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EP 1 972 778 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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18.11.2009 Patentblatt 2009/47 |
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Anmeldetag: 13.03.2008 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC):
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Kabeldurchführungen für ein Piezoaktormodul
Cable duct for a piezo actuator module
Passages de câbles pour un module de piézoacteur
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Benannte Vertragsstaaten: |
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DE FR GB IT |
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Priorität: |
19.03.2007 DE 102007012921
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Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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24.09.2008 Patentblatt 2008/39 |
(73) |
Patentinhaber: Robert Bosch GmbH |
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70442 Stuttgart (DE) |
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Erfinder: |
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- Winkler, Jochen
73730 Esslingen (DE)
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Entgegenhaltungen: :
EP-A- 1 758 237 WO-A-2007/023046
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EP-A- 1 849 991 DE-A1-102005 039 550
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
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.
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.
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.
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.
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