsen 51 , 51 ^' , und die elektrischen Leitungen 42 bildenden Drähten mit größeren Durchmessern. Dadurch wird eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf einen geringeren Spannungsabfall und geringere übergangswiderstände sowie eine höhere Robustheit erreicht.

Beispielsweise bei einem hohen Strombedarf des Piezoelements 30 oder auf- grund eines beispielsweise aufgrund von Oxidation hervorgerufenen hohen Ll- bergangswiderstands kann die Steckerverbindung 50 zusätzlich mit einem per

Induktionslötung verlötbaren Weichlotring 53 oder mit einem Leitkleber versehen werden.

Vorzugsweise weist die Steckverbindung 50 und/oder das Piezoelement 30 und/oder das Haltekörperoberteil 21 Farbmarkierungen zur Erkennung der Polari- tat und/oder der lagerichtigen Anordnung des Piezoelements 30 relativ zur Stirnseite 43 des Haltekörperoberteils 21 auf.

Das Piezoelement 30 wird über Farbmarkierung lagerichtig mit dem Haltekörperoberteil 21 zusammengefügt und verschweißt.

Durch die zwischen dem Haltekörperoberteil 21 und dem Piezoelement 30 ange- ordnete elektrische Steckverbindung 50 ist die Stelle der Anordnung des Piezoelements 30 an der den Innenraum 40 des Haltekörpers 20 begrenzenden Stirnwand 43 insbesondere im Hinblick auf den Herstellungsprozess wesentlich einfacher zugänglich, als nach dem Stand der Technik. Darüber hinaus kann die Dichtigkeit der im Haltekörperoberteil 21 angeordneten elektrischen Kontaktierung ve- rifiziert werden.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Herstellung von Piezoaktoren zur Verwendung in Verbindung mit Einspritzinjektoren für Verbrennungsmotoren ge- werblich anwendbar.