DE102007056553A1

DE102007056553A1 - Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls mit einer Umhüllung und ein so hergestelltes Piezoaktormodul

Info

Publication number: DE102007056553A1
Application number: DE102007056553A
Authority: DE
Inventors: Roland Herwig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2009-05-28

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls (1) und einer das Piezoaktormodul (1) umgebenden Umhüllung zur elektrischen Passivierung vorgeschlagen, bei dem als passivierende Umhüllung eine Isolationsschutzschicht (6) aus Kunststoff aufgebracht wird, die mittels eines ersten oder zweiten Beschichtungsprozesses medienstabil gemacht wird, und dass mittels des zweiten Beschichtungsprozesses eine metallische Schutzschicht (7) auf die Isolationsschutzschicht (6) aus Kunststoff und die Anbindeteile (4, 5) galvanisch aufgebracht wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Piezoaktormodul sowie ein von flüssigen Medien umströmtes Piezoaktormodul mit einer Umhüllung an Anbindebauteile, vorzugsweise zur Verwendung in einem Piezoinjektor, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Verfahrensanspruchs 1 und des Anspruchs 7.
Ein solcher Piezoinjektor besteht im wesentlichen aus einem Haltekörper und dem in dem Haltekörper angeordneten Piezoaktormodul, das den zwischen einem Kopf- und Fußteil als Anbindebauteile angeordneten Piezoaktor aus mehreren übereinandergestapelten Piezoelementen zur Bildung des Piezoaktormoduls aufweist.
Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors bzw. Piezoaktormoduls Piezoelemente so eingesetzt werden können, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Piezolagen der Piezoelemente sind aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoelements erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
Beispielsweise ist ein solcher Piezoaktor als Bestandteil eines Piezoinjektors in sogenannten Common Rail Einspritzsystemen (CR-Injektor) aus der DE 10026005 A1 bekannt. Bei diesem Piezoaktor sind ebenfalls Piezoelemente als Stapel angeordnet, der über einen Aktorfuß und einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen zwei Anschlägen gehalten ist. Jede Piezolage ist auch hier zwischen zwei Innenelektroden eingefasst, über die von außen eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Aufgrund dieser elektrischen Spannung führen die Piezoelemente dann jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potenzialgefälles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren. Dieser Gesamthub ist über die Höhe der angelegten Spannung veränderbar und kann auf ein mechanisches Stellglied übertragen werden.
Bei diesen bekannten CR-Injektoren ist eine indirekt vom Piezoaktormodul gesteuerte Düsennadel als Kraftstoffventil vorhanden, wobei der Piezoaktor eine Realisierung der Öffnungs- und Schließfunktion ermöglicht. Zur Erzielung einer optimalen Auslenkung bei minimalem Platzbedarf müssen die Innenelektroden des Piezoaktors den gesamten Querschnitt des Piezoaktors, bis auf die inaktive Kontaktierungszone, umfassen. Dies bedeutet, dass die Innenelektroden alternierender Polarität an den Seitenflachen der Keramikschichten freiliegen.
Aus diesem Grund ist eine elektrische Passivierung dieser Seitenflachen des Piezoaktors sowie die der Kontaktanbau- oder Anbindeteile zur elektrischen Passivierung des gesamten Piezoaktormoduls notwendig, um ein Unterwandern des Piezoaktors mit den umströmenden Medien und den damit eventuell verbundenen elektrischen Überschlägen oder Kurzschlüssen zwischen benachbarten Innenelektroden zu vermeiden. Diese kann zum Beispiel durch Feuchtigkeit oder die Betriebsstoffe selbst, beispielsweise Diesel, Raps-Metylester, Wasser oder dergleichen, im Betrieb des Piezoaktors hervorgerufen werden.
Um eine elektrische und mechanische Isolierung des Piezoaktors zu erreichen, wird oft auch eine flexible Ummantelung des Piezoaktors vorgeschlagen. Aus der DE 10230032 A1 ist zur Vermeidung der zuvor beschriebenen Nachteile eine Anordnung mit einem Piezoaktormodul in umströmenden Medien bekannt, bei der die Piezoelemente in einer formveränderlichen Isolationsmasse vergossen sind, die wiederum in einem seitlich und am oberen und unteren Ende gegenüber dem Medium verschlossenen Gehäusemantel eingebracht ist.
Die beiden Enden dieses Gehäusemantels können im Bereich ihrer Anlage an den Stahlanbindeteilen des Kopfteils und des Fußteils des Piezoaktormoduls jedoch vom Kraftstoff unterwandert werden und die bekannten Anordnungen bieten somit keinen zuverlässigen Dichtschutz, sodass die einwandfreie Funktion des Piezoaktors über seine Lebensdauer gefährdet ist.
Aus der DE 101 21 270 A1 oder der DE 198 18 036 B4 ist ein Passivierungsmaterial für piezoelektrische Bauteile bekannt, das aus Polyurethan oder einem Silikonkautschuk bzw. einem fluorierten Silikon-Elastomer oder Festsilikon besteht.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls und einer das Piezoaktormodul umgebenden Umhüllung zur elektrischen Passivierung, bei dem gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise als passivierende Umhüllung zunächst eine Isolationsschutzschicht aus Kunststoff gemäß des Kennzeichens des Hauptanspruchs aufgebracht wird, um die piezokeramischen Schichten des Piezoaktormoduls zu schützen bzw. zu isolieren. Als Brücke zwischen dem in der Regel metallischen Aktorkopf oder dem Aktorfuß als Anbindebauteile zur Kunsstoffisolierung des Piezoaktormoduls werden dazu je nach Anwendungsfall Ein- oder Mehrschichtsysteme galvanisch aufgebracht. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Ätzprozess als Vorbereitung zur Bechichtung kann beispielsweise mit Chromschwefelsäure durchgeführt werden und die metallischen Elemente können vorzugsweise aus Palladium bestehen und der nachfolgende galvanischen Beschichtungsprozess kann bevorzugt mit duktilen abscheidbaren Materialien, vorzugsweise Kupfer oder Silber, durchgeführt werden.
Somit kann gemäß der Erfindung auch die Verbindung der elektrischen Passivierung des Piezoaktors zu den Anbindebauteilen, wie Aktorkopf und Aktorfuß eines Piezoaktormoduls, auf galvanischer Basis mittels Einschicht- bzw. Mehrschichtsystemen auf einfache Weise im ersten bzw. im zweiten Beschichtungsprozess erfolgen. Es ist somit ein feuchtigkeitsdichter bzw. betriebsstoffdichter und druckdichter Verbund zwischen der elektrischen Passivierung aus Kunststoff und der Anbindeteile an den Stirnflächen des Piezoaktors zu erzeugt, wodurch das Unterwandern von Feuchtigkeit oder Betriebsstoffen zum keramischen Piezoaktor des Piezoaktormoduls vermieden ist.
Mit dieser galvanischen Anbindung mittels Einschicht- bzw. Mehrschichtsystemen ist eine für einen Großserienprozess kostengünstige und prozesssichere Beschichtungsvariante gefunden worden. Zusätzlich ergeben sich daraus Wettbewerbsvorteile und damit erhöhte Marktanteile. Die Schichtstärken beginnen im einstelligen ⫿m-Bereich und beeinflussen so die Einbauverhältnisse nicht. Die verwendeten Materialen können dabei je nach Anforderung der Medienbeständigkeit angepasst werden.
Bei einer bevorzugten Anwendung ist das so hergestellte Piezoaktormodul Bestandteil eines Piezoinjektors mit direkter Nadelansteuerung für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor, wobei der Kraftstoff unter Hochdruck die Umhüllung umströmt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Piezoaktormoduls wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
1 einen Schnitt durch ein Piezoaktormodul mit einem galvanisch umhüllten Piezoaktor mit Anbindebauteilen.
Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist ein prinzipieller Aufbau eines Piezoaktormoduls 1, beispielsweise für einen Piezoinjektor gezeigt, der beispielsweise zur Nadelhubsteuerung in einem Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann.
Im Inneren des Piezoaktormoduls 1 ist ein Piezoaktor 2 mit den in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Piezoelementen 3 vorhanden, der stirnflächig mit einem Aktorfkopf 4 und einem Aktorfuß 5 als metallische Anbindebauteile verbunden ist. Im wesentlichen über die elektrische aktive Außenfläche des Piezoaktors 2 und die Grenzbereiche zum Aktorkopf 4 und zum Aktorfuß 5 ist eine umhüllende Isolationsschutzschicht 6, vorzugsweise aus Kunststoff, zur elektrischen Passivierung der Bauteile 2 bis 5 in einem ersten Beschichtungsprozess gelegt.
Gemäß der Erfindung wird die Isolationsschutzschicht 6 im ersten und/oder zweiten Beschichtungsprozess medienstabil gemacht und mit den angrenzenden Anbindeteile 4 und 5 galvanisch verbunden.
Es ist somit ein feuchtigkeitsdichter bzw. betriebsstoffdichter und druckdichter Verbund zwischen der elektrischen Passivierung mit der Isolationsschutzschicht 6 aus Kunststoff am Piezoaktor 2 und den Anbindebauteilen 4 und 5 an den Stirnflächenbereichen des Piezoaktors 2 vorhanden. Damit wird das Unterwandern von Feuchtigkeit oder der das Piezoaktormodul 1 umströmenden Betriebsstoffen zum keramischen Piezoaktor 2 hin vermieden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10026005 A1 [0004]
- DE 10230032 A1 [0007]
- DE 10121270 A1 [0009]
- DE 19818036 B4 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls (1) mit Anbindeteilen, bestehend aus Aktorkopf (4) und Aktorfuß (5), und einer das Piezoaktormodul (1) umgebenden Umhüllung zur elektrischen Passivierung, dadurch gekennzeichnet, dass als passivierende Umhüllung eine Isolationsschutzschicht (6) aus Kunststoff aufgebracht wird, die mittels eines ersten Beschichtungsprozesses elektrisch leitfähig gemacht wird und dass mittels eines zweiten Beschichtungsprozesses eine metallische Schutzschicht (7) auf die Isolationsschutzschicht (6) aus Kunststoff galvanisch aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten galvanischen Beschichtungsprozess die passivierende Umhüllung mit der Isolationsschutzschicht (6) aus Kunststoff sowie der Aktorkopf (4) und der Aktorfuß (5) zusammenhängend galvanisch beschichtetet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Beschichtungsprozess metallische Elemente in den Kunststoff eingearbeitet werden, die als Grundlage für die den nachfolgenden zweiten galvanischen Beschichtungsprozess dienen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Beschichtungsprozess durch einen Ätzprozess Bereiche für eine Besiedelung mit den metallische Elemente geschaffen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzprozess mit Chromschwefelsäure durchgeführt wird und die metallischen Elemente aus Palladium bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Beschichtungsprozess mit duktilen abscheidbaren Materialien, vorzugsweise Kupfer oder Silber, durchgeführt wird.
Piezoaktormodul, das nach einem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund mit der Isolationsschutzschicht (6) und der metallischen Schutzschicht (7) eine Schichtstärke aufweist, die im einstelligen ⫿m-Bereich beginnt und eine galvanische Beschichtung darstellt, die mittels Einschicht- oder Mehrschichtsystemen aufbringbar ist.
Piezoaktormodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoaktormodul (1) Bestandteil eines Piezoinjektors mit direkter Nadelansteuerung für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor ist, wobei der Kraftstoff unter Hochdruck die Umhüllung umströmt.