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Verfahren zur Anordnung eines Kontaktpins für ein Piezoelement sowie Hülse und Aktoreinheit - Dokument DE102004011697A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004011697A1 24.11.2005
Titel Verfahren zur Anordnung eines Kontaktpins für ein Piezoelement sowie Hülse und Aktoreinheit
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Adam, Marko, 09126 Chemnitz, DE;
Döllgast, Bernd, 91054 Erlangen, DE;
Sanftleben, Emanuel, 93102 Pfatter, DE
DE-Anmeldedatum 10.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004011697
Offenlegungstag 24.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.11.2005
IPC-Hauptklasse H01L 41/22
IPC-Nebenklasse H01R 13/40   H01L 41/053   H01L 41/047   F02M 51/06   H02N 2/00   
Zusammenfassung Bei der Herstellung einer Aktoreinheit (11), die in einem Kraftstoffinjektor eingebaut werden soll, wird zunächst ein Piezoelement (8) in eine Kunststoffhülse (1) eingeführt. Zur externen Stromzuführung für das Piezoelement (8) sind zwei Kontaktpins (5) vorgesehen, die außerhalb der Kunststoffhülse (1) geführt sind. Um die Position der Kontaktpins (5) insbesondere vor dem Vergießen des Piezoelementes (8) mit der Kunststoffhülse (1) zu fixieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für die Kontaktpins (5) Pinlagerungen (2) vorzusehen, die als Rastverbindungen ausgebildet sind. Die Rastverbindungen (2) sind dabei so ausgeführt, dass sie die Kontaktpins (5) nach ihrer Einführung in die Rastverbindungen in ihrer Position fixieren. In einer speziellen Ausführungsform ist vorgesehen, die Kunststoffhülse (1) als einteiligen Hohlkörper auszubilden, so dass die Montage besonders einfach durchgeführt werden kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft nach Anspruch 1 ein Verfahren zur Anordnung wenigstens eines Kontaktpins an einer Hülse, insbesondere einer Kunststoffhülse, in die ein Piezoelement eingefügt wird. Am oberen und/oder unteren Ende der Hülse ist am äußeren Umfang eine Pinlagerung für den Kontaktpin vorgesehen. Der Kontaktpin ist dabei über einen oder mehrere Kontaktdrähte mit dem Piezoelement elektrisch verbunden. Des weiteren betrifft die Erfindung nach Anspruch 8 eine Hülse zur Aufnahme eines Piezoelementes, das innerhalb der Hülse gelagert ist. Am äußeren Umfang der Hülse sind parallel zur Längsachse der Hülse zwei sich gegenüberliegende Kontaktpins angeordnet, die mittels Kontaktdrähten elektrisch mit dem Piezoelement verbunden sind. Ferner betrifft die Erfindung nach Anspruch 11 einen piezoelektrischen Aktor, der zur Steuerung einer Ventileinheit verwendbar ist, die sich in einem Kraftstoffinjektor befindet.

Bei der Anordnung der Kontaktstifte am äußeren Rand der Hülse besteht das Problem, dass die Kontaktstifte möglichst sicher fixiert werden, damit sie beim nachfolgenden Vergießen der Hülse und dem eingefügten Piezoelement mit Silikon oder einem ähnlichen Material nicht ihre Position verändern. Die exakte Einhaltung einer vorgegebenen Position ist jedoch unbedingt erforderlich, damit die Kontaktpins mit ihren oberen Kontaktflächen nach dem Einbau der Aktoreinheit in den Kraftstoffinjektor für den Anschluss eines elektrischen Steuergerätes gut zugänglich sind. Ferner muss sichergestellt sein, dass die Anschlussteile noch einen genügend großen Isolationsabstand zu benachbarten Metallteilen aufweisen, da an dem Aktor eine relativ hohe Steuerspannung angelegt wird. Eine weitere Schwierigkeit besteht auch darin, dass die Montage der Kontaktpins, an die die Kontaktdrähte zum Piezoelement bereits angelötet sind, etwas mühsam ist, da die Kontaktpins nur sehr lose in den vorgesehenen Bohrungen gehalten werden und daher beim Zusammenfügen der Teile leicht verrutschen können.

Bisher wurden diese Probleme nur unzureichend gelöst. Beispielsweise wurde aus fertigungstechnischen Gründen eine zweiteilige Kunststoffhülse verwendet, die oben und unten über das Piezoelement gestülpt wurde. Durch das Zusammenfügen der beiden Hülsenteile ist die Hülse mechanisch relativ instabil, insbesondere lassen sich die beiden Kontaktpins nur sehr ungenau positionieren. Des weiteren erhöht sich der Aufwand für den Zusammenbau. Auch sind die beiden Kontaktpins am äußeren Rand der Kunststoffhülse in Bohrungen eingeführt, die an der oberen Stirnfläche der Kunststoffhülse angebracht sind. Bei dieser Art der Haltung sind die Kontaktpins relativ beweglich angeordnet, so dass sich beim Vergießen ihre Position leicht ändern kann. Dieses kann dann an der fertig vergossenen Aktoreinheit zu Fehlstellungen der Kontaktpins führen, die nicht mehr korrigierbar sind. Im schlimmsten Fall ist dann die Aktoreinheit nicht verwendbar und auszusortieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Kontaktpins auf einfache Weise am äußeren Rand der Hülse in ihrer Position zu fixieren und dabei den Zusammenbau der Aktoreinheit zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1, 8 und 11 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anordnung wenigstens eines Kontaktpins an einer Hülse, in der ein Piezoelement eingefügt ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise bei der Hülse nach Anspruch 8 und dem piezoelektrischen Aktor nach Anspruch 11 ergibt sich der Vorteil, dass der wenigstens eine Kontaktpin von einer Pinlagerung aufgenommen wird, die als Rastverbindung ausgebildet ist. Durch die Rastverbindung erhält der Kontaktpin einen sicheren Halt und ist so auf einfache Weise gegen ein Verschieben in axialer oder radialer Richtung fixiert. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass der Kontaktpin seitlich eingeklipst werden kann. Dieses erleichtert die Einführung des Kontaktpins erheblich, da der Kontaktpin in der Regel mit vielen dünnen Kontaktdrähten verlötet ist, die an ihrem zweiten Ende mit dem Piezoelement verbunden sind. Diese Kontaktdrähte sind sehr empfindlich und können bei unvorsichtiger Handhabung leicht brechen.

Bei dem piezoelektrischen Aktor erscheint besonders vorteilhaft, dass die Hülse einteilig ausgebildet ist. Sie kann beispielsweise mit entsprechender Festigkeit leicht im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Die Hülse ist dadurch formstabil, ist leicht zu handhaben, so dass die Kontaktpins in den Rastverbindungen sicher fixiert werden können.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüche 1, 8 und 11 angegebenen Verfahrens beziehungsweise der Hülse und dem piezoelektrischen Aktor gegeben. Eine besondere günstige Lösung wird darin gesehen, dass am äußeren Rand der Hülse eine obere Pinlagerung vorgesehen ist, die eine Einführhilfe aufweist. Diese Einführhilfe ist keilförmig ausgebildet, so dass der Kontaktpin auf sehr einfache Weise seitlich eingeführt und verrastet werden kann. Durch die Verrastung wird der Kontaktpin ist seiner Position besonders sicher fixiert.

Als vorteilhaft wird auch die Lösung angesehen, das bei einer unteren Pinlagerung eine Auflage vorgesehen ist, durch die der Kontaktpin gegen Druck von oben gesichert ist. Gleichzeitig dient die Auflage in vorteilhafter Weise als Isolierung gegen sich darunter befindliche Metallteile.

Um auch an der unteren Pinlagerung ein leichtes Einführen des Kontaktpins zu erreichen, ist eine Führungshilfe vorgesehen. Dadurch kann der Kontaktpin ähnlich wie bei er oberen Pinlagerung seitlich eingeführt und verrastet werden. Das erleichtert die Montage des Kontaktpins, insbesondere wenn der Kontaktpin bereits mit den vielen Kontaktdrähten verbunden ist.

An der unteren Pinlagerung ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des weiteren eine Arretierung vorgesehen. Die Arretierung ist vorzugsweise als Noppe ausgebildet und verhindert somit, dass der Kontaktpin an seinem untern Ende aus der Arretierung herausrutschen kann.

Die Arretierungen für den Kontaktpin sind als lösbare oder alternativ als nicht lösbare Rastverbindungen ausgebildet. Die Hülse ist dadurch für verschiedene Anwendungsfälle universell verwendbar, insbesondere lassen sich dadurch auch Reparaturversuche durchführen.

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

1 zeigt in dreidimensionaler Darstellung eine erfindungsgemäße einteilige Hülse,

2 zeigt eine Draufsicht zu der in 1 dargestellten Hülse,

3 zeigt als räumliche Darstellung, wie zwei Kontaktpins an der Hülse befestigt werden können,

4 zeigt die Hülse mit den verrasteten beiden Kontaktpins in räumlicher Darstellung,

5 zeigt in Draufsicht ein Piezoelement mit Kontaktdrähten, die mit den beiden Kontaktpins verbunden sind,

6 zeigt das Piezoelement mit den beiden verdrahteten Kontaktpins in dreidimensionaler Darstellung und

7 zeigt die einteilige Hülse mit dem montierten Piezoelement, zwei Kontaktpins und den Kontaktdrähten in dreidimensionaler Darstellung vor dem Vergießen.

In 1 ist entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Hülse 1 in dreidimensionaler Darstellung gezeichnet, die als Montagehülse zur Aufnahme eines entsprechend ausgebildeten Piezoelementes ausgeformt ist, wie später noch näher erläutert wird. Die Hülse 1 ist vorzugsweise aus einem isolierenden Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt. Wie 1 weiter entnehmbar ist, ist die Hülse 1 einteilig ausgeformt, so dass sie mit entsprechender Passgenauigkeit und formstabil gefertigt werden kann. An zwei gegenüberliegenden Stirnflächen 10 der Hülse 1 sind quadratisch geformte durchgehende Aussparungen vorgesehen, die zur Aufnahme des Piezoelementes dienen. Des weiteren besitzt die Hülse 1 zwei sich gegenüberliegende seitliche Öffnungen. Diese Öffnungen sind so groß ausgebildet, dass durch sie das Piezoelement geschoben werden kann. An der oberen Stirnfläche 10 sind am äußeren Rand der Hülse 1 zwei sich gegenüberliegende Bohrungen angebracht, die als Pinlagerungen 2 für die Kontaktpins dienen. Die Pinlagerungen 2 weisen zum äußeren Rand der Stirnfläche 10 gerichtete keilförmige Einführhilfen 2a auf, durch die die Kontaktpins leichter in die Pinlagerungen 2 eingeführt werden können. Die Pinlagerungen 2 sind bezüglich ihres Durchmessers und der keilförmigen Einführhilfen 2a als Rastverbindungen ausgeführt und stellen sicher, dass die Kontaktpins nach dem Einschieben in ihrer Position sicher fixiert sind. Die beiden Pinlagerungen 2 befinden sich vorzugsweise in einem Bereich der Hülse 1, an dem keine seitlichen Öffnungen vorgesehen sind.

Sind die Kontaktpins – beispielsweise um die Polaritäten für die Stromzuführung unterscheidbar zu machen – mit unterschiedlich dickem Durchmesser ausgebildet, dann sind auch die Rastverbindungen 2 entsprechend angepasst. Des weiteren können die Kontaktpins im Bereich der Rastverbindungen mit Einschnürungen oder einem Wulst ausgebildet sein, um ein vertikales Verschieben der Kontaktpins zu verhindern.

An der unteren Stirnfläche 10 der Hülse 1 sind passend zu den beiden oberen Pinlagerungen zwei weitere Pinlagerungen 2 vorgesehen. Diese beiden Pinlagerungen 2 sind an der Innenseite der Stirnfläche 10 als erhabene Kontur angespritzt. Sie sind nach außen hin offen ausgebildet und bilden für die einzuführenden Kontaktpins eine Führungshilfe 4. An der Öffnung der beiden Führungshilfen 4 ist eine Arretierung 3 vorgesehen, die im einfachsten Fall als erhabene Kontor (Noppe) ausgebildet ist. Sie ist vorzugsweise keilförmig ausgebildet, um ein leichtes Einrasten des Kontaktpins zu ermöglichen, das herausfallen jedoch zu verhindern.

Die zuvor beschriebenen Rastverbindungen 2 können derart ausgebildet sein, dass sie lösbar – oder in alternativer Ausgestaltung der Erfindung – nicht lösbar sind.

An der Hülse 1 sind beispielsweise weitere Bohrungen vorsehbar, die zur Befestigung weiterer Teile, beispielsweise einer Rohrfeder verwendet werden können.

In 2 ist die zuvor beschriebene Hülse 1 in Draufsicht dargestellt. Zu erkennen ist die quadratisch ausgeformte Öffnung zur Aufnahme des Piezoelementes, die sich in der Mitte der Stirnfläche 10 befindet. Am äußeren Umfang sind links und rechts in 2 zwei sich gegenüberliegende Rastverbindungen 2 erkennbar. Des weiteren sind die Arretierungen 3 erkennbar, die an der unteren Stirnfläche 10 angebracht sind. Es sei noch erwähnt, dass die dargestellte Hülse 1 nicht maßstäblich gezeichnet ist.

Die beiden 3 und 4 zeigen, wie die Kontaktpins 5 an der Hülse 1 angeordnet und montiert werden. Die beiden Kontaktpins 5 sind im einfachsten Fall als Stifte (Metallstifte), Rohr oder dergleichen ausgebildet und werden – wie durch die beiden Pfeile in 3 dargestellt ist – in die Pinlagerungen beziehungsweise Rastverbindungen 2 von der Seite her eingeführt und eingeklipst und hier so verrastet, dass ihre Position relativ zur Hülse 1 fixiert ist. Die beiden Kontaktpins 5 werden dabei so eingeführt, dass ihr unteres Ende auf der unteren Stirnfläche 10 aufliegt und von der Arretierung 3 fixiert wird. Die Montage der Kontaktstifte 5, an die das die Kontaktdrähte und das Piezoelement bereits angelötet wurde, wird noch nachfolgend genauer erläutert.

In 4 sind die beiden Kontaktpins 5 im montierten Zustand dargestellt. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist diese Darstellung vereinfacht ausgeführt. In der Praxis ist vorgesehen, dass die beiden Kontaktpins 5 zuvor mit einer Vielzahl von Kontaktdrähten verlötet sind, die die elektrischen Verbindungen zum Piezoelement herstellen. Das verdrahtete Piezoelement muss also zusammen mit den beiden Kontaktpins 5 gleichzeitig in der Hülse 1 eingesetzt werden. Das Piezoelement wird dabei zusammen mit einem Kontaktpin durch eine der beiden seitlichen Öffnungen so hindurchgeschoben, dass es in der quadratischen Aussparung Platz findet. Der eine Kontaktpin wird dabei ganz durchgeschoben. Wenn sich das Piezoelement in der gewünschten Position befindet, dann werden die Kontaktdrähte so um die Hülse 1 geführt, dass die beiden Kontaktpins 5 in die vorgesehenen Rastverbindungen 2 eingeklipst werden können.

5 zeigt ein Piezoelement 8 in Draufsicht. Das Piezoelement 8 ist aus einer Vielzahl einzelner Piezo-Keramikscheiben in Form eines Quaders als sogenanntes Piezostack zusammengefügt. An zwei gegenüberliegende Kanten des Piezoelementes 8 ist jeweils eine Elektrode 7 angebracht, die mit den einzelnem Scheiben des Piezostacks kontaktiert sind. Rechts und links vom Piezoelement 8 sind die beiden Kontaktpins 5 im Querschnitt erkennbar. Zwischen einer Elektrode 7 und einem Kontaktpin 5 sind die Kontaktdrähte 6 gewickelt. Die Kontaktdrähte 6 sind dabei um eine Ecke des Piezoelementes 8 geführt. Um einem elektrischen Kurzschluss mit dem Piezoelement 8 zu vermeiden, ist jeweils ein Kantenschutz 9 vorgesehen, wie in 6 erkennbar ist. Die vielen Kontaktdrähte 6 sind vorgesehen, um bei einem Bruch der Elektroden 7, die wegen der ständigen Längenänderungen des Piezoelementes 8 sehr stark belastet werden, eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises zu verhindern.

6 zeigt die Aktoreinheit 11 mit den Kontaktpins 5, dem Kantenschutz 9 und den Kontaktdrähten 6 in dreidimensionaler Darstellung. Die Kontaktpins 5 sind in dieser Form über die Kontaktdrähte 6 flexibel mit dem Piezoelement 8 verbunden.

7 zeigt einen piezoelektrischen Aktor, der als Aktoreinheit 11 fertig montiert ist. Bei der Aktoreinheit 11 wurde das Piezoelement 8 in die einteilige Hülse 1 eingesetzt, wie zuvor beschrieben. Des weiteren sind die beiden Kontaktpins 5 in die Rastverbindungen 2 eingeklipst. Die oberen freistehenden Enden der beiden Kontaktpins 5 dienen für die spätere elektrische Verbindung zu dem Steuergerät. Auch sind die vielen Kontaktdrähte 6 erkennbar, die an der Elektrode 7 an entsprechenden Lötflächen angelötet sind. In diesem Zustand ist der piezoelektrische Aktor 11 für den Verguss fertig vorbereitet.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Anordnung wenigstens eines Kontaktpins (5) an einer Hülse (1), insbesondere einer Kunststoffhülse, in die ein Piezoelement (8) eingeführt wird, wobei am oberen und/oder unteren Ende der Hülse (4) an ihrem äußeren Umfang für den Kontaktpin (5) wenigstens eine Pinlagerung (2) vorgesehen ist, und wobei der Kontaktpin (5) über einen oder mehrere Kontaktdrähte (6) mit dem Piezoelement (8) kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pinlagerung (2) als Rastverbindung ausgebildet ist, wobei die Rastverbindung derart ausgeführt ist, dass der Kontaktpin (5) nach seiner Einführung in die Rastverbindung (2) in seiner Position fixiert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Rand der Hülse (1) eine obere Pinlagerung (2) vorgesehen ist und dass die obere Pinlagerung (2) eine keilförmige Einführhilfe (2a) aufweist, durch die der Kontaktpins (5) zur Verrastung seitlich in die Pinlagerung (2) einführbar ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Pinlagerung (2) eine Auflage (4a) aufweist und dass die Auflage (4a) den Kontaktpin (5) gegen Druck von oben sichert.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Pinlagerung (2) eine Führungshilfe (4) aufweist, durch die der Kontaktpin (5) seitlich in die Hülse (1) einführbar ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Pinlagerung (2) eine Arretierung (3) aufweist, die vorzugsweise als Noppe ausgebildet ist und dabei das untere Ende des Kontaktpins (5) gegen ein Herausfallen aus der Führungshilfe (4) sichert.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastverbindung (2) für den Kontaktpins (5) lösbar ausgebildet ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastverbindung (2) für den Kontaktpin (5) unlösbar ausgebildet ist.
  8. Hülse zur Aufnahme eines Piezoelementes (8), wobei das Piezoelement (8) innerhalb der Hülse (1) gelagert ist, dass am äußeren Umfang der Hülse (1) parallel zur Längsachse zwei sich gegenüberliegende Kontaktpins (5) angeordnet sind, die mittels mehrerer Kontaktdrähte (6) ein in der Hülse (1) befindliches Piezoelement (8) kontaktieren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (1) an ihrer oberen und ihrer unteren Stirnfläche (10) zur Fixierung der beiden Kontaktpins (5) jeweils zwei Pinlagerungen (2) aufweist und dass die Pinlagerungen (2) als Rastverbindungen ausgebildet ist.
  9. Hülse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastverbindungen (2) der Hülse (1) eine keilförmige Einführhilfen (2a) und/oder Führungshilfe (4) aufweisen, durch die der Kontaktpin (5) seitlich einführbar ist.
  10. Hülse nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (1) einteilig und als Kunststoffhülse ausgebildet ist.
  11. Piezoelektrischer Aktor zur Steuerung einer Ventileinheit eines Kraftstoffinjektors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der piezoelektrische Aktor (11) ein Piezoelement (8) aufweist, das von einer Kunststoffhülse (1) umgeben ist und wobei das Piezoelement (8) über Kontaktdrähte (6) mit zwei Kontaktpins (5) verbunden ist, die am äußeren Rand der Kunststoffhülse (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffhülse (1) als einteiliger Hohlkörper ausgeformt ist und dass die Kunststoffhülse (1) an einer oberen und einer unteren Stirnfläche (10) integrierte Rastverbindungen (2) aufweist, durch die die Kontaktpins (5) in ihrer Position fixierbar sind.
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