CN101432902A - 具有梯度封装层的压电执行元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电执行元件1的梯度封装层20的制造方法。基于该梯度封装层20，压电执行元件1不需要附加的外壳类包封结构来对外得以保护。通过冷气喷涂由不同材料特性的颗粒制造梯度封装层20。

Description

具有梯度封装层的压电执行元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及压电执行元件的梯度封装层的制造方法以及具有梯度封装层的压电执行元件。

背景技术

近年来，由于压电执行元件(Piezoaktor)越来越多的使用，例如在汽车工业的柴油喷射系统中对压电陶瓷执行元件或简称为压电执行元件的需求急剧上升。这种需求同样支持着压电执行元件的发展。在众多新的喷射系统的构造中，压电执行元件应该完全被柴油包围。喷射设备的这种构造也被人们称为“湿设计(wet design)”。

由于压电执行元件在与脏的或者通过添加剂修改的柴油直接接触时会受到化学和电侵蚀，因此必须为压电执行元件提供相应的保护套。这种保护套不仅应该针对由于导电燃料引起的可能短路提供电绝缘而且应该针对周围的燃料对压电执行元件的组成部分的侵蚀提供化学绝缘。

在现有技术中，不同构造的金属外壳是已知的，这种金属外壳包围压电执行元件。这种外壳的例子是波形管。为了实现把由燃料所施加的压力传递给处于内部的压电执行元件，对金属外壳填充适当的液体填料。但这种设计解决方案的缺点是，制造费用高，占地大。

本发明的问题因此是，为压电执行元件提供保护，这种保护针对外来的影响确保提供可靠的电和化学绝缘。

发明内容

上述问题可通过按照独立专利权利要求1所述的压电执行元件梯度封装层的制造方法以及通过按照独立专利权利要求8所述的具有梯度封装层的压电执行元件来解决。本发明的改进和本发明的优点可以从后面的说明书，附图以及从属专利权利要求中得知。

上述制造方法产生压电执行元件的梯度封装层，使在无附加的外壳形状的包封结构的情况下对外保护压电执行元件。这种制造方法包含下述步骤：a)给第一粉末输送机装载由第一原料组成的颗粒，这种第一原料针对所选择的介质是有化学抵抗力的，b)给第二粉末输送机装载由第二原料组成的颗粒，这种第二原料具有弹性材料特性，和c)借助第一和第二粉末输送机把第一颗粒和第二中颗粒热喷涂、尤其是冷气喷涂到压电执行元件的表面，使得形成梯度封装层。

在按照本发明的方法中利用热喷涂、尤其是冷气喷涂工作。在这种方法中，在施加到相应的表面之前不对涂层材料进行融化。而是利用高动能把不同原料的粉末颗粒喷涂到要涂层的表面。在将各个颗粒施加到表面上时对于每个单个颗粒形成局部的焊接/融化区。当经冷气喷涂的颗粒在压电执行元件的表面上形成层时，原材料的特性不被改变或者仅仅被少许改变。为此，为了在压电执行元件上生成梯度封装层而施加不同原料的或者原料组合的颗粒，使得可以在梯度封装层的内部有针对性地调节梯度封装层的物理和/或化学特性。在施加梯度封装层期间改变不同颗粒的成分，由此在梯度封装层的不同的层深或者在至压电执行元件的表明的不同距离在该层内得出不同的物理和/或化学特性。

按照本制造方法的实施形式，在冷气喷涂期间改变第一颗粒的份额(Anteil)和/或改变第二颗粒的份额，使得在梯度封装层中根据其层厚第一和/或第二颗粒的化学和/或物理材料特性确定化学和/或物理层特性，并且所述层特性随梯度封装层的层厚而变化。

为了例如在高压下在应用于柴油中时给压电执行元件提供足够的保护，必须给梯度封装层不仅提供化学保护而且提供机械保护。通过以下方式确保化学保护，即梯度封装层在与周围的柴油的接界处具有抵抗燃料的化学侵蚀的金属区。通过冷气喷涂金属颗粒、优选球形的金属颗粒来获得这种金属区。

为了保护外面的金属区免受压电执行元件正常运行时的过载膨胀，优选地在压电执行元件的表面和梯度封装层中的金属区之间生成能良好弹性变形的区域，通过这种弹性特性(例如聚合物或者其它塑料所提供的弹性特性)，压电执行元件的正常运行膨胀随着与压电执行元件的表面的距离增大而在梯度封装层内被抑制，使得只有一小部分压电执行元件膨胀被传到梯度封装层的金属区，不对该金属区造成损害。梯度封装层内的这种弹性区域可通过冷气喷涂带有塑料包层的金属颗粒或者通过冷气喷涂塑料颗粒作为第二颗粒来生成。例如使用柏林的Capsulution NanoSience股份公司的LBL技术制造这种带有塑料包层的金属颗粒。

也可以设想，如此调节第二颗粒的材料特性，使得所述第二颗粒与弹性材料特性同时地也起电绝缘作用。这适用于把第二颗粒直接施加到压电执行元件的表面上，使得防止在向外伸出的内电极之间出现短路以及例如当出现极性裂纹时防止负面影响。

也可以设想，附加地冷气喷涂至少第三颗粒，使得第三颗粒的原料特性可以根据其在梯度封装层中的份额有针对性地在梯度封装层的层厚范围中作为层特性来产生。

按照本发明，具有梯度封装层的压电执行元件具有下述特征：a)压电执行元件，优选多层执行元件，b)在压电执行元件的外表面上所施加的梯度封装层，具有至少一个化学和/或物理特性，所述特性随着与压电执行元件表面的距离增大而变化，优选地，梯度封装层的这种特性随着与压电执行元件表面的距离增大而逐渐变化。

按照优选的实施形式，梯度封装层在与压电执行元件表面接界处包括弹性材料性能的第一区域，在与梯度封装层的外侧接界处包括有化学抵抗能力的材料性能的第二区域。这例如通过第一区域由塑料或者塑料金属混合物组成和第二区域由金属组成来实现。

附图说明

参照附图对本发明进行详细解释。

所述附图示出根据优选实施形式具有梯度封装层的压电执行元件的示意剖面图。

具体实施方式

该图显示了具有梯度封装层20的压电执行元件1的示意性视图。梯度封装层20被施加在压电执行元件1的表面10上。优选地，梯度封装层在压电执行元件1的表面10上与所述压电执行元件的堆叠方向30平行。根据另外一个变型方案，压电执行元件1完全被梯度封装层20包围。

通过冷气喷涂生成梯度封装层20。这种方法是热喷涂的一种形式，其中在施加到表面之前不融化涂层材料。为了借助于冷气喷涂生成梯度封装层20，把粉末形式的涂层材料以高动能喷射到压电执行元件1的表面10。为此利用公知的粉末输送机把梯度封装层20的原材料或原料输送给载气，使得所述载气向表面10的方向加速涂层材料的颗粒。

除了提供涂层材料的颗粒之外，借助于粉末输送机调节，所加速的粉末颗粒的量以何种组成射向压电执行元件1的表面10。这是重要的，以便在梯度封装层20的不同的深度范围有针对性地调节梯度封装层20的物理和化学特性。也即尽管形成层，原材料的或者在冷气喷涂期间要施加的粉末颗粒的化学和机械特性不被改变或者只被微小改变。因此，根据在形成梯度封装层20时如何选择原材料的或至少两种粉末的颗粒的份额，在梯度封装层20的所选出的区域中出现相应的由颗粒预先给定的特性。如果例如用由弹性塑料组成的颗粒对压电执行元件的表面10涂层，则产生具有弹性材料特性的层。也可以以其他配置来获得这种弹性材料特性，其方式是对压电执行元件的表面10用具有塑料包层的金属颗粒进行涂层。此外优选的是，以高份额或仅仅利用金属颗粒进行冷气喷涂，使得在梯度封装层20中生成金属区域，所述金属区域的特征在于，化学绝缘的或耐化学侵蚀的材料性能。

压电执行元件的表面10上的梯度封装层20具有下述特征。直接与压电执行元件1接界地提供电绝缘区域。该电绝缘区域保证，在突出到压电执行元件的表面10的内电极之间不出现短路。此外，还鉴于其材料特性来设计电绝缘区域，使得电绝缘层不侵入到压电执行元件1的表面10处的细孔或极性裂缝中。梯度封装层20通过这种方式来阻止裂缝的扩展并且不支持由此可能造成的压电执行元件1失灵。此外还优选，梯度封装层20在靠近压电执行元件的表面10处具有弹性特性。这保证，在压电执行元件的运行期间随着层厚的增加垂直于堆叠方向30的其膨胀被抑制并同时保证不会阻碍压电执行元件1的运行。

如果例如“湿设计”的具有梯度封装层20的压电执行元件1被采用，压电执行元件持久地被具有化学侵蚀性的燃料所包围。为了保护压电执行元件1免受化学侵蚀和损坏，在梯度封装层20内生成金属区域。该金属区域构成了梯度封装层20的外围界限并因此构成了与周围的具有化学侵蚀性的介质的界面。由在化学上抵抗燃料侵蚀的(多)金属组成的颗粒适合作涂层材料。可根据周围的介质及其可处理性选择适当的金属，使得保证压电执行元件1和梯度封装层20对侵蚀性介质的化学绝缘。

在压电执行元件1运行期间，梯度封装层20外侧处的金属区域被所述压电执行元件1的膨胀所负荷，所述膨胀经由梯度封装层20被传递到金属区域。基于这个原由如此配置梯度封装层20，使得直至金属区域或者一般情况下直至有化学抵抗力的区域的压电执行元件1膨胀在如此程度上被抑制，使得剩余的被传递的残留膨胀不损坏或毁坏梯度封装层20的金属区域。

为了实现梯度封装层20的上述特性，按照下述实施形式制造所述梯度封装层20。借助于上述冷气喷涂把球形的、带有或没有塑料包层的金属颗粒喷射到压电执行元件1的表面10上。为了首先在压电执行元件1的表面10上生成弹性且电绝缘的区域，喷射具有高份额的带有塑料包层的金属颗粒的颗粒混合。可以通过采用柏林Capsulution NanoSience股份公司的LBL技术(逐层技术(Layer-by-Layer-Technologie))制造带有塑料包层的金属颗粒。也同样可以设想，给压电执行元件1的表面10首先仅仅或者用高份额的塑料颗粒来涂层，以便实现梯度封装层20的弹性和电绝缘特性。

此外还要求，随着与表面10的距离增加，与堆叠方向30垂直地在梯度封装层20内实现上面讨论过的压电执行元件膨胀抑制。为此，在梯度封装层20中如此生成材料梯度，使得梯度封装层20的刚性随着与压电执行元件1距离的增加而增强。为了调整梯度封装层20中增加的刚性，以增加的层厚用逐渐增加的不带塑料包层的金属颗粒来生成梯度封装层20。也可以设想使用其它原料组成的颗粒，所述其它原料由于其的混合而对梯度封装层20产生机械加强作用。替代方案是用陶瓷颗粒涂层。

因此，在生成梯度封装层20时所使用的颗粒的份额依赖于其原料特性如此被改变，使得通过梯度封装层20的层厚d产生特性梯度。因此优选地梯度封装层20的刚性随着与压电执行元件的表面10的距离的增加而增强。另外，如果不带塑料包层的金属颗粒作为加强的颗粒被混合，则随着与表面10的距离的增加，例如导电性增强。如果在梯度封装层20的外侧金属区域具有占优势份额的金属或只由金属颗粒形成并且在形成层时金属颗粒的份额在压电执行元件1的方向上减少，则化学抵抗力优选从外向内变弱。

与压电执行元件1的迄今所使用的封装方法相比，得出更加紧凑的布置，这种布置此外在压电执行元件1运行期间在堆叠方向30上引起膨胀性能的最小抑制。此外还有一种更简单的设计，该更简单的设计在压电执行元件1和金属封装之间既不要求金属封装也不要求压力传递介质。另一优点是，与把压电执行元件装入金属封装相比上述涂层方法要求微少的时间和材料耗费。

因此通过上述制造方法准造具有梯度封装层20的压电执行元件1，在该梯度封装层内至少一个化学和物理特性随着与压电执行元件1的表面10距离的增加逐渐改变。优选地，该梯度封装层20在与压电执行元件表面的接界处包含弹性材料性能的优选由塑料或者塑料金属混合物组成的第一区域，并且在与梯度封装层20外侧接界处包含优选由金属或者比较有化学抵抗力的材料组成的、具有有化学抵抗能力的材料性能的第二区域。

Claims (10)

1.压电执行元件(1)的梯度封装层(20)的制造方法，使得压电执行元件(1)在无附加的外壳类包封结构的情况下对外得以保护，所述制造方法包含以下步骤：

a.给第一粉末输送机装载由第一原料组成的第一颗粒，所述第一原料针对所选择的介质是有化学抵抗力的，

b.给第二粉末输送机装载由第二原料组成的第二颗粒，所述第二原料具有弹性材料特性，

c.借助于第一和第二粉末输送机将第一和第二颗粒热喷涂、尤其是冷气喷涂到压电执行元件(1)的表面(10)，使得形成梯度封装层(20)。

2.按照权利要求(1)的制造方法，具有另一步骤：

在冷气喷涂期间改变第一颗粒的份额和/或第二颗粒的份额，使得在梯度封装层(20)中，第一和/或第二颗粒的化学和/或物理材料特性根据所述梯度封装层的层厚来确定化学和/或物理层特性并且所述层特性随梯度封装层(20)的厚度而变化。

3.按照权利要求1或2的制造方法，具有另一步骤：

冷气喷涂金属颗粒、尤其是球形的金属颗粒作为第一颗粒，使得在梯度封装层(20)的外侧产生有化学抵抗力的金属区域。

4.按照前述权利要求之一的制造方法，具有另一步骤：

冷气喷涂带有塑料包层的金属颗粒或者塑料颗粒作为第二颗粒，使得在梯度封装层(20)的内侧在与压电执行元件(1)接界处形成有弹性和/或电绝缘区域。

5.按照前述权利要求之一的制造方法，具有另一步骤：

冷气喷涂至少第三颗粒，使得第三颗粒的原料特性可以根据其在梯度封装层(20)中的份额有针对性地在梯度封装层(20)的层厚范围生成为层特性。

6.具有梯度封装层(20)的压电执行元件(1)、尤其是多层执行元件，使得压电执行元件(1)在无附加的外壳类包封结构的情况下对外得以保护，所述压电执行元件具有下述特征：

a.压电执行元件(1)、优选多层执行元件，

b)在压电执行元件(1)的外表面(10)上所施加的梯度封装层(20)，其具有至少一个化学和/或物理特性，所述特性随着与压电执行元件表面(10)的距离的增大而变化。

7.按照权利要求6的具有梯度封装层(20)的压电执行元件(1)，梯度封装层(20)的至少一个化学和/或物理特性随着与压电执行元件(1)的表面(10)的距离的增大而逐渐变化。

8.按照权利要求6或7的具有梯度封装层(20)的压电执行元件(1)，所述压电执行元件的梯度封装层(20)在与压电执行元件(1)的表面(10)接界处具有弹性材料性能的第一区域，和在与梯度封装层(20)的外侧接界处具有有化学抵抗能力的材料性能的第二区域。

9.按照权利要求8的具有梯度封装层(20)的压电执行元件(1)，其第一区域由塑料或者塑料金属混合物组成，而其第二区域由金属组成。

10.按照权利要求6-9之一的具有梯度封装层(20)的压电执行元件(1)，所述压电执行元件的梯度封装层(20)与压电执行元件堆叠方向平行地覆盖压电执行元件(1)的侧面或者覆盖所述压电执行元件的整个表面。

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