Beschreibung

Piezoaktuator und Verfahren zum Herstellen eines Piezostapels

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktuator für ein Kraftstoffeinspritzventil eines Verbrennungsmotors und ein Verfahren zum Herstellen eines Piezostapels.

Ein Piezoaktuator ist beispielsweise in der DE 102 51 225 Al offenbart. Dieser Piezoaktuator weist ein Gehäuse, einen innerhalb des Gehäuses angeordneten Piezostapel mit Anschlussstiften, eine mit Offnungen zum Durchtritt der Anschlussstifte versehene und auf dem Gehäuse aufgesetzte Kopfplatte und eine an der Kopfplatte aufgesetzte Kontaktbaugruppe für eine elektrische Verbindung der Anschlussstifte mit einem Steckverbinder auf. Der Piezostapel wird aus einem Piezoblock hergestellt und hat einen eckigen, z.B. quadratischen Querschnitt. Das Gehäuse eines Piezoaktuators für ein Kraftstoff- einspritzventil ist in der Regel zumindest in dem Bereich des Piezostapels zylinderförmig, z.B. als Wellrohrabschnitt ausgebildet, wodurch der durch das Gehäuse bereitgestellte Raum für den eckigen Piezostapel relativ schlecht ausgenutzt wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Piezoaktuator derart auszufuhren, dass dessen Piezostapel den vom zylinderförmigen Gehauseabschnitt bereitgestellten Raum besser ausnutzt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Piezostapels anzugeben, das Vorraussetzungen für eine bessere Nutzung des vom zylinderförmigen Gehauseabschnitt bereitgestellten Raums ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelost durch einen Piezoaktuator für ein Kraftstoffeinspritzventil, aufweisend ein Gehäuse und einen in einem zylinderförmigen Abschnitt des Gehäuses angeordneten kreiszylinderformigen Piezostapel. Allgemein entsteht ein Kreiszylinder durch Verschiebung eines Kreises parallel zu einer Geraden durch den Kreismittelpunkt des Kreises, der Achse, die nicht in der Ebene des Kreises liegt. Der Kreiszy-

linder wird begrenzt von zwei parallelen Kreisflächen und der Mantelfläche. Durch den erfindungsgemäßen zylinderförmigen Piezostapel ist es möglich, dass der Abstand zwischen der Mantelfläche des Piezostapels in einer Querschnittsebene im Wesentlichen überall gleichen zur Mantelfläche des zylinderförmigen Gehäuseabschnitts ist. Dadurch nützt der erfindungsgemäße kreiszylinderförmige Piezostapel den Raum des zylinderförmigen Gehäuseabschnitts besser aus als ein üblicher e- ckiger Piezostapel. Der erfindungsgemäße zylinderförmige Pie- zostapel wird z.B. hergestellt, indem er mit einem Kronenbohrer aus einem fertig geschichteten und gepressten Piezoblock geschnitten wird.

Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezoaktua- tors wird der Piezostapel mit einer ersten und einer zweiten Kontaktierung kontaktiert. Diese sind insbesondere an der Mantelfläche und bevorzugt gegenüberliegend an der Mantelfläche des kreiszylinderförmigen Piezostapels angeordnet. Wenigstens einer der beiden Kontaktierungen kann entlang der gesamten Höhe des kreiszylinderförmigen Piezostapels an der Mantelfläche verlaufen. Die Kontaktierungen sind beispielsweise als Metallbeschichtung auf der Mantelfläche des Piezostapels ausgeführt. Auf dieser Metallbeschichtung kann eine zusätzliche, in Längsrichtung elastische Kontaktierung z.B. durch Bonden von Drahtbrücken aufgebracht werden, die durch den Betrieb eventuell entstehende Unterbrechungen der Metallbeschichtung überbrückt.

Um die beiden Kontaktierungen besonders Platz sparend an dem Piezostapel anzuordnen, umfasst dieser nach einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Piezoaktuators eine erste Freistellung in der Mantelfläche des Piezostapels, in der die erste Kontaktierung angeordnet ist, und/oder eine zweite Freistellung in der Mantelfläche des Piezostapels, in der die zweite Kontaktierung angeordnet ist. Die erste Freistellung bzw. die zweite Freistellung ist bevorzugt derart tief, dass die entsprechende Kontaktierung innerhalb des durch den Radius des kreiszylinderförmigen Piezostapels bestimmten Raums

verläuft. Somit ist es möglich, den Piezostapel einschließlich der Kontaktierungen innerhalb des Kreisquerschnitts des Piezostapels unterzubringen.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Piezoaktuators ist wenigstens eine Freistellung eben oder konkav und hat insbesondere die Form eines Kreisbogens. Besonders einfach lässt sich ein solcher Piezostapel herstellen, wenn nach einer bevorzugten Ausführungsform der Radius des kreiszylinderförmi- gen Piezostapels im Wesentlichen gleich dem Radius des Kreisbogens der ersten und/oder zweiten Freistellung ist. Wird der Piezostapel z.B. mit dem oben erwähnten Kronenbohrer aus dem fertig geschichteten und gepressten Piezoblock geschnitten, so entspricht der Radius des Piezostapels in etwa dem Radius des Kronenbohrers. Wird ein weiterer kreiszylinderförmiger

Piezostapel aus dem fertig geschichteten und gepressten Piezoblock geschnitten, so ist es möglich, dass der weitere zylinderförmige Piezostapel bereits eine konkave Freistellung aufgrund des bereits aus dem Piezoblock herausgeschnittenen Piezostapels hat, indem die Ausschnittstelle im Piezoblock des weiteren Piezostapels die Ausschnittstelle des vorhergehend ausgeschnittenen Piezostapel teilweise überlappt. Dies erleichtert die Herstellung des erfindungsgemäßen Piezostapels und somit die Herstellung des erfindungsgemäßen Piezoak- tuators, da der Schritt zum Herstellen zumindest einen der Freistellungen nicht durchgeführt werden muss.

Um den erfindungsgemäßen Piezoaktuator elektrisch zu isolieren, kann die Mantelfläche des kreiszylinderförmigen Piezo- stapeis mit einer Passivierungsschicht versehen sein. Insbesondere wenn der erfindungsgemäße Piezoaktuator im Hochdruckraum nahe eines Verbrennungsmotors verwendet wird, dann ist nach einer Variante des erfindungsgemäßen Piezoaktuators dessen kreiszylinderförmiger Piezostapel mit einem Balg insbe- sondere gegen Kraftstoff abgedichtet. Der Balg umfasst z.B. ein Silikon. Somit wird das Volumen einer dazwischenliegenden Füllung minimiert. Dies hat den Vorteil, dass Effekte, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des Pie-

zomaterials und der Füllung (Balg) entstehen, minimiert werden können. Z.B. kann beim Balg die Wandstärke vergrößert werden, da ein geringeres Ausdehnungsvolumen aufgenommen werden muss. Dies erhöht die Robustheit des erfindungsgemäßen Piezoaktuators und erleichtert dessen Fertigung.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Piezostapels, aufweisend folgende Verfahrensschritte: Ausschneiden eines kreiszylinderförmigen Piezostapels z.B. mit einem Kronenbohrer aus einem fertig geschichteten und gepressten Piezoblock, Versehen des Piezostapels mit wenigstens einer Freistellung und Anordnung einer Kontaktierung des Piezostapels im Bereich der Freistellung. Ein solch gefertigter kreiszylinderförmiger Piezostapel ist geeignet für den erfindungsgemäßen Piezoaktuator .

Wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich ein weiterer kreiszylinderförmiger Piezostapel aus dem fertig geschichteten und gepressten Piezoblock ausgeschnitten, so ist es möglich, dass der weitere Piezostapel bereits eine Freistellung aufgrund des bereits aus den Piezoblocks ausgeschnittenen Piezostapels aufweist. Im Bereich dieser Freistellung kann anschließend eine Kontaktierung des weiteren Piezostapels angeordnet werden.

Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in den schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Piezoaktuator,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Piezoaktuator der

Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Piezoaktuator der Fig. 1,

Fig. 4 einen Piezoblock,

Fig. 5 bis 7 einen Piezoblock für den Piezoaktuator der

Fig. 1 während verschiedener Herstellungsstufen,

Fig. 8 einen weiteren Piezostapel,

Fig. 9 und 10 zwei Ansichten eines weiteren Piezostapel und

Fig. 11 und 12 zwei Ansichten eines weiteren Piezostapel.

Die Fig. 1 zeigt einen Piezoaktuator 1 mit einem im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles wellrohrartigen Gehäuse 2 aus Metall und einem auf dem Gehäuse 2 aufgesetzten Kunststoffgehäuse 3 mit einem Stecker 4. Das Kunststoffgehäuse 3 umgibt eine nicht näher dargestellte Kontaktbaugruppe zum An- schluss des Piezoaktuators 1 und schließt das Gehäuse 2 auf einer Seite ab. Das andere Ende des Gehäuses 2 ist mit einer in der Fig. 2 dargestellten Platte oder Membran 5 abgedichtet. Im Bereich der Membran 5 ist in an sich bekannter Weise eine Wirkverbindung zwischen einem in den Fig. 2, 3 und 5 bis 7 dargestellten und innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Piezostapels 6 und einem nicht dargestellten Kraftstoffein- spritzventil vorgesehen, um eine axiale Längsveränderung des Piezostapels 6 auf ein Betätigungsglied eines Einlassventils des Kraftstoffeinspritzventils zu übertragen.

Der Piezostapel 6 ist kreiszylinderförmig ausgeführt und hat eine Höhe h und einen Radius r. Ein Längsschnitt des innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Piezostapels 6 ist in der Fig. 2 und ein Querschnitt des innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Piezostapels 6 ist in der Fig. 3 gezeigt.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles wird der Piezostapel 6 aus einem in de Fig. 4 gezeigten fertig geschich- teten und gepressten Piezoblock 40 der Höhe h mit einem nicht dargestellten Kronenbohrer geschnitten. Der aus dem Piezoblock 40 geschnittenen Piezostapel 6 hinterlässt ein Loch 41 im Piezostapel 40.

Bei dem Piezostapel 6 handelt es sich im Falle des vorliegenden Ausfuhrungsbeispiels um den ersten aus dem Piezoblock 50 geschnittenen Piezostapel 6. Daher hat dieser zunächst die Form eines kompletten Kreiszylinders. Der Piezostapel 6 in diesem Fertigungsstadium ist in der Fig. 5 gezeigt.

Anschließend werden in die Mantelflache des kreiszylinderfor- migen Piezostapels 6 gegenüberliegend jeweils eine Freistel- lung 7, 8 geschnitten, die im Falle des vorliegenden Ausfuhrungsbeispiels über die gesamte Hohe h und parallel zur Langsachse A des Piezostapels 6 verlaufen. Der Piezostapel 6 mit den Freistellungen 7, 8 ist in der Fig. 6 gezeigt. Im Falle des vorliegenden Ausfuhrungsbeispiels sind die Frei- Stellungen 7, 8 konkav in die Mantelflache des Piezostapels 6 geschnitten und haben die Form eines Kreisbogens, dessen Radius dem Außenradius des Kronenohres entspricht, mit dem der Piezostapel 6 aus dem Piezoblock 40 geschnitten wurde. Somit ist der Radius der Kreisbogen der Freistellungen 7, 8 ahnlich groß dem Radius r des kreiszylinderformigen Piezostapels 6.

Anschließend werden die beiden Freistellungen 7, 8 jeweils mit einer Metallbeschichtung und einer nicht naher dargestellten elastischen Uberbruckungskontaktierung versehen, die Kontaktierungen 9, 10 des Piezostapels 6 darstellen. Der Piezostapel 6 einschließlich der schraffiert gekennzeichneten Kontaktierungen 9, 10 ist in der Fig. 7 dargestellt. Die Kontaktierungen 9, 10 sind derart ausgeführt, dass sie innerhalb des Kreisquerschnitts, der durch die kreiszylindrische Form des Piezostapels 6 gegeben ist, untergebracht sind.

Bevor der Piezostapel 6 mit seinen Kontaktierungen 9, 10 in das Gehäuse 2 des Piezoaktuators 1 angeordnet wird, wird der Piezostapel im Falle des vorliegenden Ausfuhrungsbeispiels noch mit einer Passivierungsschicht 30 umgeben, die den Piezostapel 6 vom Gehäuse 2 elektrisch isoliert. Außerdem wird im Falle des vorliegenden Ausfuhrungsbeispiels der Raum zwischen dem Piezostapel 6 und der Innenwandung des Gehäuses 2

mit einem in der Fig. 3 schraffiert dargestellten Balg 31 aus Silikon gefüllt. Der Balg 31 ist insbesondere dafür vorgesehen, den Piezostapel 6 im Betrieb des Piezoaktuators 1 und in Kombination mit einem Einspritzventil eines Verbrennungsmo- tors gegen Kraftstoff des Verbrennungsmotors abzudichten. Somit wird der Raum zwischen der Innenwandung des Gehäuses 2 und dem Piezostapels 6 mit dieser Füllung minimiert.

Aus dem Piezoblock 40 wird nicht nur der Piezostapel 6, son- dern es werden auch weitere Piezostapel, die für weitere Pie- zoaktuatoren, die dem Piezoaktuator 1 entsprechen, geschnitten. Die Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines weiteren aus dem Piezoblock 40 mit dem Kronenbohrer geschnittenen Piezostapel 6 ^λ in seinem Fertigungsstadium direkt nach dem Ausschneiden. Der Piezostapel 6 ^λ ist ebenfalls kreiszylinderförmig und hat denselben Radius r und dieselbe Höhe h wie der Piezostapel 6.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird die Ausschnittstelle 42 im Piezoblock 40 für den in de Fig. 8 ge- zeigten Piezostapel 6 ^λ derart gewählt, dass diese das durch den ausgeschnittenen Piezostapel 6 verursachte Loch 41 im Piezoblock 40 teilweise überdeckt. Die Ausschnittsstelle 42 ist in der Fig. 4 strichliert dargestellt. Somit hat der direkt aus dem Piezoblock 40 ausgeschnittene und in der Fig. 8 gezeigte Piezostapel 6 ^λ bereits eine konkave Freistellung 7 ^λ der Form eines Kreisbogens mit einem dem Außenradius des Kronenbohrers entsprechenden Radius. Die Freistellung 7 ^λ verläuft parallel zur Längsachse des Piezostapels 6 ^λ über dessen gesamte Höhe h und ist für eine der beiden Kontaktierungen des Piezostapels 6 ^λ vorgesehen. Somit ist es nur noch nötig, eine gegenüber der Freistellung 7 ^λ liegende zweite Freistellung in die Mantelfläche des Piezostapel 6 ^λ zu schneiden. Die beiden Freistellungen werden danach jeweils metallbeschichtet, um zwei Kontaktierungen für den Piezostapel 6 ^λ zu erhal- ten.

Die voranstehend beschriebenen Piezostapel 6, 6 ^λ haben konkave Freistellungen 7, 7 ^λ , 8 in ihren Mantelflächen für die

Kontaktierungen 9, 10. Die Figuren 9 und 10 zeigen einen weiteren Piezostapel 106, der keine konkaven Freistellungen 7, 7\ 8 hat.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wurde der Piezostapel 106 ebenfalls mit einem Kronenbohrer aus einem fertig geschichteten und gepressten Piezoblock vergleichbar dem Piezoblock 50 geschnitten. Der Piezostapel 106 hat direkt nach dem Herausschneiden aus dem Piezoblock die Form des in der Fig. 5 gezeigten Piezostapels 6. Anschließend wird der

Piezostapel 106 jedoch nicht mit zwei konkaven Freistellungen 7, 8, sondern mit zwei flachen Freistellungen 107, 108 versehen, wie dies in den Figuren 8 und 9 veranschaulicht ist. Die Freistellungen 107, 108 verlaufen im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels über die gesamte Länge der Mantelfläche des Piezostapels 106 parallel zu dessen Längsachse. Anschließend werden die Freistellungen 107, 108 mit einem Metall beschichtet, wodurch in der Fig. 10 schraffiert dargestellte Kontaktierungen 109, 110 des Piezostapels 106 entstehen.

Die Figuren 11 und 12 zeigen ein weiteres Beispiel eines Piezostapel 116 mit zwei Kontaktierungen 119, 120. Der Piezostapel 116 wurde ebenfalls aus einem Piezoblock geschnitten und ist kreiszylinderförmig. Der Piezostapel 116 hat direkt nach dem Herausschneiden aus dem Piezoblock die Form des in der

Fig. 5 gezeigten Piezostapels 6. Anschließend wird der Piezostapel 116 jedoch nicht mit Freistellungen versehen, sondern es werden parallel zu dessen Längsachse zwei streifenförmige Metallbeschichtungen an dessen Mantelfläche aufgetragen, die die in den Figuren 11 und 12 schraffiert dargestellten Kontaktierungen 119, 120 ergeben.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

So wird beispielsweise der durch das Bohrverfahren, bevorzugt durch Kronbohren, entstehende Span mit Hilfe von Flüssigkeit oder Gas entfernt, wodurch eine hohe Bohrgeschwindigkeit erzielbar ist.

Weiterhin wird vorzugsweise der durch das Ausschneiden des Piezostapels erzielte Radius (r) des zylinderförmigen Piezo- stapels 6, 6' unter Berücksichtigung des durch das Bohrverfahren entstandenen Verschnitts im Wesentlichen gleich dem Radius des Kreisbogens der ersten und/oder zweiten Freistellung 7, 7 ' , 8.

Weiterhin wird vorzugsweise jeweils mindestens ein Anschlussdraht mit der ersten bzw. zweiten Kontaktierung 9,109, 10,110 elektrisch leitend verbunden, wobei der mindestens eine Anschlussdraht im Wesentlichen innerhalb der ersten bzw. zweiten Freistellung 7, 7', 8, 107, 108 109 zur jeweiligen Stirnfläche des Piezoaktuators geführt ist. Dadurch ist ein Platz sparender, vorzugsweise im Querschnitt kreisförmiger Aufbau des Piezoaktors möglich.