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DE102008055144A1 - Piezoactuator for use in fuel-injector for internal combustion engine to adjust e.g. jet needle, has inner electrodes connected with collector electrodes that are designed as open porous sintered mold parts consisting of silver metal flakes - Google Patents

Piezoactuator for use in fuel-injector for internal combustion engine to adjust e.g. jet needle, has inner electrodes connected with collector electrodes that are designed as open porous sintered mold parts consisting of silver metal flakes Download PDF

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DE102008055144A1
DE102008055144A1 DE102008055144A DE102008055144A DE102008055144A1 DE 102008055144 A1 DE102008055144 A1 DE 102008055144A1 DE 102008055144 A DE102008055144 A DE 102008055144A DE 102008055144 A DE102008055144 A DE 102008055144A DE 102008055144 A1 DE102008055144 A1 DE 102008055144A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
sintered
electrodes
electrode
molded part
piezoelectric actuator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102008055144A
Other languages
German (de)
Inventor
Martin Rittner
Michael Guenther
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of DE102008055144A1 publication Critical patent/DE102008055144A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

The piezoactuator (7) has inner electrodes (12a, 12b) firmly connected with a piezobody (11) using soldering material (15) or adhesive (17). The inner electrodes are connected with collector electrodes (9a, 9b) using a sintered paste (13), solder paste or solder powder. The collector electrodes are designed as open porous sintered mold parts (8), which are formed from silver metal flakes. The inner electrodes are alternatively arranged on top of each other on the collector electrodes in a stack direction (S1). An independent claim is also included for a method for producing a piezoactuator.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Kraftstoff-Injektor mit einem Piezoaktor gemäß Anspruch 8 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.The The invention relates to a piezoelectric actuator according to the preamble of the claim 1, a fuel injector with a piezoelectric actuator according to claim 8 and a method of manufacturing a piezoelectric actuator according to the preamble of claim 9.

Bekannte Piezoaktoren für den Einsatz in Kraftstoff-Injektoren zur direkten oder indirekten Ansteuerung eines ein- oder mehrteiligen Einspritzventilelementes (Düsennadel) bestehen aus alternierend angeordneten Piezokörpern und Elektroden. Die Elektroden sind dabei alternierend auf zwei Sammelelektroden verteilt und fest mit diesen verbunden. Um die notwendige Flexibilität bei einer Längenänderung des Piezoaktors zu ermöglichen, sind die Sammelelektroden dabei als Invar-Siebelektroden ausgebildet, die mit den Elektroden mittels bleifreiem SnAg-Cu-Lot verlötet sind. Um den Lötvorgang ausführen zu können, müssen die Invar-Siebelektroden zuvor durch eine galvanische Oberflächenabscheidung von SnCu 0,7 benetzbar gemacht werden. Das Invar als Grundwerkstoff und auch die abscheidbare Galvanik sind wesentliche Kostentreiber für den Aufbau eines Einspritzsystems mittels Piezoaktoren.Known Piezo actuators for Use in fuel injectors for direct or indirect Control of a one-part or multi-part injection valve element (Nozzle needle) consist of alternately arranged piezoelectric bodies and electrodes. The electrodes are alternately distributed on two collecting electrodes and fixed connected with these. To have the necessary flexibility in one Change in length of the To enable piezoelectric actuators the collecting electrodes are designed as invar-sieve electrodes, which are soldered to the electrodes by means of lead-free SnAg-Cu solder. To the soldering process To run to be able to have to the Invar electrodes previously by a galvanic surface deposition be made wettable by SnCu 0.7. The Invar as a base material and also the electrodepositable electroplating are essential cost drivers for the Construction of an injection system by means of piezo actuators.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen alternativen, kostengünstig herstellbaren, als Verbundbauteil ausgebildeten, vorzugsweise für einen Kraftstoff-Injektor geeigneten, Piezoaktor vorzuschlagen. Bevorzugt soll dessen Funktionalität, Prozessfähigkeit und Zuverlässigkeit mindestens dem Niveau von bisher bekannten, zuvor beschriebenen Piezoaktoren entsprechen. Insbesondere soll der Piezoaktor zuverlässig bei Temperaturwechselbeanspruchung sein. Ferner besteht die Aufgabe darin, einen Kraftstoff-Injektor mit einem wie zuvor beschrieben ausgebildeten Piezoaktor sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors anzugeben.Of the Invention is based on the object, an alternative, inexpensive to produce, formed as a composite component, preferably suitable for a fuel injector, To propose piezoactuator. Preferred is its functionality, process capability and reliability at least the level of previously known, previously described piezoactuators correspond. In particular, the piezoelectric actuator to reliably at Be thermal cycling. Furthermore, there is the task in it, a fuel injector with one as previously described trained piezoelectric actuator and a method for producing a Specify piezoelectric actuator.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Piezoaktors mit den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich des Kraftstoff-Injektors mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.These Task is with respect to the piezoelectric actuator with the features of Claim 1, with regard to the fuel injector with the features of claim 8 and in terms of the manufacturing process with the features of claim 9 solved. Advantageous developments The invention are specified in the subclaims. In the frame all of the invention fall Combinations of at least two of in the description, the claims and / or The features disclosed in the figures. To avoid repetition should be disclosed according to the device Features disclosed as procedurally apply and be claimable. Likewise, according to the method disclosed Features disclosed as a device apply and be claimable.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die im Stand der Technik als Sammelelektrode zum Einsatz kommende Invar-Elektrode durch ein offen poröses Sinterformteil zu ersetzen. Anders ausgedrückt ist mindestens eine fest mit einem Piezokörper (Piezokeramikkörper, Piezokristallkörper) verbundene, beispielsweise aus AgPd-Standardelektrode ausgebildete, Elektrode nicht wie im Stand der Technik elektrisch leitend mit einer Invar-Sammelelektrode verbunden, sondern mit einer als Sammelelektrode dienenden, sich vorzugsweise in Längserstreckung des Piezoaktors erstreckende, Sinterformteilelektrode. Ein derartiges Sinterformteil besitzt den Vorteil bereits integrierter und im nachfolgenden Fügeprozess mit der mindestens einen Elektrode, vorzugsweise mit einer Vielzahl von Elektroden (Fügepartnern), stabiler Gaskanäle für die Be- und Entlüftung der sich beispielsweise durch Sintern, Löten, Schweißen oder Kleben auszubildenden Fügestelle. Ein weiterer Vorteil besteht insbesondere in einer erhöhten Temperaturwechselbeständigkeit.Of the Invention is based on the idea that in the prior art as Collecting electrode used Invar electrode through an open porous sintered molding to replace. In other words is at least one firmly connected to a piezoelectric body (piezoceramic body, piezocrystal body), for example, made of AgPd standard electrode, electrode not electrically connected to an invar collecting electrode as in the prior art, but with a serving as a collecting electrode, preferably in the longitudinal direction of the Piezoaktors extending, sintered shaped part electrode. Such a thing Sintered part has the advantage already integrated and in the following joining process with the at least one electrode, preferably with a plurality of electrodes (joining partners), stable gas channels for the Ventilation of the For example, by sintering, soldering, welding or gluing trainees Joint. Another advantage is in particular an increased thermal shock resistance.

Ferner ist von Vorteil, dass aufgrund der Ausbildung der mindestens einen Sammelelektrode als poröses Sinterformteil eine ausreichende Flexibilität gegeben ist, damit sich das Sinterformteil bzw. die Sammelelektrode an eine Längung oder Kontraktionen des Piezoaktors, vorzugsweise des Piezoaktorstapels, anpassen kann, ohne dass es zu einer Beschädigung der Verbindung zwischen der mindestens einen Elektrode und der mindestens einen Sammelelektrode kommt.Further is advantageous that due to the training of at least one Collecting electrode as a porous Sintered molding is given sufficient flexibility so that the Sintered part or the collecting electrode to an elongation or Contractions of the piezoactuator, preferably the Piezoaktorstapels, can adjust without causing damage to the connection between the at least one electrode and the at least one collecting electrode comes.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Piezoaktors, bei der das mindestens eine Sinterformteil aus Silbermetall, insbesondere aus Silbermetall-Flakes, hergestellt ist und/oder Silbermetall, insbesondere Silbermetall-Flakes, umfasst. Aus Silbermetall hergestellte oder Silbermetall umfassende Sinterformteile sind im Hinblick auf ihre hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Vorteil. Darüber hinaus eignet sich Silber zum Realisieren einer durchgehend offenen, Gaskanäle bildenden Porösität.All Particularly preferred is an embodiment of the piezoelectric actuator, in which the at least one sintered shaped part of silver metal, in particular of Silver metal flakes, and / or silver metal, in particular Silver metal flakes, includes. Made of silver metal or silver metal Sintered molded parts are in view of their high electrical and thermal conductivity advantageous. About that In addition, silver is suitable for realizing a continuously open, gas channels forming porosity.

Im Hinblick auf das Fügen der mindestens einen, mindestens einen Piezokörper kontaktierenden, Elektrode mit dem Sinterformteil gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, wobei es im Rahmen der Erfindung liegt, sämtliche, insbesondere beide, Sammelelektroden mit den zugehörigen Elektroden mit der identischen Methode oder mit unterschiedlichen Methoden zu fügen. Gemäß einer ersten Alternative wird das als Sammelelektrode dienende Sinterformteil mit der mindestens einen Elektrode versintert, entweder unmittelbar, d. h. ohne zusätzliche Sinterpaste, wobei hierzu ausreichend Druck und Temperatur aufgewendet werden müssen, damit das Sinterformteil zu dem Piezokörper eine Bindung eingeht, d. h. sinterfähig wird. Bei einer alternativen Ausführungsform wird zum Fügen der mindestens einen Elektrode mit dem Sinterformteil Sinterpaste eingesetzt. Die offene Porosität des Sinterformteils dient dabei zur Entgasung der Fügestelle während des Fügeprozesses und zum Zuführen von Sauerstoff zu der Fügestelle.With regard to the joining of the at least one electrode, which contacts at least one piezoelectric body, with the sintered molded part, there are different possibilities, wherein it is within the scope of the invention, all, in particular both, collecting electrodes with the associated electrodes with the identical method or with different methods put. According to a first alternative, serving as a collecting electrode sintered compact is sintered with the at least one electrode, either directly, ie without additional sintering paste, for which sufficient pressure and temperature must be expended so that the sintered molded part to the Piezo body enters a bond, that is, becomes sinterable. In an alternative embodiment, sintering paste is used to join the at least one electrode to the sintered shaped part. The open porosity of the sintered molded part serves for degassing the joint during the joining process and for supplying oxygen to the joint.

Alternativ ist es möglich, die mindestens eine Elektrode mit dem offen porösen Sinterformteil zu verlöten, vorzugsweise durch den Einsatz von Lotwerkstoff, wie Lotpaste, Lotpulver oder einem Lotformkörper. Der Lotwerkstoff geht dabei durch Temperatureinwirkung in eine flüssige Phase über und verbindet das Sinterformteil mit der mindestens einen Elektrode. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Lotwerkstoff um bleifreie Lotpaste, wobei es jedoch auch denkbar ist, bleihaltige Lotpasten, insbesondere Standardlotpasten, einzusetzen. Aufgrund seiner porösen Struktur eignet sich das als Sammelelektrode zum Einsatz kommende Sinterformteil hervorragend zum Eingehen einer robusten Lötverbindung. Dies ist vor allen Dingen auf die gute Benetzbarkeit des Sinterformteils mit allen gängigen Lotwerkstoffen zurückzuführen, insbesondere wenn das Sinterformteil, zumindest teilweise, aus Silbermetall, insbesondere Silbermetall-Flakes, hergestellt ist. Die „puffernde” Wirkung des Sinterformteils mildert die auf den reinen Lotwerkstoff zerstörend wirkenden thermo-mechanischen Spannungen, insbesondere während des späteren Einsatzes des Piezoaktors, vorzugsweise in einem Kraftstoff-Injektor. Die beim Lötprozess entstehenden Gase können optimal durch die von der Porosität des Sinterformteils gebildeten Gaskanäle abgeleitet werden.alternative Is it possible, to solder the at least one electrode to the open porous sintered molding, preferably through the use of solder material, such as solder paste, solder powder or a Lotformkörper. The solder material passes through the effect of temperature in a liquid phase and connects the sintered molding with the at least one electrode. Most notably the solder material is preferably lead-free solder paste, However, it is also conceivable, lead-containing solder pastes, in particular Standard solder pastes to use. Due to its porous structure is suitable for use as collecting electrode coming sintered molding excellent for entering a robust solder joint. This is above all Things on the good wettability of the sintered molding with all common brazing materials attributed, in particular if the sintered shaped part, at least partially, of silver metal, in particular silver metal flakes. The "buffering" effect of the sintered molding softens the destructive acting on the pure solder material thermo-mechanical stresses, especially during later use the piezoelectric actuator, preferably in a fuel injector. The at soldering process resulting gases can optimally formed by the porosity of the sintered compact gas channels be derived.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbindung der mindestens einen Elektrode mit dem mindestens einen als Sammelelektrode dienenden Sinterformteil besteht darin, die Elektrode mit dem Sinterformteil zu verkleben, insbesondere durch Leitkleben. Dabei werden bevorzugt silberhaltige (mit Silber gefüllte) Kleber eingesetzt, die im Sinterformteil eine ideale Anbindungsfläche finden, insbesondere dann, wenn das Sinterformteil aus Silbermetall ausgebildet ist.A another possibility for connecting the at least one electrode to the at least a sintered molding serving as a collecting electrode is to bond the electrode with the sintered molded part, in particular by conductive bonding. Here are preferably silver-containing (with silver filled) glue used, which find in the sintered molding an ideal connection surface, in particular, when the sintered part formed of silver metal is.

Darüber hinaus ist es möglich, die mindestens eine Elektrode, vorzugsweise die mindestens zwei Elektroden, mit dem Sinterformteil durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, Ultraschallschweißen oder Widerstandsschweißen, zu verbinden. Die Oberfläche des vorzugsweise silberhaltigen bzw. aus Silber bestehenden Sinterformteils lässt sich optimal in einem Schweißprozess mit der mindestens einen Elektrode verbinden.Furthermore Is it possible, the at least one electrode, preferably the at least two Electrodes, with the sintered molded part by welding, in particular friction welding, ultrasonic welding or Resistance welding, connect to. The surface the preferably silver-containing or consisting of silver sintered molding can be optimal in a welding process connect to the at least one electrode.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der nicht nur die mindestens eine Sammelelektrode, sondern auch die mindestens eine, fest mit dem Piezokörper verbundene Elektrode als offen poröses Sinterformteil ausgebildet ist, wobei das als Elektrode dienende Sinterformteil in der Art wie das Sammelelektrodensinterformteil ausgebildet sein kann. Ganz besonders bevorzugt ist eine Vielzahl von jeweils als Sinterformteil ausgebildeten Elektroden alternierend mit Piezokörpern angeordnet, um auf diese Weise einen Piezostack zu bilden. Bevorzugt sind die Elektroden mit der identischen Methode mit den Piezokörpern verbunden, wie die Sammelelektroden mit Elektroden, wobei es auch möglich ist, hiervon unterschiedliche Fügeprozesse einzusetzen. Grundsätzlich ist es möglich, den mindestens einen Piezokörper mit der mindestens einen Elektrode durch Sintern, Kleben, Löten oder Schweißen zu verbinden.All an embodiment of the invention is particularly preferred not only the at least one collecting electrode, but also the at least one, firmly connected to the piezoelectric body electrode as openly porous Formed sintered part, wherein serving as the electrode Sintered compact in the manner of the collecting electrode sintered part can be trained. Very particularly preferred is a variety of each formed as a sintered shaped part electrodes alternately with piezo bodies arranged so as to form a piezo stack in this way. Prefers are the electrodes connected to the piezoelectric bodies by the identical method, like the collecting electrodes with electrodes, whereby it is also possible this different joining processes use. in principle Is it possible, the at least one piezoelectric body with the at least one electrode by sintering, gluing, soldering or welding connect to.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass nicht nur ein Piezokörper und zwei, insbesondere als Sinterformteileelektroden ausgebildete, Elektroden, sondern dass jeweils eine Vielzahl von Piezokörpern und eine Vielzahl von Elektroden vorgesehen sind, wobei es weiter bevorzugt ist, wenn die Elektroden auf mindestens zwei, vorzugsweise ausschließlich zwei, Sinterformteilsammelelektroden verteilt angeordnet sind, an denen eine Potentialdifferenz an legbar ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Piezokörper und die Elektroden alternierend in einer Stapelrichtung zur Bildung eines Piezostacks angeordnet sind.In Development of the invention is provided with advantage that not just a piezo body and two, in particular formed as sintered shaped parts electrodes, Electrodes, but that in each case a multiplicity of Piezokörpern and a plurality of electrodes are provided, wherein it is further preferred when the electrodes are at least two, preferably only two, Sinter molding collecting electrodes are arranged distributed, on which a potential difference can be laid. Very particularly preferred it, when the piezoelectric body and the electrodes alternately in a stacking direction for formation a piezo stack are arranged.

Die Erfindung führt auch auf einen Kraftstoff-Injektor mit einem wie zuvor beschrieben ausgebildeten Piezoaktor. Dabei kann der Piezoaktor je nach Ausbildung des Kraftstoff-Injektors entweder unmittelbar verstellend auf ein ein- oder mehrteiliges Einspritzventilelement (Düsennadel) einwirken, also unter Verzicht auf einen Servokreislauf. Bei einer alternativen Ausführungsform dient der Piezoaktor zum Betätigen eines Steuerventils (Servoventils). Besonders bevorzugt ist es, wenn dem Piezoaktor ein hydraulischer Koppler zugeordnet ist, der den Piezoaktor mit einem Steuerventil oder unmittelbar mit dem Einspritzventilelement hydraulisch koppelt.The Invention leads also on a fuel injector with one as previously described trained piezoelectric actuator. In this case, the piezoelectric actuator depending on the training either directly adjusting the fuel injector one or more parts injection valve element (nozzle needle) act, so under Waiver of a servo circuit. In an alternative embodiment the piezo actuator serves to actuate a control valve (servo valve). It is particularly preferred if the piezoelectric actuator is associated with a hydraulic coupler, the the piezoelectric actuator with a control valve or directly with the injection valve element hydraulically coupled.

Ferner führt die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines, vorzugsweise wie zuvor beschrieben ausgebildeten, Piezoaktors. Kern des Verfahrens ist es, mindestens eine mit einem Piezokörper, beispielsweise durch Schweißen, Sintern, Kleben oder Löten verbundene Elektrode mit einem als Sammelelektrode dienenden Sinterformteil, insbesondere einer Sinterfolie, zu verbinden, vorzugsweise durch Sintern (entweder unmittelbares Sintern oder unter Einsatz von Sinterpaste), durch Verlöten, Verkleben oder Verschweißen. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht unter anderem darin, dass durch die durchgängig offen-poröse Struktur des Sinterformteils Gase beim Verbindungsprozess mit dem Piezokörper entweichen und bei Bedarf Gase, wie Sauerstoff, an die Fügestelle geführt werden können, so dass eine Rissbildung vermieden wird.Furthermore, the invention also leads to a method for producing a, preferably as described above, formed piezoelectric actuator. The core of the method is to connect at least one electrode connected to a piezoceramic body, for example by welding, sintering, gluing or soldering, to a sintered molded part, in particular a sintered foil, as a collecting electrode, preferably by sintering (either direct sintering or using sintering paste). by soldering, gluing or welding. The advantage of the method according to the invention consists inter alia in that gases escape during the bonding process with the piezoelectric body through the continuous open-porous structure of the sintered molded part and, if required, pass gases, such as oxygen, to the joint can be, so that cracking is avoided.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante des Verfahrens, bei dem vor dem eigentlichen Fügeprozess zum Verbinden der mindestens einen Elektrode mit vier als Sinterformteil ausgebildeten Sammelelektrode das Sinterformteil, insbesondere mittels eines Stempels und einer Matrize hergestellt wird. Dabei ist es einerseits möglich, unmittelbar das Sinterformteil zu sintern, oder alternativ das Sinterformteil nach dem erfolgten Sinterprozess aus einem großen Sinterteil herauszuarbeiten, beispielsweise herauszustanzen, zu sägen oder zu schneiden.All particularly preferred is an embodiment of the method, at the time before the actual joining process for connecting the at least one electrode with four as a sintered molded part formed collecting electrode, the sintered molded part, in particular by means of a stamp and a die is made. That's it on the one hand possible, directly to sinter the sintered compact, or alternatively the sintered compact to work out a large sintered part after the sintering process has taken place, for example punch out, saw or cut.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the following description of preferred embodiments and by reference the drawings.

Diese zeigen in:These show in:

1 in einer sehr stark schematisierten Ansicht einen Kraftstoff-Injektor mit einem Piezoaktor zur unmittelbaren Ansteuerung eines einteiligen Einspritzventilelementes über einen hydraulischen Koppler, 1 in a very highly schematic view of a fuel injector with a piezoelectric actuator for direct control of a one-piece injection valve element via a hydraulic coupler,

2 ein aus Siltermetall-Flakes hergestelltes Sinterformteil, und 2 a sintered molded part made of silter metal flakes, and

3 schematisch einen Herstellungsprozess zum Herstellen eines Piezoaktors. 3 schematically a manufacturing process for producing a piezoelectric actuator.

In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In The figures are the same elements and elements with the same Function marked with the same reference numerals.

1 zeigt stark schematisiert einen Kraftstoff-Injektor 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Der Kraftstoff-Injektor 1 ist als Common-Rail-Injektor ausgebildet und umfasst einen Hochdruckanschluss 2 für die Versorgung mit unter Hochdruck (Raildruck) stehendem Kraftstoff aus einem nicht gezeigten Kraftstoff-Hochdruckspeicher (Rail). 1 shows very schematically a fuel injector 1 for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine. The fuel injector 1 is designed as a common rail injector and includes a high pressure port 2 for the supply of under high pressure (rail pressure) standing fuel from a fuel high-pressure accumulator, not shown (Rail).

Innerhalb des Kraftstoff-Injektorgehäuses 3 ist axial verstellbar ein in diesem Ausführungsbeispiel einteiliges Einspritzventilelement 4 (Düsennadel) angeordnet. Dieses ist über einen hydraulischen Koppler 5, umfassend einen Kopplerkolben 6, mit einem Piezoaktor 7 wirkverbunden. Bei einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform dient der Piezoaktor 7 nicht zum unmittelbaren Verstellen des Einspritzventilelementes 4, sondern zum Verstellen eines Steuerventilelementes eines Steuerventils (Servoventils), mit dem der Kraftstoffdruck in einer Steuerkammer (Servokammer) steuerbar ist, die von dem ein- oder mehrteiligen Einspritzventilelement 4 begrenzt ist.Inside the fuel injector housing 3 is axially adjustable in this embodiment one-piece injection valve element 4 (Nozzle needle) arranged. This is via a hydraulic coupler 5 comprising a coupler piston 6 , with a piezoelectric actuator 7 operatively connected. In an alternative, not shown embodiment, the piezoelectric actuator is used 7 not for direct adjustment of the injection valve element 4 but for adjusting a control valve element of a control valve (servo valve) with which the fuel pressure in a control chamber (servo chamber) is controllable, that of the one- or multi-part injection valve element 4 is limited.

2 zeigt den Aufbau eines Sinterformteils 8, welches bei dem in 1 nur angedeuteten Piezoaktor 7 als Sammelelektrode 9 zum Einsatz kommt. Genauer ausgedrückt umfasst der als Stapelaktor ausgebildete Piezoaktor 7 insgesamt zwei, jeweils als Sinterformteil ausgebildete Sammelelektroden 9, an die eine Potentialdifferenz zur Längung des Piezoaktors 7 anlegbar ist. Das Sinterformteil 8 ist aus Silbermetall-Flakes hergestellt und weist eine durchgehend offene Porosität auf. Diese bildet Gasdurchlasskanäle, durch die Gase von den Fügestellen weg nach außen bzw. zu den Fügestellen hin strömen können. Die Fügestellen sind dabei gebildet zwischen den Sammelelektroden 9 und alternierend mit Piezokörpern angeordneten, die Piezokörper kontaktierenden Elektroden (Innenelektroden). 2 shows the structure of a sintered molded part 8th , which at the in 1 only indicated piezoelectric actuator 7 as collecting electrode 9 is used. More specifically, the piezoelectric actuator designed as a stack actuator comprises 7 a total of two, each formed as a sintered compact collecting electrodes 9 , to which a potential difference to the elongation of the piezoelectric actuator 7 can be applied. The sintered part 8th is made of silver metal flakes and has a continuous open porosity. This forms gas passageways, through which gases can flow away from the joints to the outside or to the joints. The joints are formed between the collecting electrodes 9 and arranged alternately with piezoelectric bodies, the piezoelectric body contacting electrodes (internal electrodes).

3 zeigt stark schematisiert einen Herstellungsprozess zum Herstellen eines in der Zeichnungsebene rechts dargestellten Piezoaktors 7. Der Piezoaktor 7 umfasst einen Piezokörperstapel 10, umfassend eine Vielzahl von Piezokörpern 11, wobei die Piezokörper 11 in eine Stapelrichtung S1 alternierend mit Elektroden 12a, 12b gestapelt sind. Dabei können jeweils zwei in Stapelrichtung S1 nebeneinander angeordnete Elektroden 12a, 12b zur Längung des Piezoaktors 7 unterschiedlich gepolt werden. Um diese unterschiedliche Polung zu realisieren, sind die mit dem Bezugszeichen 12a gekennzeichneten Elektroden, also jede zweite Elektrode 12a, mit einer in der Zeichnungsebene unteren, sich in Stapelrichtung S1 erstreckenden Sammelelektrode 9a verbunden, wohingegen die jeweils anderen, alternierend mit den Elektroden 12a angeordneten Elektroden 12b mit einer in der Zeichnungsebene oberen Sammelelektrode 9b verbunden sind, die parallel zur unteren Sammelelektrode 9a angeordnet ist. Beide Sammelelektroden 9a, 9b sind jeweils als Sinterformteil 8, hier als Sinterfolie, ausgebildet. Bei Bedarf können die Elektroden 12a, 12b ebenfalls jeweils als Sinterformteil ausgebildet werden. Auch ist es möglich, diese als Lotverbindung auszubilden. Bevorzugt bestehen die Elektroden 12a, 12b (Innenelektroden) dann aus AgPd. 3 shows very schematically a manufacturing process for producing a piezoactor shown on the right in the drawing plane 7 , The piezo actuator 7 includes a piezoceramic stack 10 comprising a plurality of piezoelectric bodies 11 , wherein the piezoelectric body 11 in a stacking direction S 1 alternating with electrodes 12a . 12b are stacked. In each case two in the stacking direction S 1 juxtaposed electrodes 12a . 12b for elongation of the piezoelectric actuator 7 be poled differently. In order to realize this different polarity, those with the reference numeral 12a labeled electrodes, so every second electrode 12a , with a lower in the plane of the drawing, extending in the stacking direction S 1 collecting electrode 9a whereas the others, alternating with the electrodes, are connected 12a arranged electrodes 12b with an upper in the drawing level collecting electrode 9b are connected, which are parallel to the lower collecting electrode 9a is arranged. Both collecting electrodes 9a . 9b are each as a sintered molding 8th , here as a sintered film, formed. If necessary, the electrodes can 12a . 12b also each be formed as a sintered molded part. It is also possible to form these as a solder joint. Preferably, the electrodes exist 12a . 12b (Internal electrodes) then AgPd.

Um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Sammelelektrode 9a und den Elektroden 12a, bzw. der Sammelelektrode 9b und den Elektroden 12b herstellen zu können, ragen die Elektroden 12a, 12b jeweils bis zu dem von der zugehörigen Sammelelektrode 9a, 9b kontaktierten Randseite des Piezokörperstapels 10 oder über diesen hinaus.To an electrically conductive connection between the collecting electrode 9a and the electrodes 12a , or the collecting electrode 9b and the electrodes 12b To be able to produce, the electrodes protrude 12a . 12b each up to that of the associated collecting electrode 9a . 9b contacted edge side of the piezo body stack 10 or beyond this.

Zum Herstellen des in 3 rechts dargestellten Piezoaktors 7 wird zunächst der Piezokörperstapel 10 hergestellt, entweder in an sich bekannter Weise oder durch eine alternierende Anordnung von Sinterformteilen und Piezokörpern, wo bei die Elektroden 12a, 12b fest, insbesondere durch Versintern, Verschweißen, Verlöten oder Verkleben (Leitkleben) mit den benachbarten Piezokörpern 11 verbunden werden. Der so erhaltene Piezokörperstapel 10 wird dann sandwichartig zwischen zwei Sammelelektroden 9a, 9b aufgenommen.For making the in 3 right illustrated piezoelectric actuator 7 First, the piezoceramic stack 10 manufactured, either in a conventional manner or by an alternating arrangement of Sintered parts and Piezo bodies, where at the electrodes 12a . 12b firmly, in particular by sintering, welding, soldering or gluing (Leitkleben) with the adjacent Piezo bodies 11 get connected. The piezoceramic stack thus obtained 10 is then sandwiched between two collecting electrodes 9a . 9b added.

Im Folgenden wird eine erste mögliche Verbindungstechnik anhand von 3 erläutert. Zunächst wird auf die in der Zeichnungsebene untere, als Sinterformteil 8 ausgebildete Sammelelektrode 9a Sinterpaste 13, hier Silbersinterpaste, als Depot aufgebracht. Daraufhin wird in eine zweite Stapelrichtung S2 auf die Sinterpaste 13 der Piezokörperstapel 10 gelegt, woraufhin auf diesen wiederum Sinterpaste 13, hier ebenfalls Silbersinterpaste, aufgetragen wird, woraufhin auf die Sinterpaste 13 die in der Zeichnungsebene obere, als Sinterformteil 8 ausgebildete Sammelelektrode 9b aufgelegt wird. Daraufhin wird der Stapel einem Sinterprozess 14 zugeführt, bei dem der Stapel einem Prozessdruck und Prozesstemperatur ausgesetzt wird. Bei diesem Sinterprozess 14 handelt es sich um den zweiten Sinterprozess der Sinterformteile 8 – ggf. sogar um den zweiten Sinterprozess der Elektroden 12a, 12b. Der Gasaustausch für das Sintern der Sinterpaste 13 kann über das gesamte poröse Volumen der Sinterformteile 8, d. h. der Sammelelektroden 9a, 9b, stattfinden. Die Sinterpaste 13 muss nicht in der zuvor beschriebenen Reihenfolge erfolgen. Die Sinterpaste 13 kann beispielsweise auch vor dem Stapel auf beide Parallelseiten des Piezokörperstapels 10 aufgetragen werden.The following is a first possible connection technique based on 3 explained. First, on the lower in the drawing plane, as a sintered part 8th trained collecting electrode 9a sintering paste 13 , here silver sinter paste, applied as depot. Then, in a second stacking direction S 2 on the sintering paste 13 the piezo body stack 10 placed, whereupon this in turn sintered paste 13 , here also silver sintering paste, is applied, whereupon the sintering paste 13 the upper in the plane of the drawing, as a sintered molded part 8th trained collecting electrode 9b is hung up. The stack then becomes a sintering process 14 fed, in which the stack is exposed to a process pressure and process temperature. In this sintering process 14 it is the second sintering process of sintered components 8th - If necessary, even to the second sintering process of the electrodes 12a . 12b , The gas exchange for the sintering of the sintering paste 13 Can over the entire porous volume of the sintered moldings 8th ie the collecting electrodes 9a . 9b , occur. The sintering paste 13 does not have to be in the order described above. The sintering paste 13 For example, before the stack on both parallel sides of the piezo body stack 10 be applied.

Anhand von 3 ist auch ein alternativer Fügeprozess erläuterbar. So können die Sinterformteile 8 bzw. die Sammelelektroden 9a, 9b mit dem Piezokörperstapel 10 beispielsweise verlötet werden, wobei hierzu auf die Sinterformteile 8 bzw. die Sammelelektroden 9a, 9b und/oder den Piezokörperstapel 10 Lotwerkstoff 15 gedruckt oder dispenst werden/wird. Zusätzlich wird ein Flussmittel aufgetragen, woraufhin die Sinterformteile 8 mit dem Piezokörperstapel 10 durch Temperatureinwirkung verlötet werden, wobei die Feststoffe im Lotwerkstoff 15 hierbei zunächst in die flüssige Phase übergehen. Bei der alternativen Verfahrensvariante kennzeichnet der zusätzlich mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnete Pfeil den Lötvorgang bzw. den Lötprozess.Based on 3 An alternative joining process can also be explained. So can the sintered moldings 8th or the collecting electrodes 9a . 9b with the piezo body stack 10 For example, to be soldered, in which case on the sintered moldings 8th or the collecting electrodes 9a . 9b and / or the piezoceramic stack 10 solder material 15 be printed or dispenst In addition, a flux is applied, whereupon the sintered moldings 8th with the piezo body stack 10 be soldered by the action of temperature, wherein the solids in Lotder material 15 first pass into the liquid phase. In the alternative variant of the method additionally features the reference numeral 16 marked arrow the soldering process or the soldering process.

Auch ist es möglich, die Sinterformteile 8 mit dem Piezokörperstapel 10 zu verkleben. In diesem Fall handelt es sich bei den zusätzlich mit dem Bezugszeichen 17 gekennzeichneten Teilen um, vorzugsweise metallhaltigen, insbesondere sil berhaltigen, Kleber 17 und bei dem zusätzlich mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichneten Pfeil um den Klebeprozess.It is also possible, the sintered moldings 8th with the piezo body stack 10 to stick together. In this case, it is in addition to the reference numeral 17 Parts marked, preferably metal-containing, in particular sil berhaltigen, adhesive 17 and additionally with the reference numeral 18 marked arrow to the bonding process.

Claims (15)

Piezoaktor, umfassend mindestens einen Piezokörper (11) und mindestens eine fest mit dem Piezokörper (11) verbundene erste Elektrode (12a), die wiederum mit einer Sammelelektrode (9, 9a, 9b) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelelektrode (9, 9a, 9b) als offen poröses Sinterformteil (8) ausgebildet ist.Piezoactuator, comprising at least one piezoelectric body ( 11 ) and at least one fixed to the piezoelectric body ( 11 ) connected first electrode ( 12a ), in turn with a collecting electrode ( 9 . 9a . 9b ), characterized in that the collecting electrode ( 9 . 9a . 9b ) as an open porous sintered molded part ( 8th ) is trained. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterformteil (8) aus Silbermetall, insbesondere Silbermetallflakes, hergestellt ist und/oder Sibermetall, insbesondere Sibermetallflakes, umfasst.Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that the sintered molded part ( 8th ) is made of silver metal, in particular silver metal flakes, and / or Sibermetall, in particular Sibermetallflakes comprises. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (12a, 12b) mit dem Sinterformteil (8), vorzugsweise mittels Sinterpaste (13) oder unmittelbar, d. h. ohne zusätzliche Sinterpaste (13), versintert oder, insbesondere mittels Lotpaste, Lotpulver oder einem Lotformteil, verlötet, oder verschweisst, insbesondere ultraschallverschweisst, reibverschweisst oder ultraschallverschweisst, oder, insbesondere durch Leitkleben, verklebt ist.Piezoelectric actuator according to one of claims 1 or 2, characterized in that the electrode ( 12a . 12b ) with the sintered molded part ( 8th ), preferably by means of sintering paste ( 13 ) or directly, ie without additional sintering paste ( 13 ), sintered or, in particular by means of solder paste, solder powder or a solder preform, soldered, or welded, in particular ultrasonically welded, friction welded or ultrasonically welded, or, in particular glued by Leitkleben. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (12a, 12b) als offen poröses Sinterteil ausgebildet ist.Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode ( 12a . 12b ) is formed as an open porous sintered part. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Piezokörper (11), vorzugsweise auf einer von der ersten Elektrode (12a) abgewandten Seite, eine zweite Elektrode (12b), vorzugsweise durch Sintern, Kleben, Löten oder Schweißen, festgelegt ist.Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that on the piezoelectric body ( 11 ), preferably on one of the first electrode ( 12a ), a second electrode ( 12b ), preferably by sintering, gluing, soldering or welding. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von alternierend angeordneten Elektroden (12a, 12b) und Piezokörpern (11) vorgesehen sind.Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of alternately arranged electrodes ( 12a . 12b ) and piezo bodies ( 11 ) are provided. Piezoaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei als Sinterformteile (8) ausgebildete Sammelektroden (9, 9a, 9b) vorgesehen sind, und dass die in eine Stapelrichtung (S1) übereinander angeordneten Elektroden (12a, 12b) alternierend auf die Sammelelektroden (9, 9a, 9b) verteilt sind.Piezoelectric actuator according to claim 6, characterized in that two as sintered molded parts ( 8th ) formed collecting electrodes ( 9 . 9a . 9b ) are provided, and that in a stacking direction (S 1 ) superimposed electrodes ( 12a . 12b ) alternately on the collecting electrodes ( 9 . 9a . 9b ) are distributed. Kraftstoff-Injektor mit einem Piezoaktor (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Verstellen eines Steuerventils oder unmittelbaren Verstellen einer Düsennadel.Fuel injector with a piezoelectric actuator ( 7 ) according to one of the preceding claims for adjusting a control valve or direct adjustment of a nozzle needle. Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors (7), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem mindestens eine mit mindestens einem Piezokörper (11) verbundene Elektrode (12, 12b) mit einer Sammelelektrode (9, 9a, 9b) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Sammelelektrode (9) ein Sinterformteil (8) verwendet wird.Method for producing a piezoelectric actuator ( 7 ), preferably according to one of claims 1 to 7, in which at least one with at least one piezoelectric body ( 11 ) connected electrode ( 12 . 12b ) with egg ner collecting electrode ( 9 . 9a . 9b ), characterized in that as the first collecting electrode ( 9 ) a sintered molded part ( 8th ) is used. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterformteil (8) aus Silbermetall, insbesondere Silbermetallflakes, hergestellt wird.A method according to claim 9, characterized in that the sintered molded part ( 8th ) is made of silver metal, in particular silver metal flakes. Verfahren nach Anspruch 10, dass bei der Herstellung des Sinterformteils (8) ein Sinterteil in eine Vielzahl von Sinterformteilen (8) vereinzelt wird.Process according to claim 10, characterized in that in the production of the sintered molded part ( 8th ) a sintered part in a plurality of sintered moldings ( 8th ) is isolated. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelelektrode (9, 9a, 9b) mit dem Sinterformteil (8), vorzugsweise mittels Sinterpaste (13) oder unmittelbar, d. h. ohne zusätzliche Sinterpaste (13), versintert oder, insbesondere mittels Lotpaste, Lotpulver oder einem Lotformteil, verlötet, oder mit oder ohne Hilfsstoff verschweißt, insbesondere ultraschallverschweißt, reibverschweißt oder ultraschallverschweißt, oder, insbesondere durch Leitkleben, verklebt wirdMethod according to one of claims 9 to 11, characterized in that the collecting electrode ( 9 . 9a . 9b ) with the sintered molded part ( 8th ), preferably by means of sintering paste ( 13 ) or directly, ie without additional sintering paste ( 13 ), sintered or soldered, in particular by means of solder paste, solder powder or a solder preform, or welded with or without auxiliary material, in particular ultrasonically welded, friction welded or ultrasonically welded, or, in particular glued by Leitkleben Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterpaste (13) oder die Lotpaste, vorzugsweise zusätzlich ein Flussmittel, oder der Hilfsstoff vor dem Fügen auf den Piezokörper (11) und/oder das Sinterformteil (8) aufgetragen, vorzugsweise gedruckt oder dispenst, wird.Process according to claim 12, characterized in that the sintering paste ( 13 ) or the solder paste, preferably additionally a flux, or the excipient before joining to the piezoelectric body ( 11 ) and / or the sintered molded part ( 8th ) is applied, preferably printed or dispenst, is. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Fügepartner dem Sinterformteil (8), verschweißt, vorzugsweise ultraschallverschweißt, werden/wird, insbesondere mit oder ohne Hilfsstoff.Method according to one of claims 9 to 13, characterized in that the first and / or the second joining partner the sintered molded part ( 8th ), welded, preferably ultrasonically welded, will / will, especially with or without excipient. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Elektroden (12a, 12b) und Piezokörpern (11) zu einem Piezostack, in einem gemeinsamen oder in mehreren Prozessschritten, gefügt werden, und dass zwei als Sinterformteile (8) ausgebildete Sammelelektroden (9a, 9b) mit den Elektroden (12a, 12b) verteilt werden, derart, dass die Elektroden (12a, 12b) des Piezoaktors (7) abwechselnd auf die beiden Sammelelektroden (9a, 9b) verteilt sind.Method according to one of claims 9 to 14, characterized in that a plurality of electrodes ( 12a . 12b ) and piezo bodies ( 11 ) are added to a piezostack, in one or more process steps, and that two are used as sintered moldings ( 8th ) formed collecting electrodes ( 9a . 9b ) with the electrodes ( 12a . 12b ) such that the electrodes ( 12a . 12b ) of the piezo actuator ( 7 ) alternately on the two collecting electrodes ( 9a . 9b ) are distributed.
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