DE102006014606A1

DE102006014606A1 - Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors

Info

Publication number: DE102006014606A1
Application number: DE102006014606A
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Bernhard Dr. Gottlieb; Andreas GÖDECKE; Andreas Dr. Kappel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: DE102006014606B4

Abstract

Zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors (32) ist es erforderlich, um den Piezoaktor (34) eine strukturierte Metallschicht vorzusehen. Um diese Metallschicht vorzusehen, wird der Piezoaktor (34) als Formteil (24) ausgebildet und auf dem Formteil (24) galvanisch eine Metallschicht (30) als Außenschicht abgeschieden.

Description

Die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen gekapselten Hochdruckaktor nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.
Piezoaktoren können beispielsweise bei Kraftstoffinjektoren zur Betätigung einer Ventilnadel zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Beim Einsatz derartiger piezo-elektrischer Bauteile, die insbesondere aus Piezokeramiken hergestellt sind, wird der Effekt genutzt, dass diese beim Anlegen eines mechanischen Drucks oder Zuges eine Spannung erzeugen oder umgekehrt, beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezoaktor, eine Ausdehnung des Aktors erreicht werden kann. Um die nutzbare Ausdehnungslänge zu vergrößern, werden monolithische Vielschichtaktoren verwendet, die aus einem gesinterten Stapel dünner Folien aus Piezokeramik mit eingelagerten Innenelektroden bestehen. Die Innenelektroden sind wechselseitig aus dem Stapel herausgeführt und über Außenelektroden elektrisch parallel geschaltet. Bevorzugt wird auf beiden Kontaktseiten des Stapels jeweils eine streifen- oder bandförmige durchgehende Außenmetallisierung aufgebracht. Die Außenmetallisierung ist mit allen Innenelektroden gleicher Polarität verbunden. Zwischen der Außenmetallisierung und den elektrischen Anschlüssen wird häufig noch eine in vielen Formen ausführbare Weiterkontaktierung vorgesehen. Legt man nun eine elektrische Spannung an die Außenmetallisierung an, so dehnt sich die Piezofolie in Richtung des angelegten Feldes. Durch die mechanische Serienschaltung der einzelnen Piezofolien wird die so genannte Nenndehnung des gesamten Stapels schon bei relativ niedrigen Spannungen erreicht.
Ein derartiger Piezoaktor ist beispielsweise aus der DE 102 29 494 A1 bekannt. Dieser Piezoaktor umfasst dabei einen Pie zostack, der über Drahtkontakte jeweils mit einem Kontaktpin verbunden ist. Weiterhin ist eine Isolierfolie vorgesehen, um eine unbeabsichtigt Kontaktierung zu vermeiden. Nach dem Kontaktieren wird der Piezostack in eine Kunststoffhülle eingebracht und mit einer Silikonmasse ausgegossen, die anschließend ausgehärtet wird.
Neben den Kunststoffhüllen können die Piezoaktoren, je nach Anwendungsgebiet auch in eine Metallhülle eingebracht werden. Dabei müssen oftmals komplexe Außenstrukturen hergestellt werden, um den jeweiligen speziellen Betriebsbedingungen gerecht zu werden. Solche funktionsoptimierten geometrischen Ausgestaltungen der Metallhülse können beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass die optimierte Struktur mittels einer Finite Elemente Simulation berechnet wird.
Die Herstellung derart komplexer Strukturen in einem Stück ist aufwändig und kostenintensiv. Daher wird zum Umgeben der Aktoren mit einer derartigen Hülle zumeist auf einen mehrstückigen Aufbau zurückgegriffen. Dies vereinfacht zwar die Fertigung der Einzelteile, bringt aber den Nachteil mit sich, dass die Einzelteile zueinander hermetisch gegeneinander abgedichtet werden müssen. Der Hochdruckaktor muss somit als separates Bauteil hergestellt werden, was naturgemäß zusätzlichen Montageraum zum Fügen der Einzelteile erfordert. Insbesondere das Einbringen des Aktors in die mehreren Metallhülsen bringt es mit sich, dass zwischen dem Füllmedium and der Außenschicht des Aktors und der Hülse ein Totvolumen vorgesehen werden muss, was wiederum für die dauerhafter Funktion und die Lebensdauer des Aktors nachteilig ist. Zudem ist es erforderlich, das zusätzliche Totvolumen anschließend blasenfrei zu füllen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, einen gekapselten Hochdruckaktor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors vorzuschlagen, das die Erzeugung komplexer Außenstrukturen auf einfache Weise erlaubt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen gekapselten Hochdruckaktor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9 gelöst. Im Hinblick auf das Verfahren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird demnach ein gekapselter Hochdruckaktor mit einem Piezoaktor und einer Außenschicht vorgeschlagen. Der Piezoaktor wird dabei als Formteil ausgebildet. Auf das Formteil ist als Außenschicht eine Metallschicht galvanisch abgeschieden aufgebracht.
Im Hinblick auf das Verfahren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen gekapselten Hochdruckaktor mit einem Piezoaktor und einer Außenschicht dadurch herzustellen, dass der Piezoaktor zunächst als Formteil ausgebildet wird. Auf das Formteil wird dann galvanisch eine Metallschicht abgeschieden, die auf diese Weise die Außenschicht des Hochdruckaktors bildet.
Der Piezoaktor, der weist eine Piezokeramik auf und wird bevorzugt dadurch als Formteil ausgebildet, dass die Piezokeramik mit einer darüber liegenden Passivierungsschicht versehen wird. Bevorzugt wird über dieser Passivierungsschicht eine Formschicht aus Silikon-Gel, Polyimid oder Epoxyharz hergestellt, um so auf der Oberfläche der Passivierungsschicht eine definierte Oberflächenstruktur zu erzeugen. Die definierte Oberflächenstruktur kann dabei durch Bearbeiten der Formschicht, insbesondere durch abformen, prägen, pressen oder spanen hergestellt werden. Damit ist es möglich, bereits dem Formteil die gewünschte Oberflächenstruktur zu geben, die den jeweiligen Einsatzerfordernissen des Hochdruckaktors entspricht.
Das Formteil kann an den Enden der Piezokeramik mit metallischen Endplatten versehen werden. Anschließend wird das Formteil mit den metallischen Endplatten mit einer dünnen, gegen über der später einzusetzenden Galvanisierungslösung dicht wirkenden Dichtschicht überzogen. Dabei werden die Endplatten allerdings nur teilweise überzogen. Für diese Schicht eignen sich besonders dichtende Lacke; Polymere oder ähnliches.
Sofern die dichtende Schicht nicht bereits selbst elektrisch leitfähig ausgestaltet ist, wird die Oberfläche der Dichtschicht so bearbeitet, dass sie elektrisch leitfähig ist. Hierzu kann beispielsweise Graphit elektrostatisch aufgestäubt werden. Ebenso ist es möglich, eine metallische Schicht aufzubringen, insbesondere durch Bedampfen oder Sputtern.
Auf die elektrisch leitfähige Schicht kann nun mit Hilfe einer galvanischen Abscheidung eine metallische Schicht aufgebracht werden, die im Hinblick auf ihre Schichtdicke und Homogenität sehr präzise einstellbar ist.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren reduziert damit die bislang erforderlichen Arbeitsgänge und verkleinert, beziehungsweise eliminiert gleichzeitig das bei anderen Technologien auftretende Totvolumen. Dies führt zu einem deutlich verbessert arbeitenden Hochdruckaktor. Darüber hinaus wird die Anzahl der zu fügenden Teile verringert, und somit entsprechend die Anzahl der mechanischen Fertigungsschritte.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibungsteile, bei deren Darstellung zugunsten der Übersichtlichkeit auf eine maßstabsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde.
Es zeigen im Einzelnen:
1: Beispiele für Metallhülsen zum Aufbau eines Hochdruckaktors
2: schematisch einen erfindungsgemäß hergestellten Hochdruckaktor
3: schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
Zur Anpassung an unterschiedliche, jeweils erforderliche Wirkungen müssen bei Hochdurckaktoren die Außenschichten unterschiedlich geformt werden. Wie in 1 gezeigt wird hierzu als Außenschicht eine Metallhülse 10 bereitgestellt, die dann über den Piezoaktor geschoben wird. Wie in 1a gezeigt weist die Metallhülse 10 eine Außenstruktur auf, die aus zueinander in einem Winkel verlaufenden Rillen 12 und 14 besteht. Eine andere Struktur, die entsprechend andere Eigenschaften des Hochdruckaktors bedingt, ist in 1b dargestellt. Hier ist ein Bereich mit radial verlaufenden Rillen 16 mit einem Bereich mit axial verlaufenden Rillen 18 kombiniert. Wie bereits beschrieben ist die Verwendung derartiger Metallhülsen sowohl im Hinblick auf die Herstellung wie auch im Hinblick auf den so hergestellten Hochdruckaktor nicht optimal.
2 zeigt schematisch die mit den jeweiligen Verfahrensschritten entstehende Schichtstruktur des Hochdruckaktors 32. Dabei ist als Ausgangspunkt für die Herstellung des Hochdruckaktors 32 ein Piezoaktor 34 vorgesehen, der Außenelektroden 20 aufweist, über die jeweils eine Passivierungsschicht 22 aufgebracht sein kann. Der Piezoaktor 34 sowie die darüber aufgebrachten Schichten erstrecken sich jeweils weiter in Richtung A und B bis zu seinen Enden (nicht gezeigt).
In 3 ist schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt. Im Formteilherstellungsschritt 36 wird zunächst aus dem Piezoaktor 34 und der darüber liegende Passivierungsschicht 22 das zu realisierende Formteil 24 erzeugt. Hierzu wird unmittelbar auf der Passivierungsschicht 22 die gewünschte Oberflächenstruktur gebildet. Mittels Silikon-Gel, Polyimid, Epoxy oder einem ähnlichem Trägermaterial wird die gewünschte Oberflächenstruktur ausgebildet, die beispielsweise der in 1 dargestellten Hülsenoberflächenstruktur entspricht. Zum Ausbilden der Struktur können alle geeigneten formenden Verfahren wie z. B. abformen, pressen, prägen, spanen eingesetzt werden. Vorteilhaft ist es, wenn der Materialauftrag durch die dabei entstehende Formschicht 25 möglichst gering gehalten wird und ein Formteil 24 entsteht.
Im Schritt 38 werden an den in Richtung A und B liegenden Enden des Formteils 24 mit metallischen Endplatten (nicht gezeigt) versehen. Dabei trägt eine der Endplatten die hermetisch dichten Durchführungen der elektrischen Anschlüsse des Piezoaktors 34.
Im Dichtschritt 40 wird das Formteil 24 gegen die später einzusetzende Galvanisierungslösung abgedichtet. Hierzu wird das Formteil 24 mit den metallischen Endplatten mit einer dünnen Dichtschicht 26 überzogen. Bevorzugt wird hierzu eine gegenüber der Galvanisierungslösung dichtende Lack- oder Polymerschicht so aufgetragen, dass auch die Trennflächen zu den metallischen Endplatten abgedichtet werden. Die Endplatten werden allerdings nur teilweise überzogen, um zu gewährleisten, dass sich die später galvanisch abzuscheidende Metallschicht 30 nahtlos mit den Endplatten verbindet.
Da ein galvanisches Abscheiden einer Metallschicht nur auf leitfähigem Material erfolgen kann, muss die Dichtschicht 26 diese Eigenschaft aufweisen. Dies kann bereits bei der Auswahl geeigneter Dichtlacke berücksichtigt werden. Ist dies nicht der Fall, so kann mit einer nachträglichen Behandlung der Dichtschicht 26 im Leitfähigkeitsschritt 42 für eine hinreichende Leitfähigkeit gesorgt werden. Die Dichtschicht 26 kann hierzu mit einer leitfähigen Oberfläche 28, z. B. durch Aufbringen einer Graphitschicht, etwa durch elektrostatisches Aufstäuben, oder durch Aufdampfen oder Aufsputtern einer Metallschicht mit der erforderlichen Leitfähigkeit versehen werden.
Anschließend wird im Galvanisierungsschritt 44 eine Metallschicht 30 durch galvanisches Abscheiden auf der leitfähigen Dichtschicht aufgebracht. Die Außenstruktur der Metallschicht 30 entspricht damit der durch das Formteil 24 vorgegebenen und für den jeweiligen Anwendungszweck vorgesehenen Struktur. Die so abgeschiedene Metallschicht 30 verbindet alle Einzelteile des Hochdruckaktors 32, wobei gleichzeitig eine hermetisch dichte, einstückige, mechanische Einheit aus den Endplatten und dem Formteil 24 gebildet wird, die gleichzeitig hochflexibel ist.
Im Anschluss an das galvanische Abscheiden ist es, soweit erforderlich, noch möglich, spanend und dann gegebenenfalls anschließend noch unter Einsatz von Säure verbleibende Formrestteile zu entfernen. Auf diese Weise kann die gewünschte geometrisch oftmals komplexe Struktur weiter optimiert werden.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich ein Hochdruckaktor herstellen, der eine Außenmetallhülle aufweist, die im Hinblick auf ihre Homogenität und Schichtdicke verfahrensbedingt sehr präzise einstellbar ist. Das bislang nach dem Stand der Technik erforderliche entfernen des Formteils entfällt ebenso vollständig wie das Fügen und abdichten von Einzelteilen.
Der so hergestellte Hochdruckaktor 32 kann unter mechanischer Druckvorspannung in einer Rohrfeder verbaut werden. Damit werden auch gleichzeitig Zugspannungen in der Piezokeramik vermieden, die einen sicheren Betrieb des Aktors stören oder den Aktor gar unbrauchbar machen könnten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors (32) mit einem Piezoaktor (34) und einer Außenschicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (34) als Formteil (24) ausgebildet wird und auf dem Formteil (24) galvanisch eine Metallschicht (30) als Außenschicht abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (34) eine Passivierungsschicht (22) aufweist und das Formteil dadurch hergestellt wird, dass auf die Passivierungsschicht (22) eine Strukturschicht (24) insbesondere aus Silikon-Gel, Polyimid oder Epoxyharz aufgebracht wird, wobei in der Strukturschicht (24) eine definierte Oberflächenstruktur erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors (32) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Oberflächenstruktur der Strukturschicht (24) durch Bearbeiten, insbesondere durch abformen, prägen, pressen oder spanen hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (24) mit metallischen Endplatten versehen wird.
Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors (32) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (24) mit den metallischen Endplatten mit einer gegenüber einer Galvanisierungslösung dichtenden Dichtschicht (26), insbesondere einer Lack- oder Polymerschicht so überzo gen wird, dass die metallischen Endplatten nur teilweise überzogen werden.
Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors (32) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtschicht (26) so behandelt wird, dass sie elektrisch leitfähig ist.
Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors (32) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtschicht (26) elektrostatisch mit Graphit aufgestäubt, mit einer metallischen Schicht bedampft oder mit Sputtern mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (28) belegt wird.
Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Hochdruckaktors (32) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Dichtschicht (26), eine Metallschicht (30) galvanisch abgeschieden wird.
Gekapselter Hochdruckaktor (32) mit einem Piezoaktor (34) und einer Außenschicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (34) als Formteil (24) ausgebildet ist und auf dem Formteil (24) eine galvanisch abgeschiedene Metallschicht (30) als Außenschicht aufgebracht ist.
Hochdruckaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (34) eine Passivierungsschicht (22) aufweist und das Formteil als Strukturschicht (24) insbesondere aus Silikon-Gel, Polyimid oder Epoxyharz auf der Passivierungsschicht (22) aufgebracht ist, wobei in der Strukturschicht (24) eine definierte Oberflächenstruktur ausgebildet ist.
Hochdruckaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Oberflächenstruktur der Strukturschicht (24) durch Bearbeiten, insbesondere durch abformen, prägen, pressen oder spanen hergestellt ist.
Hochdruckaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (24) mit metallischen Endplatten versehen ist.
Hochdruckaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (24) mit den metallischen Endplatten mit einer gegenüber einer Galvanisierungslösung dichtenden Dichtschicht (26), insbesondere einer Lack- oder Polymerschicht überzogen ist, wobei die metallischen Endplatten nur teilweise überzogen sind.
Hochdruckaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtschicht (26) elektrisch leitfähig ist.
Hochdruckaktor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtschicht (26) elektrostatisch mit Graphit aufgestäubt, mit einer metallischen Schicht bedampft oder mit Sputtern mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (28) belegt ist.
Hochdruckaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Dichtschicht (26) eine Metallschicht (30) galvanisch abgeschieden ist.