DE102007040249A1

DE102007040249A1 - Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors mit elektrisch isolierender Schutzschicht sowie Piezoaktormodul und Piezoaktor mit elektrisch isolierender Schutzschicht

Info

Publication number: DE102007040249A1
Application number: DE102007040249A
Authority: DE
Inventors: Robert Landvogt; Michael Herr; Eugen Hohmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2009-03-05

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors (20) mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht (24) beschrieben, welches die Verfahrensschritte: - Herstellen eines Piezoaktors (20) mit Piezoelementen (6) durch Sintern eines Ausgangsmaterials (40) mit darin eingebrachten Innenelektroden (7, 8), - Entfernen einer beim Sintern des Ausgangsmaterials (40) entstandenen Sinterhaut (60) an den Stirnflächen (75) des Piezoaktors (20), - Freilegen von Kontaktflächen zur Verbindung der Innenelektroden (7, 8) mit Außenelektroden (10, 11) an mindestens einer Umfangsfläche (70) des Piezoaktors (6) durch gezieltes Entfernen der Sinterhaut (60) an den Kontaktflächen, wobei an den verbleibenden Umfangsflächen (70), welche frei von Kontaktflächen sind, die Sinterhaut (60) als elektrisch isolierende Schutzschicht (24) belassen wird, sowie - Fertigstellung des Piezoaktors (20) durch Anordnung von Außenelektroden (10, 11) unter gleichzeitigem Kontaktieren der Innenelektroden (7, 8) an den freigelegten Kontaktflächen umfasst. Darüber hinaus wird ein nach einem solchen Verfahren hergestelltes Piezoelement (6) umfassender Piezoaktor (20) sowie ein einen solchen Piezoaktor (20) umfassendes Piezoaktormodul (3) beschrieben.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs 1, sowie einen Piezoaktor oder ein Piezoaktormodul nach den gattungsgemäßen Merkmalen der Ansprüche 5 oder 6.
Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau eines zuvor erwähnten Piezoaktors oder Piezoaktormoduls Piezoelemente so eingesetzt werden, dass unter Ausnutzung des so genannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubs eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Die Piezolagen aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden, die die Piezolagen jeweils einschließen, eine mechanische Reaktion der Piezoelemente erfolgt. Die Innenelektroden sind über beispielsweise entlang dem Piezoaktor verlaufende Außenelektroden elektrisch kontaktiert.
In Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung stellt die mechanische Reaktion einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung dar. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
Piezoaktoren werden beispielsweise in Piezoinjektoren eingesetzt, welche zur zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in periodisch arbeitenden Verbrennungsmotoren verwendet werden.
Ein Piezoinjektor besteht im Wesentlichen aus einem Haltekörper und einem in dem Haltekörper angeordneten Piezoaktormodul, bestehend aus einem Kopf- und einem Fußteil, sowie einem zwischen Kopf- und Fußteil angeordneten Piezoaktor aus mit den Piezoelementen. Das Piezoaktormodul ist mit einer Düsennadel verbunden, so dass durch Anlegen oder Wegnahme einer Spannung an die Piezoelemente eine Düsenöffnung freigegeben oder verschlossen wird.
Bei der so genannten direkten Düsennadelsteuerung wird der Piezoaktor im Haltekörper des Piezoinjektors direkt im Kraftstoff unter Hochdruck betrieben. Ein Piezoinjektor mit direkter Düsennadelsteuerung ist beispielsweise aus EP 117 46 15 A2 bekannt.
Zum Schutz des Piezoaktors bzw. der Piezoelemente vor Feuchtigkeit, etwa vor im Kraftstoff enthaltenem Wasser, Raps-Methyl-Ester (RME) oder sonstigen elektrisch leitenden Substanzen, ist es bekannt, den Piezoaktor in einem Piezoinjektor mit direkter Düsennadelsteuerung zumindest teilweise mit einer Schutzummantelung zu versehen.
Hierzu wird der durch Sintern hergestellte Piezoaktor zunächst an allen seinen Außenflächen geschliffen, dann werden die Außenelektroden aufgebracht und dabei mit den Innenelektroden elektrisch leitend verbunden und anschließend wird zur elektrischen Isolierung eine Schutzschicht in Form eines Isolierlacks beispielsweise im Tauchverfahren aufgebracht.
Durch die WO 01/48834 A2 ist bekannt, eine elektrische Isolation eines Piezoaktors durch eine Schutzschicht aus Kunststoff zu erzielen, welche beispielsweise durch Spritzgießen aufgebracht wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht aus. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:

– Herstellen des Piezoaktors mit den Piezoelementen durch Sintern eines Ausgangsmaterials mit darin eingebrachten Innenelektroden,
– Entfernen einer beim Sintern des Ausgangsmaterials entstandenen Sinterhaut an den Stirnflächen des Piezoaktors, beispielsweise durch Schleifen, beispielsweise zur späteren Anordnung von Aktorkopf und Aktorfuß zur Herstellung eines Piezoaktormoduls,
– gezieltes Freilegen von Kontaktflächen zur Verbindung der Innenelektroden mit Außenelektroden am Umfang des Piezoaktors durch gezieltes Entfernen der Sinterhaut an den Kontaktflächen, beispielsweise durch Partikelstrahlen, wobei an den verbleibenden Umfangsflächen, welche frei von Kontaktflächen sind, die Sinterhaut als elektrisch isolierende Schutzschicht gezielt belassen wird, sowie
– Fertigstellung des Piezoaktors durch Anordnung von Außenelektroden unter gleichzeitigem Kontaktieren der Innenelektroden an den freigelegten Kontaktflächen.

Gegebenenfalls kann die Erzeugung weiterer funktioneller Schichten vorgesehen sein, welche dann zusammen mit der durch die Sinterhaut gebildeten, elektrisch isolierenden Schutzschicht ein Schutzschichtsystem bildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine gezielte Außenisolierung eines Piezoaktors durch Nutzung der elektrisch isolierenden Eigenschaften der Sinterhaut in Verbindung mit einer Eigenschrumpfung der in den Sinterprozess eingebrachten Werkstoffe für die Piezolagen und die Innenelektroden beim Sintern.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass durch einen Verbleib der elektrisch isolierenden Sinterhaut an denjenigen verbleibenden Umfangsflächen am Umfang des Piezoaktors, welche frei von Kontaktflächen sind, auf das Aufbringen einer gesonderten elektrisch isolierenden Schutzschicht auf den Piezoaktor verzichtet werden kann. Dabei wird der Effekt genutzt, dass die in das zu sinternde Ausgangsmaterial des Piezoaktors eingebrachten Innenelektroden beim Sintern eine Eigenschrumpfung erfahren, wodurch sich ein Versatz der Innenelektroden zur aktiven Außenfläche am Umfang des Piezoelements ergibt. Die Innenelektroden sind nach dem Sintern um etwa 10–15 μm gegenüber der durch die Sinterhaut gebildeten, aktiven Außenfläche nach innen verschoben und bilden so eine natürliche Isolationsschicht. Hierdurch wird der Sinterprozess bzw. die beim Sintern auftretende Materialschrumpfung gezielt für die elektrische Isolierung des Piezoaktors ausgenutzt. Eine Entfernung der Sinterhaut bzw. ein Freilegen erfolgt nur an den positiven und negativen Kontaktflächen der Außenelektroden mit den Innenelektroden, vorzugsweise durch gezieltes Partikelstrahlen.
Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich insbesondere daraus, dass der kostenintensive Arbeitsschritt des Umfangsschleifens entfällt. Stattdessen kann eine kostengünstige Strahltechnik für das Freilegen der Kontaktflächen der Innenelektroden zum Aufbau der Außenkontaktierung angewandt werden. Darüber hinaus entfällt der Herstellungsschritt des Aufbringens des Isolierlacks.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das gezielte Freilegen der Kontaktflächen durch gezieltes Partikelstrahlen erfolgt. Mit einem gezielten Partikelstrahl ist es mit geringem Aufwand möglich, nur die Kontaktflächen zum Verbinden der Innenelektroden mit den Außenelektroden freizulegen, ohne dabei die gewünschte, elektrisch isolierende Sinterhaut an den übrigen Umfangsflächen zu beschädigen.
Das Entfernen der Sinterhaut an den Stirnflächen des Piezoaktors kann, wie auch beim Stand der Technik erfolgreich angewandt, durch Schleifen erfolgen. Hierdurch können vorhandene Einrichtungen genutzt werden, was eine nur mit geringen Neuinvestitionen verbundene kostengünstige Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt.
Vorzugsweise weisen die Innenelektroden bereits beim Einbringen in das Ausgangsmaterial vor dem Sintern ein auch als Spiel bezeichenbares Untermaß auf, wodurch eine elektrisch isolierende Schutzschicht mit einer größeren Dicke erzeugt werden kann.
Ein zweiter Gegenstand der Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit Piezoelementen aus einem gesinterten Ausgangsmaterial mit darin eingebrachten, mittels Außenelektroden über Kontaktflächen kontaktierter Innenelektroden und einer zumindest den Piezoaktor umhüllenden, elektrisch isolierenden Schutzschicht, wobei zumindest ein Teil der Schutzschicht vorzugsweise an zumindest einer Umfangsfläche des Piezoaktors aus einer beim Sintern des Ausgangsmaterials entstandenen Sinterhaut besteht, wobei die Sinterhaut im Bereich der Kontaktflächen zwischen Außen- und Innenelektroden gezielt entfernt ist und zumindest an den verbleibenden Umfangsflächen, welche frei von Kontaktflächen sind, die Sinterhaut als elektrisch isolierende Schutzschicht belassen ist.
Ein dritter Gegenstand der Erfindung betrifft ein Piezoaktormodul umfassend einen Aktorfuß und einen Aktorkopf und mindestens einen dazwischen eingefassten Piezoaktor aus mindestens einem aus einem gesinterten Ausgangsmaterial mit darin eingebrachten, mittels Außenelektroden über Kontaktflächen kontaktierter Innenelektroden bestehenden Piezoelementen, sowie einer zumindest den Piezoaktor umhüllenden, elektrisch isolierenden Schutzschicht, wobei zumindest ein Teil der Schutzschicht vorzugsweise an zumindest einer Umfangsfläche des Piezoaktors aus einer beim Sintern des Ausgangsmaterials entstandenen Sinterhaut besteht, wobei die Sinterhaut im Bereich der Kontaktflächen zwischen Außen- und Innenelektroden gezielt entfernt ist und zumindest an den verbleibenden Umfangsflächen, welche frei von Kontaktflächen sind, die Sinterhaut als elektrisch isolierende Schutzschicht belassen ist.
Sowohl der Piezoaktor, als auch das Piezoaktormodul erlauben die Vorteile des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zu nutzen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Piezoinjektors in einem Längsschnitt,
2 eine schematische Darstellung eines Laminiermagazins zur Herstellung eines Piezoaktors,
3 eine schematische Darstellung eines Details A eines mittels des Laminiermagazins in der 2 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Piezoaktors,
4 eine vergrößerte Darstellung des Details A aus 3, sowie
5 eine schematische Darstellung eines weiteren, stark vergrößerten Details eines gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Piezoaktors.
Ein in 1 dargestellter Piezoinjektor 1 umfasst im wesentlichen einen Haltekörper 2 und ein in dem Haltekörper 2 angeordnetes Piezoaktormodul 3, das unter anderem einen Aktorkopf 4 und einen Aktorfuß 5 aufweist. Es sind dabei zwischen dem Aktorkopf 4 und dem Aktorfuß 5 mehrere übereinander gestapelte Piezoelemente 6 zur Bildung des eigentlichen Piezoaktors 20 vorhanden, die jeweils aus Piezolagen aus Piezokeramik und diese einschließende Innenelektroden 7 und 8 bestehen.
Die Innenelektroden 7 und 8 der Piezoelemente 6 sind mit Außenelektroden 10 und 11 und dann über ein Steckerteil 9 elektrisch kontaktiert. Das Piezoaktormodul 3 ist über einen Koppler 12 mit einer Düsennadel 13 verbunden. Durch Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente 6 über die Innenelektroden 7 und 8 und die daraus folgende mechanische Reaktion wird, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert, eine Düsenöffnung 14 freigegeben. Das Piezoaktormodul 3 wird bei der dargestellten Anwendung nach der 1 als Piezoinjektor 1 in einem Raum 15 von einem mit dem Piezoinjektor 1 zu dosierenden Medium, typischerweise einem Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor umströmt.
Der Piezoaktor 20, bzw. die Piezoelemente 6 eines solchen Piezoaktors 20 sind durch eine elektrisch isolierende Schutzschicht 24 vor dem Kraftstoff im Raum 15, bzw. vor schädlichen Bestandteilen des Kraftstoffs, wie etwa Wasser, RME oder sonstigen elektrisch leitenden Substanzen, geschützt.
Die Piezoelemente 6 werden mittels einem in 2 dargestellten Laminiermagazin 30 durch Sintern eines Ausgangsmaterials 40 mit darin eingebrachten Innenelektroden 7, 8 hergestellt. Beim Sintern entsteht an den Grenzflächen 50 zwischen dem Ausgangsmaterial 40 und dem Laminiermagazin 30 eine in den 3, 4 und 5 erkennbare Sinterhaut 60, welche elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
Beispielsweise um Anbauteile, wie etwa der Aktorkopf 4 oder der Aktorfuß 5 an dem Piezoaktor 20 (vgl. 1) anordnen zu können, wird die Sinterhaut an den Stirnflächen 75 durch Schleifen entfernt (5), wohingegen sie an den Umfangsflächen 70 zunächst vollständig belassen wird.
Zur elektrischen Kontaktierung der Außenelektroden 10, 11 mit den Innenelektroden 7, 8 wird die Sinterhaut 60 anschließend nur im Bereich von Kontaktflächen gezielt entfernt. Die Kontaktflächen zur positiven und zur negativen Kontaktierung der Innenelektroden 7, 8 mit den Außenelektroden 10, 11 liegen dabei auf gegenüberliegenden Umfangsflächen 70 des Piezoaktors 20. Durch das gezielte Entfernen der Sinterhaut 60 nur im Bereich der Kontaktflächen, wird die elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisende Sinterhaut 60 an den verbleibenden Teilen der Umfangsflächen 70, welche frei von Kontaktflächen sind, als elektrisch isolierende Schutzschicht 24 belassen.
Durch Herstellung eines Piezoaktors 20 nach dem oben beschriebenen Verfahren wird der Effekt genutzt, dass die in das zu sinternde Ausgangsmaterial 40 des Piezoaktors 20 bzw. der Piezoelemente 6 eingebrachten Innenelektroden 7, 8 beim Sintern eine Eigenschrumpfung erfahren, wodurch sich ein Versatz der Innenelektroden 7, 8 zur durch die Grenzfläche 50 gebildeten aktiven Außenfläche am Umfang der Piezoelemente 6 ergibt. Die Innenelektroden 7, 8 sind nach dem Sintern um etwa 10–15 μm gegenüber der durch die Sinterhaut 60 gebildeten, aktiven Außenfläche nach innen verschoben und bilden so eine natürliche Isolationsschicht.
Die beim Sintern einer Eigenschrumpfung unterliegenden Innenelektroden 7, 8 können, wie in 4 deutlich erkennbar, bereits beim Einbringen in das Ausgangsmaterial 40 vor dem Sintern ein auch als Spiel bezeichenbares Untermaß aufweisen, wodurch eine elektrisch isolierenden Schutzschicht 24 mit einer größeren Dicke erzeugt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1174615 A2 [0006]
- WO 01/48834 A2 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors (20) mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht (24), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: – Herstellen der Piezoelemente (6) des Piezoaktors (20) durch Sintern eines Ausgangsmaterials (40) mit darin eingebrachten Innenelektroden (7, 8), – Entfernen einer beim Sintern des Ausgangsmaterials (40) entstandenen Sinterhaut (60) an den Stirnflächen (75) des Piezoaktors (20), – Freilegen von Kontaktflächen zur Verbindung der Innenelektroden (7, 8) mit Außenelektroden (10, 11) an mindestens einer Umfangsfläche (70) der Piezoelemente (6) durch gezieltes Entfernen der Sinterhaut (60) an den Kontaktflächen, wobei an den verbleibenden Umfangsflächen (70), welche frei von Kontaktflächen sind, die Sinterhaut (60) als elektrisch isolierende Schutzschicht (24) belassen wird, sowie – Fertigstellung des Piezoaktors (20) durch Anordnung von Außenelektroden (10, 11) unter gleichzeitigem Kontaktieren der Innenelektroden (7, 8) an den freigelegten Kontaktflächen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gezielte Freilegen der Kontaktflächen an der mindestens einen Umfangsfläche (70) durch gezieltes Partikelstrahlen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Sinterhaut an den Stirnflächen (75) des Piezoaktors (20) durch Schleifen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenelektroden (7, 8) bereits beim Einbringen in das Ausgangsmaterial (40) vor dem Sintern ein Untermaß aufweisen, zur Erzeugung einer größeren Dicke der elektrisch isolierenden Schutzschicht (24).
Piezoaktor (20) umfassend Piezoelemente (6) aus einem gesinterten Ausgangsmaterial (40) mit darin eingebrachten, mittels Außenelektroden (10, 11) über Kontaktflächen kontaktierten Innenelektroden (7, 8) und einer zumindest die Piezoelemente (6) umhüllenden, elektrisch isolierenden Schutzschicht (24), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Schutzschicht (24) aus einer beim Sintern des Ausgangsmaterials (40) entstandenen Sinterhaut (60) besteht, wobei die Sinterhaut (60) im Bereich der Kontaktflächen zwischen Außen- (10, 11) und Innenelektroden (7, 8) gezielt entfernt und zumindest an den verbleibenden Umfangsflächen (70), welche frei von Kontaktflächen sind, als elektrisch isolierende Schutzschicht (24) belassen ist.
Piezoaktormodul (3) umfassend einen Aktorfuß (5) und einen Aktorkopf (4) und mindestens einen dazwischen eingefassten Piezoaktor (20) aus mindestens einem aus einem gesinterten Ausgangsmaterial (40) mit darin eingebrachten, mittels Außenelektroden (10, 11) über Kontaktflächen kontaktierter Innenelektroden (7, 8) bestehenden Piezoelemente (6), sowie einer zumindest die Piezoelemente (6) umhüllenden, elektrisch isolierenden Schutzschicht (24), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Schutzschicht (24) aus einer beim Sintern des Ausgangsmaterials (40) entstandenen Sinterhaut (60) besteht, wobei die Sinterhaut (60) im Bereich der Kontaktflächen zwischen Außen- (10, 11) und Innenelektroden (7, 8) gezielt entfernt und zumindest an den verbleibenden Umfangsflächen (70), welche frei von Kontaktflächen sind, als elektrisch isolierende Schutzschicht (24) belassen ist.