Kabeldurchführungen für ein Piezoaktormodul

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft Kabeldurchführungen für die elektrische Kontaktierung in einem Piezoaktormodul gemäß der Gattung des Hauptanspruchs, das beispielsweise in einem Piezoinjektor zur zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann.

[0002] Ein solcher Piezoinjektor besteht im Wesentlichen aus einem Haltekörper und dem im Haltekörper angeordneten Piezoaktor, der zwischen einem Aktorkopf und einem Aktorfuß angeordnete, übereinandergestapelte Piezoelemente aufweist, die jeweils aus mit Innenelektroden eingefassten Piezolagen bestehen. Die Piezoelemente sind unter Verwendung eines Materials mit einer geeigneten Kristallstruktur (Piezokeramik) für die Piezolagen so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren Spannung an die Innenelektroden eine mechanische Reaktion der Piezoelemente erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Der Piezoaktor ist bei einem Piezoinjektor mit einer Düsennadel verbunden, sodass durch Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente eine Düsenöffnung freigegeben oder geschlossen wird.

[0003] Aus der DE 101 39 871 A1 ist ein Piezoinjektor mit einem über einen hydraulischen Druckübersetzer auf ein Ventilglied einwirkenden Piezoaktormodul bekannt, bei dem die Piezoelemente des Piezoaktors in einer Hülsen-Membran-Kombination angeordnet sind. Dabei wird der Piezoaktor innerhalb einer Hülse positioniert und die offenen Enden der Hülse werden durch Schweißnähte verschlossen und es sind an einem Ende (Aktorkopf) ein Stahlbauteil sowie eine Metallmembran angeordnet, wobei sich die Membran an den Hub des Piezoaktors anpasst. An dem anderen Ende befindet sich ebenfalls ein Stahlbauteil (Aktorfuß), durch das über isolierte Zuleitungen die elektrische Kontaktierung der Piezoelemente des Piezoaktors ermöglicht wird.

[0004] Hierbei sind eventuell über Steckerteile Drähte als elektrische Leitungen zu Außenelektroden an den Piezoelementen des Piezoaktors geführt. Insbesondere bei Piezoinjektoren in sogenannten Common-Rail (CR)-Systemen ist hier eine Hochdruckabdichtung zu einem oberhalb des Piezoaktors angeordneten elektrischen Anschlussraum notwendig, durch den die elektrischen Leitungen zur elektrischen Kontaktierung des Piezoinjektors nach außen geführt sind, wobei dies beispielsweise über eine hochdruckdichte, zum Beispiel gegen Drücke von ca. 2000 bar, glaseingeschmolzene Dichtbuchse im Aktorfuß des Piezoaktormoduls erfolgen kann. Die Glaseinschmelzung wird entweder als separates Bauteil in ein Trägerbauteil aus Metall eingepresst oder das Glas wird direkt in das Metallteil eingeschmolzen.

[0005] Nachteilig ist diese Anordnung vor allem deshalb, weil die Pressverbindung nicht vollständig dicht gemacht werden kann und bei der Direktverschmelzung ist das Metallteil weich, dh. es kann nicht vergütet werden.

[0006] Eine weitere Möglichkeit, die darin besteht herkömmliche keramische Bauteile anzuwenden, ist insofern nachteilig, dass bei der Herstellung der notwendigen komplexen Bauteile hohe Oberflächen- und Toleranzanforderungen eingehalten werden müssen und diese sehr teuer sind, da die Nachbearbeitung von solcher Keramik einen sehr hohen Aufwand erfordert, zudem ist die Anbindung der herkömmlichen keramischen Bauteile an die metallischen Bauteile (Aktorfuß) schwer möglich. Weiterhin ist auch eine Endbearbeitung und Vergütung des metallischen Tragerteiles nicht bei allen Varianten möglich.

[0007] Aus dem später veröffentlichten Dokument EP 1849991 A ist ein Piezoaktor bekannt, bei dem Keramikbuchsen mittels Hartlötverbindung am Aktorgehäuse befestigt sind.

Offenbarung der Erfindung

[0008] Die Erfindung geht von eingangs beschriebenen Kabeldurchführungen für ein Piezoaktormodul mit einem Piezoaktor aus, der zwischen einem Aktorkopf und einem Aktorfuß angeordnete Piezoelemente aufweist, wobei im metallischen Aktorfuß isoliert verlaufende Kabel für die elektrische Kontaktierung der Piezoelemente vorhanden sind. Erfindungsgemäß weisen in vorteilhafter Weise die Kabeldurchführungen Buchsen auf, die jeweils aus einem löt- oder verschweißbaren nichtleitendem Material bestehen und außen mit dem metallischen Aktorfuß und/oder innen die metallischen Leiter des Kabels mit den Zuleitungen zu den Piezoelementen verlötet oder verschweißt sind.

[0009] Vorzugweise bestehen die Buchsen aus einem lötbaren Keramikmaterial, zum Beispiel Auminiumoxid.

[0010] Ein solches Piezoaktormodul kann in vorteilhafter Weise Bestandteil eines Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor sein, da hiermit die Notwendigkeit der Verwendung von teuren Sonderbauteilen entfällt und das Risiko von Undichtheit gegenüber der Umgebung, d. h. insbesondere einen Austritt von Kraftstoff vermindert ist. Weiterhin können einfache keramische Massenteile günstig verwendet werden, da die Gewährleistung absoluter Dichtheit und ein Ausgleich von Oberflächentoleranzen durch das Löten erreichbar ist; außerdem können die Metallbauteile (Aktorfuß) auch vergütet werden.

[0011] Die Buchsen können in vorteilhafter Weise einzeln gefertigt sein oder aus Kostengründen auch von einem langen Rundmaterial abgeschert werden. Gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kabeldurchführung sind die Buchsen zylindrisch ausgeführt und in eine korrespondierende Stufenbohrung im metallischen Aktorfuß einfügbar, wobei in vorteilhafter Weise vor dem Einbringen der jeweiligen Buchse ein Lotring in die Stufenbohrung eingebracht werden kann, der bei dem Lötprozess die Lotzufuhr erleichtert.

[0012] Gemäß einer anderen ebenfalls sehr vorteilhaften Ausführungsform werden die Buchsen konisch ausgeführt und dann in eine ebenfalls konische Bohrung im metallischen Aktorfuß eingelegt. Beide Varianten verbessern die Abstützwirkung der Kabeldurchführungen gegen den hohen Druck einer Flüssigkeit im umgebenden Raum.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0013] Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Piezoinjektors mit einem Piezoaktormodul mit Kabeldurchführungen im Längsschnitt und

Figur 2 eine separate Darstellung des Aktorfußes des Piezoaktormoduls nach der Figur 1 mit einer gelöteten konischen Buchse als Bestandteil der Kabeldurchführungen.

Ausführungsform der Erfindung

[0014] In Figur 1 ist eine Anordnung 1 mit einem Piezoaktor 2 gezeigt, die beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Hier im einzelnen nicht gezeigte, aber aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannte Piezoelemente 3 sind Bestandteil des Piezoaktors 2, der weiterhin noch einen Aktorfuß 4 und einen Aktorkopf 5 als metallisches Anbindeteil aus Stahl aufweist. Es sind elektrische Zuleitungen 6 und 7 durch den Aktorfuß 4 geführt, die über Außenelektroden 8 und 9 an hier ebenfalls nicht dargestellten Innenelektroden der Piezoelemente 3 kontaktiert sind. Bei einer Betätigung des Piezoaktors 2 durch eine Spannungsbeaufschlagung der Innenelektroden kann eine hier senkrecht unterhalb des Aktorkopfes 5 befindliche mechanische Anordnung derart betätigt werden, dass hier beispielsweise eine Freigabe einer Düsenöffnung des Einspritzsystems erfolgen kann.

[0015] Die Anordnung 1 mit dem Piezoaktor 2 ist in einem hier nicht gezeigten Injektorkörper eingebaut, wobei der Kraftstoff durch den Innenraum des Injektorkörpers an der Anordnung 1 vorbeigeführt wird. Dieser Kraftstoff kann dann beispielsweise bei einem sogenannten Common Rail System unter dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten Raildruck oder einem anderen vorgebbaren Druck in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden.

[0016] Die Zuleitungen 6 und 7 sind mittels Kabeldurchführungen 10 und 11 durch den Aktorfuß 4 geführt, wobei hier nur schematisch keramische Buchsen 12 und 13 und jeweils eine elektrische Kopplung 14 und 15 zu den hier nicht erkennbaren Anschlussdrähten im nach außen geführten Kabel 16 erkennbar sind.

[0017] In Figur 2 sind die Kabeldurchführungen 10 und 11 im Detail deutlicher zu erkennen. Die Zuleitungen 6 und 7 sind hier in die Buchsen 12 und 13 aus einem nichtleitenden aber lötbaren keramischen Material, beispielsweise Alumiumoxid, geführt und am Ende der Buchsen 12 und 13 mit den Anschlussdrähten des äußeren Kabels 16 vorzugsweise auch durch Löten an den hier nur beispielswiese ausgeführten elektrischen Kopplungen 14 und 15 leitend verbunden. Insbesondere an der Kabeldurchführung 10 nach der Figur 2 ist erkennbar, dass die Buchse 12 aus dem nichtleitenden aber lötbaren keramischen Material über ein Lot 17 mit dem Aktorfuß 4 und über ein Lot 18 die Zuleitung 6 mit dem entsprechenden Anschlussdraht des äußeren Kabels 16 verbunden ist.

[0018] Gemäß einer weiteren hier nicht dargestellten Ausführungsform sind die Buchsen zylindrisch ausgeführt und in eine korrespondierende Stufenbohrung im metallischen Aktorfuß 4 eingefügt, wobei hier vor dem Einbringen der jeweiligen Buchse ein Lotring in die Stufenbohrung eingebracht werden kann, der bei dem Lötprozess die Lotzufuhr erleichtert.

[0019] Mit der Erfindung kann bei den gezeigten Ausführungsbeispielen der Aktorfuß 4 als metallisches Tragerbauteil den Piezoaktor 2 nach der Figur 1 mit einem hier nicht dargestellten Haltekörper verbinden und gewährleistet dabei die elektrische Anbindung des Piezoaktors 2 und dichtet diesen zugleich gegen den hydraulischen Kraftstoffdruck von ca. 2000 bar, der in dem Aktorraum des Piezoaktormoduls um die Anordnung 1 nach der Figur 1 herrscht, gegen die Umgebung ab.

[0020] Der Aktorfuß 4 als metallisches Trägerbauteil muss vor der Oberflächenbearbeitung, in der Regel Schleifen, vergütet werden können, was mit der erfindungsgemäßen Einbringung der keramischen Buchsen 12 und 13 erreicht wird, wobei die Zuleitungen 6 und 7 als Ansteuerung der Piezoelemente 3 des keramischen Piezoaktors 2 positionsgenau geklemmt werden können und die Abdichtung zwischen den Buchsen 12 und 13 sowie zwischen den Buchsen 12 und 13 und dem Aktorfuß 4 über einen Standardlötprozess erfolgt.

Ansprüche

1. Kabeldurchführungen (10,11) für ein Piezoaktormodul mit einem Piezoaktor (2), der zwischen einem Aktorkopf (4) und einem Aktorfuß (5) angeordnete Piezoelemente (3) aufweist, mit im metallischen Aktorfuß (4) isoliert verlaufenden Kabeln (16) und Zuleitungen (6,7) für die elektrische Kontaktierung der Piezoelemente (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Kabeldurchführungen (10,11) ferner Buchsen (12,13) aufweisen, die jeweils aus einem löt- oder verschweißbaren nichtleitendem Material bestehen und außen mit dem metallischen Aktorfuß (4) und innen in den Buchsen (12,13) die metallischen Leiter des Kabels (16) und die Zuleitungen (6,7) miteinander verlötet oder verschweißt sind.

2. Kabeldurchführungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchsen (12,13) aus einem lötbaren Keramikmaterial bestehen.

3. Kabeldurchführungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchsen (12,13) aus Aluminiumoxid bestehen.

4. Kabeldurchführungen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchsen (12,13) zylindrisch ausgeführt sind und in eine korrespondierende Stufenbohrung im metallischen Aktorfuß (4) einfügbar sind.

5. Kabeldurchführungen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchsen (12,13) konisch ausgeführt sind und in eine korrespondierende konische Bohrung im metallischen Aktorfuß (4) einfügbar sind.

6. Verfahren zur Herstellung der Kabeldurchführungen rungen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der jeweiligen Buchse (12,13) ein Lotring in die Stufenbohrung eingebracht ist.

7. Verwendung eines Piezoaktormoduls mit einer Kabeldurchführung (10,11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoaktormodul Bestandteil eines Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor ist.

Claims

1. Cable ducts (10, 11) for a piezo actuator module with a piezo actuator (2), which has piezo elements (3) arranged between an actuator head (4) and an actuator base (5), with cables (16) and leads (6, 7) for the electrical contacting of the piezo elements (3) running in an insulated manner in the metallic actuator head (4), characterized in that the cable ducts (10, 11) also have bushes (12, 13), which each consist of a solderable or weldable nonconducting material and the metallic conductors of the cable (16) and the leads (6, 7) are soldered or welded to one another on the outside with the metallic actuator head (4) and on the inside in the bushes (12, 13).

2. Cable ducts according to Claim 1, characterized in that the bushes (12, 13) consist of a solderable ceramic material.

3. Cable ducts according to Claim 2, characterized in that the bushes (12, 13) consist of aluminium oxide.

4. Cable ducts according to Claim 1, 2 or 3, characterized in that the bushes (12, 13) are cylindrically formed and can be inserted into a corresponding stepped bore in the metallic actuator head (4).

5. Cable ducts according to Claim 1, 2 or 3, characterized in that the bushes (12, 13) are conically formed and can be inserted into a corresponding conical bore in the metallic actuator head (4).

6. Method for producing the cable ducts according to Claim 4, characterized in that a solder ring is introduced into the stepped bore before the introduction of the respective bush (12, 13).

7. Use of a piezo actuator module with a cable duct (10, 11) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo actuator module is a component part of a piezo injector for a fuel injection system in an internal combustion engine.

Revendications

1. Passages de câbles (10, 11) pour un module d'actionneur piézoélectrique, comprenant un actionneur piézoélectrique (2) qui présente des éléments piézoélectriques (3) disposés entre une tête d'actionneur (4) et une base d'actionneur (5), avec des câbles (16) et des lignes (6, 7) pour le contact électrique des éléments piézoélectriques (3) s'étendant de manière isolée dans la tête métallique de l'actionneur (4), caractérisés en ce que les passages de câbles (10, 11) présentent en outre des douilles (12, 13) qui se composent à chaque fois d'un matériau non conducteur brasable ou soudable et qui sont brasées ou soudées à l'extérieur à la tête métallique de l'actionneur (4), et en ce que les conducteurs métalliques du câble (16) et les lignes (6, 7) sont brasés ou soudés ensemble à l'intérieur dans les douilles (12, 13).

2. Passages de câbles selon la revendication 1, caractérisés en ce que les douilles (12, 13) se composent d'un matériau en céramique brasable.

3. Passages de câbles selon la revendication 2, caractérisés en ce que les douilles (12, 13) se composent d'oxyde d'aluminium.

4. Passages de câbles selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisés en ce que les douilles (12, 13) sont réalisées sous forme cylindrique et peuvent être insérées dans un alésage étagé correspondant dans la tête métallique de l'actionneur (4).

5. Passages de câbles selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisés en ce que les douilles (12, 13) sont réalisées sous forme conique et peuvent être insérées dans un alésage étagé correspondant dans la tête métallique de l'actionneur (4).

6. Procédé de fabrication des passages de câbles selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on introduit dans l'alésage étagé une bague de brasage avant le montage de la douille respective (12, 13).

7. Utilisation d'un module d'actionneur piézoélectrique avec un passage de câbles (10, 11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le module d'actionneur piézoélectrique fait partie d'un injecteur piézoélectrique pour un système d'injection de carburant dans un moteur à combustion interne.

Zeichnung