DE102008055131A1

DE102008055131A1 - Piezoaktor, Kraftstoff-Injektor mit Piezoaktor sowie Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors

Info

Publication number: DE102008055131A1
Application number: DE102008055131A
Authority: DE
Inventors: Martin Rittner; Rainer Holz; Franz Wetzl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2010-07-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor (7), umfassend mindestens einen Piezokörper (10) und mindestens eine fest mit dem Piezokörper (10) verbundene erste Elektrode (9). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Elektrode (9) als offen poröses Sinterformteil (8) ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoff-Injektor (1) sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors (7).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Kraftstoff-Injektor mit einem Piezoaktor gemäß Anspruch 6 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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 Invar-Siebelektroden. Dabei sind die Siebelektroden mit einer Silber-Schicht der Piezokörper mittels bleifreiem SnAgCu-Lot verlötet. Um den Lötvorgang ausführen zu können, müssen die Invar-Siebelektroden zuvor durch eine galvanische Oberflächenabscheidung von SnCu0,7 benetzbar gemacht werden. Das Invar als Grundwerkstoff und auch die abscheidende Galvanik sind wesentliche Kostentreiber für den Aufbau eines Einspritzsystems mittels Piezoaktoren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen alternativen, kostengünstig herstellbaren, als Verbundbauteil ausgebildeten 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 ausgebildeten Piezoaktor sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors anzugeben.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Piezoaktors mit den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich des Kraftstoff-Injektors mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 7 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.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die im Stand der Technik zum Einsatz kommende Invar-Elektrode durch ein offen poröses Sinterformteil zu ersetzen. Anders ausgedrückt werden zwei Piezokörper (Piezokeramikkörper, Piezokristallkörper) nicht wie im Stand der Technik über eine Silberelektrode miteinander verbunden, sondern über ein als Elektrode dienendes, offen poröses Sinterformteil. Bevorzugt beträgt dabei die Dickenerstreckung des zum Einsatz kommenden Sinterformteils (Sinterfolie) in Stapelrichtung der Piezokörper zwischen etwa 10 μm und etwa 100 μm oder mehr. Ein derartiges Sinterformteil besitzt den Vorteil bereits integrierter und im nachfolgenden Fügeprozess mit den Piezokörpern (Fügepartner) stabiler Gaskanäle für die Be- und Entlüftung der sich beispielsweise durch Sintern, Löten, Schweißen oder Kleben auszubildenden Fügestelle. Der Einsatz eines porösen Sinterformteils als Elektrode wirkt sich positiv auf den Fügeprozess der Piezokörper mit dem mindestens einen Sinterformteil aus, insbesondere wenn es sich um vergleichsweise großflächige Piezokörper handelt. Ein Vorteil besteht insbesondere in einer erhöhten Temperaturwechselbeständigkeit.
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 Sin terformteile sind im Hinblick auf ihre hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Vorteil. Darüber hinaus eignet sich Silber zum Realisieren einer durchgehend offenen, Gaskanäle bildenden, Porosität.
Im Hinblick auf das Fügen des mindestens einen Piezokörpers mit dem mindestens einen Sinterformteil gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, wobei es im Rahmen der Erfindung liegt, sämtliche Piezokörper mit den zugehörigen Sinterformteilen mit der identischen Methode oder mit unterschiedlichen Methoden zu fügen. Gemäß einer ersten Alternative wird das als Elektrode dienende Sinterformteil mit dem Piezokörper 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 des Piezokörpers 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.
Alternativ ist es möglich, den Piezokörper 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 dem mindestens einen Piezokörper. 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 eingesetzte 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 dabei die auf den reinen Lotwerkstoff zerstörend wirkenden thermo-mechanischen Spannungen, insbesondere während des späteren Einsatzes des beschaffenen Piezoaktors, vorzugsweise in einem Kraftstoff-Injektor. Die beim Lötprozess entstehenden Gase können optimal durch die von der Porosität des Sinterformteils gebildeten Gaskanäle abgeleitet werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Verbindung des mindestens einen Piezokörpers mit dem mindestens einen als Elektrode dienenden Sinterformteil besteht darin, den Piezokörper 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.
Darüber hinaus ist es möglich, den mindestens einen Piezokörper 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 dem Silberkristallkörper verbinden.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Piezoaktors, bei der mindestens ein Piezokörper sandwichartig zwischen zwei Sinterformteilen aufgenommen ist, wobei ganz besonders bevorzugt die Sinterformteile identisch ausgebildet sind. Dabei ist es möglich, beide Sinterformteile über dasselbe Fügeverfahren, oder alternativ über unterschiedliche Fügeverfahren, wie Sintern, Kleben, Löten oder Schweißen an den Piezokörper festzulegen.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass nicht nur ein Piezokörper und zwei Sinterformteile, sondern dass jeweils eine Vielzahl von Piezokörpern und eine Vielzahl von Sinterformteilen vorgesehen sind. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die Piezokörper und die Sinterformteile alternierend in eine Stapelrichtung zur Bildung eines Piezostacks angeordnet sind.
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.
Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines, vorzugsweise wie zuvor beschrieben ausgebildeten, Piezoaktors. Kern des Verfahrens ist es, mindestens einen Piezokörper mit einem offen porösen Sinterteil (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 kann, so dass eine Rissbildung vermieden wird. Bevorzugt erfolgt die Gasabfuhr und die Gaszufuhr aus seitlicher Richtung, also quer zur Stapelrichtung der Piezokörper und der Sinterformteile.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante des Verfahrens, bei dem vor dem eigentlichen Fügeprozess zum Verbinden des Piezokörpers mit dem Sinterformteil das Sinterformteil, insbesondere mittels eines Stempels und einer Matrize hergestellt wird. Dabei ist es möglich, unmittelbar das Sinterformteil zu sintern, oder das Sinterformteil nach erfolgtem Sinterprozess aus einem großen Sinterteil herauszuarbeiten, beispielsweise herauszustanzen, zu sägen, oder zu schneiden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
1 in einer sehr stark schematisierten Ansicht einen Kraftstoff-Injektor mit einem Piezoaktor zur unmittelbaren Ansteuerung eines einteiligen Einspritzventilelementes über einen hydraulischen Koppler,
2 ein aus Silbermetall-Flakes hergestelltes Sinterformteil und
3 schematisch einen Herstellungsprozess zum Herstellen eines Piezoaktors.
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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 Kraftstoffhochdruckspeicher (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 (Servoventil), mit dem der Kraftstoffdruck in einer Steuerkammer (Servokammer) steuerbar ist, die von dem ein- oder mehrteiligen Einspritzventilelement 4 begrenzt ist.
2 zeigt den Aufbau eines Sinterformteils 8, welches bei dem in 1 nur angedeuteten Piezoaktor 7 als Elektrode 9 zum Einsatz kommt. Genauer ausgedrückt sind sämtliche Elektroden 9 des als Stapelaktor ausgebildeten Piezoaktors 7 gemäß 1 jeweils als Sinterformteil 8 ausgebildet. 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. Bevorzugt treten die Gase seitlich, also quer zur in 3 angedeuteten Stapelrichtung S aus den Poren bzw. aus den von diesen gebildeten Gaskanälen aus, wodurch eine Rissbildung, insbesondere bei einem etwaigen Sinter- oder Lötprozess vermieden wird.
3 zeigt stark schematisiert einen Herstellungsprozess zum Herstellen eines in der Zeichnungsebene rechts dargestellten Piezoaktors 7. Aus Übersichtlichkeitsgründen umfasst der Piezoaktor 7 gemäß 3 lediglich zwei von jeweils einem Sinterformteil 8 gebildete Elektroden 9, die einen Piezokörper 10 sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Die Sinterformteile 8 sind fest mit dem Piezokörper 10 verbunden. Bevorzugt sind eine Vielzahl von Sinterformteilen und Piezokörpern alternierend in Stapelrichtung S angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wurde, wie aus 3 links zu erkennen ist, auf beide Flächenseiten des Piezokörpers 10 zunächst Sinterpaste 11, hier Silbersinterpaste, als Depot aufgebracht. Nach dem Stapeln in Stapelrichtung S werden die Sinterformteile 8 sowie der sandwichartig dazwischen aufgenommene Piezokörper 10 einem Sinterprozess 12 zugeführt. Bei diesem Sinterprozess 12 handelt es sich um den zweiten Sinterprozess 12 der Sinterformteile 8. Der Gasaustausch für das Sintern der Sinterpaste 11 kann über das gesamte poröse Volumen der Sinterformteile 8 stattfinden. Die Sinterpaste 11 muss nicht wie zuvor beschrieben zwingend auf beide Flächenseiten des Piezokörpers 10 aufgetragen werden. So ist es möglich, Silberpaste zusätzlich oder alternativ auf die Sinterformteile 8 oder nur auf ein Sinterformteil sowie auf nur eine Flächenseite des Piezokörpers 10 aufzutragen.
Anhand von 3 ist auch ein alternativer Fügeprozess erläuterbar. So können die Sinterformteile 8 mit dem Piezokörper 10 beispielsweise verlötet werden, wobei hierzu auf die Sinterformteile 8 und/oder den Piezokörper 10 Lotwerkstoff 13 gedruckt oder dispenst werden/wird. Zusätzlich wird ein Flussmittel aufgetragen, woraufhin die Sinterformteile 8 mit dem Piezokörper 10 durch Temperatureinwirkung verlötet werden, wobei die Feststoffe im Lotwerkstoff 13 hierbei zunächst in die flüssige Phase übergehen. Bei der alternativen Verfahrensvariante kennzeichnet der mit dem Bezugszeichen 14 gekennzeichnete Pfeil den Lötvorgang bzw. Lötprozess.
Auch ist es möglich, die Sinterformteile 8 mit dem Piezokörper 10 zu verkleben. In diesem Fall handelt es sich bei den mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichneten Teilen um, vorzugsweise metallhaltigen, insbesondere silberhaltigen, Kleber 15.

Claims

Piezoaktor, umfassend mindestens einen Piezokörper (10) und mindestens eine fest mit dem Piezokörper (10) verbundene erste Elektrode (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (9) als offen poröses Sinterformteil (8) ausgebildet ist.
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterformteil (8) aus Silbermetall, insbesondere Silbermetall-Flakes, hergestellt ist und/oder Silbermetall, insbesondere Silbermetall-Flakes, umfasst.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezokörper (10) mit dem Sinterformteil (8), vorzugsweise mittels Sinterpaste (11) oder unmittelbar, d. h. ohne zusätzliche Sinterpaste (11), versintert oder, insbesondere mittels Lotpaste, Lotpulver oder einem Lotformteil, verlötet, oder verschweißt, insbesondere ultraschallverschweißt, reibverschweißt oder widerstandsverschweißt oder, insbesondere durch Leitkleben, verklebt ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Piezokörper (10), vorzugsweise auf einer von der ersten Elektrode (9) abgewandten Seite, eine als offen poröses Sinterformteil (8) ausgebildete zweite Elektrode (9), vorzugsweise durch Sintern, Kleben, Löten oder Schweißen festgelegt ist.
Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von alternierend angeordneten, jeweils als Sinterformteil (8) ausgebildeten Elektroden (9) und Piezokörpern (10) vorgesehen sind.
Kraftstoff-Injektor mit einem Piezoaktor (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Verstellen eines Steuerventils oder unmittelbaren Verstellen einer Düsennadel.
Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors (7), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mindestens ein Piezokörper mit mindestens einer ersten Elektrode (9) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Elektrode (9) ein Sintertormteil (8) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterformteil (8) aus Silbermetall, insbesondere Silbermetall-Flakes, hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dass bei der Herstellung des Sinterformteils (8) ein Sinterteil in eine Vielzahl von Sinterformteilen (8) vereinzelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezokörper (10) mit dem Sinterformteil (8), vorzugsweise mittels Sinterpaste (11) oder unmittelbar, d. h. ohne zusätzliche Sinterpaste (11), versintert oder, insbesondere mittels Lotpaste, Lotpulver oder einem Lotformteil, verlötet, oder mit oder ohne Hilfsstoff verschweißt, insbesondere ultraschallverschweißt, reibverschweißt oder widerstandsverschweißt, oder, insbesondere durch Leitkleben, verklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterpaste (11) oder die Lotpaste, vorzugsweise zusätzlich ein Flussmittel, oder der Hilfsstoff vor dem Fügen auf den Piezokörper (10) und/oder das Sinterformteil (8) aufgetragen, vorzugsweise gedruckt oder dispenst, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezokörper (10) mit dem Sinterformteil (8) verschweißt, vorzugsweise ultraschallverschweißt, wird mit oder ohne Hilfsstoff.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Sinterformteilen (8) und Piezokörper (10) zu einem Piezostack, in einem gemeinsamen oder in mehreren Prozessschritten, gefügt werden.