-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ummantelung eines elektrischen
oder elektronischen Bauteils, insbesondere eines Aktormoduls, mit
einer Schutzfolie.
-
An
Verbrennungsmotoren werden stetig steigende Emissionsanforderungen
gestellt. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden in modernen
Dieselmotoren die Kraftstoffeinspritzventile zunehmend mit Piezo-Aktoren
ausgestattet. Aufgrund der sehr kurzen Reaktionszeiten der Piezo-Aktoren lassen
sich die Einspritzvorgänge
hochgenau kontrollieren und dosieren. Insbesondere sind bei Verwendung
von Piezo-Aktoren mehrere Düsennadelhübe (Einspritzvorgänge) pro
Motorumdrehung möglich.
Problematisch ist, dass der Piezo-Aktor vielfach im direkten Medien-
bzw. Kraftstoffkontakt steht. Um ein Eindringen von Öl oder Kraftstoff
in das Aktormodul zu verhindern, muss dieser daher mit einer Schutz-
bzw. Abdichtungsanordnung versehen sein.
-
Eine
solche Anordnung zur Abdichtung eines Piezo-Aktors für ein Kraftstoffeinspritzventil
ist beispielsweise aus der (deutschen Patentanmeldung 10 2006 012
845.1) bekannt. Hier ist der Aktor mit einer schlauchförmigen,
kraftstoffdichten bzw. kraftstoffabweisenden Ummantelung versehen,
die mit Hilfe von Ringelementen am Aktorfuß und dem Aktorkopf befestigt
ist. Die Ringelemente pressen eine umlaufende, geschlossene Ringfläche der
Ummantelung gegen den Aktorfuß bzw.
den Aktorkopf, wodurch das im Aktor enthaltene Piezoelement sicher
gegen den Kraftstoff abgedichtet wird. Die Ummantelung ist vorzugsweise
als Schrumpfschlauch ausgeführt,
dessen Umfang durch Wärmeeinwirkung
reduziert werden kann und der sich dann gleichmäßig um den Aktor, insbesondere
den Aktorfuß und
Aktorkopf anlegen kann, ohne dass sich Anhäufungen der Ummantelung und/oder
Hohlräume
zwischen der Ummantelung und dem Aktor bilden.
-
Nachteilig
an der in der (deutschen Patentanmeldung 10 2006 012 845.1) beschriebenen
Ummantelung ist, dass Schrumpfschläuche aus Kunststoff vielfach
nicht diffusionsdicht sind, so dass es schwierig ist, auf diese
Weise eine diffusionsdichte Ummantelung des Aktors zu realisieren.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen,
mit dessen Hilfe ein beliebig geformtes elektronisches Bauteil,
insbesondere ein Aktormodul, mit einer diffusionsdichten Ummantelung
versehen werden kann, die das Bauteil vor dem Eindringen von Medien,
beispielsweise Kraftstoff, schützt
sowie eine Diffusionssperre gegen Feuchtigkeit bzw. Ionen darstellt.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Danach
wird um das Bauteil, insbesondere das piezoelektrische Aktormodul,
eine Schutzfolie gelegt. Diese Schutzfolie ist eine (vorzugsweise
dünne)
Metallfolie bzw. metallisierte Kunststofffolie. Metallische bzw.
metallisierte Folien haben gegenüber reinen
Kunststofffolien den Vorteil, dass eine diffusionsdichte Ummantelung
realisierbar ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass metallische Schichten
in einer solchen Weise elektrisch verschaltet werden können (insbesondere
durch Erdung der Ummantelung), dass es unmöglich für Ionen ist, die Ummantelung
zu durchdringen.
-
Der
Vorteil von dünnen
Metallfolien liegt darin, dass sie sich der Oberfläche des
Aktormoduls anschmiegen und daher die Kontur des Aktormoduls sehr
genau abbilden können.
Der hohe Umgebungsdruck wird dadurch direkt auf das Piezomodul abgeleitet,
die Metallfolie wird nicht zerstört.
Dies setzt allerdings voraus, dass sich kein Lufteinschluss zwischen
einer Mantelfläche
des Aktormoduls und der Metallfolie bildet. Vorteilhafterweise wird
daher die Mantelfläche
des Aktormoduls möglichst
glatt (ohne Einbuchtungen, keine offene Netzstruktur der Außenelektroden
etc.) gestaltet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Auflagebereich
der Folie auf dem Aktormodul in einer solchen Weise gestaltet ist,
dass die Schutzfolie nicht geknickt oder gefaltet werden muss; dies
ist dann gegeben wenn das Aktormodul einen gleichmäßigen Querschnitt
ohne scharfe Kanten aufweist. Falls Änderungen des Querschnitts
erforderlich sind, sollten diese möglichst stetig erfolgen. Durch
diese Maßnahmen
wird verhindert, dass die Metallfolie während des Ummantelungsvorgangs lokal überdehnt
wird.
-
Zum
Fügen der
Schutzfolie werden vorteilhafterweise Laser- oder Elektronenstrahlen verwendet.
Neben Schweißverfahren,
die mit oder ohne Schweißzusatzstoff
ausgeführt
werden können,
können
auch (Laser-)Lötverfahren
eingesetzt werden.
-
Ein
besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der Anordnung der Schutzfolie
während
des Schweißvorgangs:
Die Schutzfolie liegt nämlich
während
des Fügevorgangs
nicht flächig
(überlappend oder
auf Stoß)
auf dem Aktormodul auf, sondern ist in einer solchen Weise angeordnet,
dass die zu fügenden
Randbereiche der Schutzfolie während
des Fügevorgangs
von beiden Seiten frei zugänglich sind.
Das Risiko einer Beschädigung
des Aktormoduls während
des Fügevorgangs
wird auf diese Weise stark reduziert im Vergleich zu einem Fügeverfahren,
bei dem der Fügebereich
während
des Fügevorgangs
direkten Kontakt mit dem Aktormodul hat. Weiterhin kann die Schutzfolie
und/oder das Aktormodul während
des Fügevorgangs
durch Hilfsvorrichtungen umfasst werden. So kann eine form- und
lagerichtige Position der Schutzfolie während des Fügevorgangs gewährleistet
werden.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Randbereiche
der Schutzfolie verklebt; diese Verklebung ist vorzugsweise großflächig. Ein
besonderer Vorteil dieser Anordnung ist, dass der Fügebereich
sehr einfach verpresst werden kann und dadurch ein Lufteinschluss
verhindert werden kann. Bei dieser Konfiguration sind, bedingt durch
die langen Diffusionswege durch die Klebschicht, die Nachteile einer
Ummantelung auf Polymerbasis weitgehend eliminiert. Als Schutzfolien
können
insbesondere diffusionsdicht beschichtete Kunststofffolien (z.B. metallbeschichtete
Kunststofffolien) verarbeitet werden. Um noch längere Diffusionswege zu realisieren, kann
der Fügebereich
deutlich vergrößert werden. Die überstehende
Folie kann nach dem Fügeprozess entweder
meander- oder spiralförmig
auf der Seitenwand des Aktormoduls abgelegt werden.
-
Die
Randabdichtung am Kopf bzw. am Fuß des Aktormoduls kann durch
eine umlaufende Verklebung der Folie mit dem Aktormodul erfolgen.
Alternativ dazu kann der Folienverbund umlaufend mit dem Kopf- bzw.
Endstück
des Aktormoduls verlötet oder
verschweißt
werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieser Fertigungsschritt
im Vakuum ausgeführt
wird; auf diese Weise kann der Einschluss von Luft verhindert werden.
-
Die
Ummantelung mit Hilfe einer (metallischen oder metallbeschichteten)
Schutzfolie ist kostengünstig
und einfach herstellbar. Die Ummantelung schützt das Aktormodul wirksam
gegen eindringende Medien; weiter ist die Ummantelung auch bei zyklischer
Belastung gegen den hydrostatischen Druck unempfindlich. Sie dichtet – insbesondere
im Fügebereich – das Aktormodul
einfach und dauerhaltbar gegen Umgebungsmedien ab und besitzt ein
ausreichend hohes Dehnvermögen.
Die Ummantelung schützt
das Aktormodul somit wirksam vor Flüssigkeit bzw. Ionen, die im
Kraftstoff enthalten sein können.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand zweier konkreter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigen:
-
1 eine
Schnittdarstellung durch ein mit einer Ummantelung versehenes elektronisches
Bauteil;
-
2 eine
Darstellung des Bauteils der 1 während des
Fügens
der Ummantelung mittels Laserschweißen;
-
3 eine
alternative Ausgestaltung der Ummantelung.
-
1 zeigt
in einer Schnittdarstellung ein elektronisches Bauteil 1,
hier ein Aktormodul (Piezo-Aktor) 1' zur Betätigung des Einspritzventils
eines Kraftstoffinjektors in einem Verbrennungsmotor. Der prinzipielle
Aufbau eines solchen Kraftstoffinjektors ist beispielsweise in der
(deutschen Patentanmeldung 10 2006 012 845.1) erläutert, deren
Offenbarungsgehalt hiermit in die vorliegenden Patentanmeldung übernommen
wird. Das Aktormodul 1' umfasst ein
Piezoelement 8, das von einer elektrisch isolierenden Mantelfläche 7 umgeben
sein kann. Zum Schutz des Piezoelements 8 gegen ein Eindringen von
Medien (wie z.B. Kraftstoff) sowie als Diffusionssperre gegen Wasser
bzw. Ionen im Kraftstoff ist das Aktormodul 1' mit einer Schutzfolie 2 versehen.
-
Zur
Ummantelung des Aktormoduls 1' mit der Schutzfolie 2 wird
diese zunächst
um das Aktormodul 1' herum
geschlungen. Die Randbereiche 3 der Schutzfolie 2 werden
dann in einer solchen Weise aufeinander gelegt, dass die Innenseiten 4 der Schutzfolie 2 aufeinander
zu liegen kommen (siehe 2). In dieser Lage werden die
benachbarten Randbereiche 3 miteinander verbunden. Dies
erfolgt beispielsweise mit Hilfe des Laser- oder Elektronenstrahlschweißens; dabei
entsteht eine Schweißnaht 5,
durch die die Folienrandbereiche 3 dicht miteinander verbunden
sind. Anschließend
werden die vom Aktormodul 1' abstehenden
Randbereiche 3 – wie
in 1 gezeigt – flächig auf
der Mantelfläche 7 des
Piezoelements 8 abgelegt. Dabei können die Randbereiche 3 beispielsweise
spiralförmig
um das Aktormodul 1' herum
geschlungen werden oder aber mäanderförmig auf
einer Seite des Aktormoduls 1' abgelegt werden.
-
Anschließend werden
die (in den Figuren nicht dargestellten) kopf- und fußseitigen
Enden der Schutzfolie 2 mit den kopf- und fußseitigen Endstücken des
Aktormoduls 1' verlötet, verschweißt oder verklebt.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Folie 2 einen
dichten und geschlossenen Hohlraum 6 um das Piezoelement 8 herum
bildet. Das Verbinden der Enden der Schutzfolie 2 mit den
Endstücken
des Aktormoduls 1' erfolgt
vorzugsweise im Vakuum, damit Lufteinschlüsse zwischen der Innenseite 4 der
Schutzfolie 2 und der Mantelfläche 7 des Piezoelements 8 vermieden
werden.
-
Alternativ
zu dem in 1 und 2 gezeigten
Laser- oder Elektronenstrahlschweißen der Folienrandbereiche 3 können diese
Randbereiche 3 durch eine großflächige Klebeverbindung 6 miteinander
gefügt
werden (siehe 3); dabei entsteht ein flächenhafter
Fügebereich 9.
Nach Abschluss des Fügeverfahrens
werden die Randbereiche 3 flächig umgeschlagen, so dass
sie in der in 1 gezeigten Weise flach auf
der Mantelfläche 7 des
Piezoelements 8 zu liegen kommen. Auch hier können die Randbereiche
spiral- oder mäanderförmig auf
dem Aktormodul 1' abgelegt
werden. Anschließend
werden die Enden der Schutzfolie 2 – wie oben beschrieben – mit den
Endstücken
des Aktormoduls 1' verlötet, verschweißt oder
verklebt.
-
In
den Ausführungsbeispielen
der 1 bis 3 besteht die Schutzfolie 2 aus
einer Metallfolie 2',
vorzugsweise aus Al, Fe, Cu, Au, Ag, Pt, Sn, Pb, Ni oder Pd oder
aus einer Legierung auf Basis eines dieser Elemente. Alternativ
kann als Schutzfolie auch eine metallisierte Kunststofffolie vorgesehen
sein, die mit einer diffusionsdichten Beschichtung versehen ist.
Weiterhin können
Schichten bzw. Schichtsysteme eingesetzt werden, in die Ionengetter
implantiert sind. Außerdem
können
als Schutzfolien 2 mehrschichtige Folienverbunde zum Einsatz
kommen, die walzplattiert oder mit einer galvanisch abgeschiedenen
Metallschicht versehen oder mittels Physical Vapour Deposition (PVD)
oder Chemical Vapour Deposition (CVD) beschichtet bzw. erzeugt wurden.
-
Die
in 1 bis 3 schematisch dargestellten
Anordnungen sind nur einige konkrete Ausführungsbeispiele einer Vielzahl
von möglichen
Anordnungsvarianten der Schutzfolie 2 während des Fügevorgangs bzw. nach dem Umschlagen
der Randbereiche 3. Insbesondere können die Randbereiche 3 auch
eine größeren Bereich
der Umfangsfläche
des Aktormoduls 1' bedecken.