DE10028335A1 - Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors und Verwendung des Piezo-Aktors - Google Patents

Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors und Verwendung des Piezo-Aktors

Info

Publication number
DE10028335A1
DE10028335A1 DE10028335A DE10028335A DE10028335A1 DE 10028335 A1 DE10028335 A1 DE 10028335A1 DE 10028335 A DE10028335 A DE 10028335A DE 10028335 A DE10028335 A DE 10028335A DE 10028335 A1 DE10028335 A1 DE 10028335A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
pulse
piezoceramic
voltage
polarizing
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE10028335A
Other languages
English (en)
Other versions
DE10028335B4 (de
Inventor
Gerald Kainz
Dieter Cramer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Priority to DE10028335A priority Critical patent/DE10028335B4/de
Publication of DE10028335A1 publication Critical patent/DE10028335A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10028335B4 publication Critical patent/DE10028335B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/04—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning
    • H10N30/045—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning by polarising
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, bei der eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Gleichspannungspulsen verwendet wird, die in ihrer Pulsform dem späteren Betrieb der Piezokeramik, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, entsprechen. Ferner wird die Polarisierung bei erhöhter Temperatur, wie sie auch später im Betrieb der Piezokeramik auftritt, durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Piezokeramik nur noch sehr geringen Setzeffekten ausgesetzt ist, wodurch sich die Länge der Piezokeramik in ihrem Ruhezustand während des Betriebs nicht mehr ändert. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors und die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Polarisieren einer Piezokeramik. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Piezo-Aktors unter den Bedingungen, unter denen die Piezokramik des Piezo-Aktors polarisiert worden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, wobei, ausgehend von einem Grundkörper aus un­ polarisierter Piezokeramik mit wenigstens zwei flächig einan­ der gegenüberliegenden Elektroden, eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird. Ferner betrifft die Erfin­ dung ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors. Dar­ über hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung des Piezo- Aktors.
Eine Piezokeramik ist ein Material, das sich aufgrund des piezoelektrischen Effekts beim Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt. Solche Piezokeramiken bilden die Basis für Piezo-Aktoren, die beim Anlegen einer Spannung einen Verfahr­ weg von einigen Mikrometern realisieren. Die Piezokeramik weist elektrische Dipolmomente auf, die jeweils innerhalb von Weiss'schen Bezirken, die gegeneinander abgegrenzt sind, eine Vorzugsrichtung aufweisen. In einem unpolarisierten Grundzu­ stand der Piezokeramik sind die Vorzugsrichtungen der einzel­ nen Weiss'schen Bezirke ungeordnet, so daß nach außen hin keine makroskopische elektrische Polarisierung der Piezokera­ mik vorliegt.
Um den piezoelektrischen Effekt für Piezo-Aktoren nutzbar zu machen, muß die Piezokeramik durch das Ausrichten der elek­ trischen Dipolmomente polarisiert werden, wonach die elektri­ schen Dipolmomente in allen Weiss'schen Bezirken nicht oder nur sehr wenig von einer durch eine Polarisationsachse vorge­ gebenen Vorzugsrichtung abweichen.
Die Piezokeramiken werden als Grundkörper von Piezo-Aktoren eingesetzt, welche beispielsweise Verwendung in Kraftfahrzeugen finden. Piezo-Aktoren werden in diesem Bereich vorzugs­ weise zur Steuerung der Position von Schließnadeln von Ein­ spritzventilen in Kraftstoffeinspritzsystemen verwendet. Bei dieser Anwendung wird der Piezo-Aktor bei einer Temperatur von etwa 40 bis 150°C betrieben. Desweiteren erfolgt der Be­ trieb des Piezo-Aktors typischerweise bei einer Gleichspan­ nung von bis zu 180 Volt, die in Form von kurzen Pulsen, die mit einer Frequenz zwischen 0,1 und 200 Hertz auftreten, an den Piezo-Aktor angelegt wird. Da bei diesen Anwendungen der gewünschte Effekt durch Längenänderungen der Piezokeramik von typischerweise 40 µm erreicht wird, ist es wichtig, daß der Keramik-Grundkörper im spannungslosen Zustand (Ruhezustand) eine konstante Länge (Ruhelänge) aufweist, die sich im Laufe der Zeit nicht ändert.
Es sind Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik be­ kannt, wobei bei einer Temperatur von etwa 25°C ein Span­ nungspuls in Form eines Dreieckspulses mit einer Dauer von 500 Sekunden an die Piezokeramik angelegt wird.
Die bekannten Verfahren zum Polarisieren der Piezokeramik ha­ ben den Nachteil, daß sie bei einer relativ geringen Tempera­ tur durchgeführt werden. Bei einer Temperatur von 25°C weisen die elektrischen Dipolmomente der Piezokeramik nur eine sehr eingeschränkte Beweglichkeit auf, wodurch das Ausrichten der elektrischen Dipolmomente entlang einer durch die von außen angelegte Spannung vorgegebene Polarisationsachse nur sehr unvollständig erfolgt. Entsprechend ist eine verlängerte Po­ larisierungsdauer, das heißt, ein längeres Anlegen der Pola­ risierungsspannung, notwendig.
Desweiteren haben die bekannten Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik den Nachteil, daß durch den einmaligen dreieckförmigen Spannungspuls lediglich ein einmaliges Span­ nen und darauffolgendes Entspannen der Piezokeramik erfolgt. Dies bedeutet, daß bei einem späteren Betrieb der Piezokera­ mik mit einer Vielzahl von Spannungs- und Entspannungsvorgängen Setzeffekte auftreten können, die die Ruhelänge der Pie­ zokeramik während des Betriebes verändern.
Dadurch haben die bekannten Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik auch den Nachteil, daß sich ein Einbau eines piezokeramischen Grundkörpers in ein durch die Abmessungen der Piezokeramik definiertes Gehäuse mit festen Abmessungen schwierig gestaltet, da sich, wie bereits oben erläutert, die Abmessung der Piezokeramik während des Betriebs als Piezo- Aktor noch verändern kann. Zur Erreichung einer hohen Ver­ fahrweggenauigkeit ist dann eine Nachbearbeitung des Gehäuses notwendig.
Im Hinblick auf eine nachfolgende Verwendung der Piezokeramik in einem Piezo-Aktor für den Kraftfahrzeug-Bereich haben die bekannten Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik zudem den Nachteil, daß die Bedingungen, bei denen die Piezokeramik polarisiert wird (insbesondere die Temperatur und die verwen­ dete Pulsform) nicht den Bedingungen beim späteren Betrieb im Kraftfahrzeug entsprechen. Auch dadurch besteht die Gefahr, daß sich durch Setzeffekte die geometrische Abmessungen der Keramik im Ruhezustand während des Betriebes noch weiter än­ dern.
Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo- Aktors bekannt, wobei aus mehreren übereinandergestapelten, mit Elektroden versehenen Piezokeramiken ein Grundkörper ge­ bildet wird, so daß sich die Längenänderungen der einzelnen Keramiken auf diese Weise addieren. Der Grundkörper wird zwi­ schen zwei parallel zu den Elektroden verlaufende Platten un­ ter Ausübung einer Druckspannung auf den Grundkörper einge­ spannt. Anschließend wird die Piezokeramik mit dem bereits oben beschriebenen Verfahren polarisiert. Danach wird die zwischen die Platten eingespannte Piezokeramik so in ein Ge­ häuse eingebaut, daß die erste Platte relativ zum Gehäuse fi­ xiert ist und daß die zweite Platte relativ zum Gehäuse bewegbar ist. Anschließend wird die Piezokeramik einem Alte­ rungsprozeß unterzogen, der wenigstens eine Stunde dauert. Nach dem Altern der Piezokeramik wird durch Abtragen von Ma­ terial, beispielsweise durch Abschleifen, von der zweiten, beweglichen Platte und/oder vom Gehäuse erreicht, daß die Au­ ßenseite der zweiten Platte mit dem Gehäuse plan ist. Somit werden die äußeren Abmessungen des Piezo-Aktors definiert, von wo aus dann durch Anlegen einer Spannung an die Piezoke­ ramik die zweite Platte relativ zum Gehäuse um einen Verfahr­ weg von zirka 40 µm bewegbar ist. Anschließend erfolgt die weitere Montage des Piezo-Aktors, beispielsweise im Kraft­ fahrzeug.
Das bekannte Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors hat den Nachteil, daß sich durch Setzeffekte in der Piezokeramik die zweite, bewegliche Platte gegenüber dem Gehäuse ver­ schiebt, so daß daraus ein unerwünschter Offset in der Aus­ dehnung des Piezo-Aktors beziehungsweise im Verfahrweg des Piezo-Aktors resultiert. In Experimenten wurden Setzeffekte nachgewiesen, die nach 100 Schaltzyklen eine Veränderung der Ruhelänge der Piezokeramik von 5 bis 7 µm bewirkt haben. We­ gen des frühen Zeitpunkts des Polarisierens wirken sich zudem die nachfolgenden Verfahrensschritte zur Herstellung des Pie­ zo-Aktors besonders nachteilig auf die Ruhelänge der Piezoke­ ramik aus.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik anzugeben, das nachfol­ gende, die Ruhelänge der Piezokeramik verändernde Setzeffekte weitgehend vermeidet.
Ferner ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors anzugeben, der stabile äu­ ßere Abmessungen auch während seines Betriebs aufweist.
Diese Ziele werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors nach Anspruch 6 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie die Verwendung eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stellten Piezo-Aktors sind den weiteren Ansprüchen zu entneh­ men.
Die Erfindung gibt ein Verfahren zum Polarisieren einer Pie­ zokeramik an, das von einem Grundkörper aus unpolarisierter Piezokeramik ausgeht. Dieser Grundkörper weist wenigstens zwei flächig einander gegenüberliegende Elektroden auf. An diese Elektroden wird eine Anzahl von Spannungspulsen ange­ legt, deren Pulshöhen einer zeitabhängigen Hüllkurve folgen. Die Anzahl der Spannungspulse beträgt dabei mindestens zwei, so daß schon während des Polarisierens der Piezokeramik ein entsprechender Setzeffekt auftreten kann, der die Ruhelänge der polarisierten Piezokeramik stabilisiert.
Die Hüllkurve wächst in einem ersten Abschnitt während einer Anstiegszeit von einer minimalen Spannung auf eine maximale Spannung an. In einem zweiten Abschnitt wird während einer Haltezeit die maximale Spannung gehalten. Die minimale Span­ nung wird dabei so gewählt, daß beim Aufladen der Elektroden die maximal verträgliche Aufladung der noch unpolarisierten Piezokeramik nicht überschritten wird. Desweiteren wird die maximale Spannung so gewählt, daß sie zur Ausbildung einer dauerhaften Polarisierung geeignet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Polarisieren einer Piezo­ keramik hat den Vorteil, daß durch die Mindestanzahl von zwei Spannungspulsen während des Polarisierens bereits ein Setzef­ fekt eintritt, der die Ruhelänge der polarisierten Piezokera­ mik stabilisiert.
Desweiteren ist ein Verfahren besonders vorteilhaft, wobei die Spannungspulse während einer Pulsanstiegszeit von 0 Volt auf die jeweilige Pulshöhe ansteigen. Während einer Pulshal­ tezeit wird die Pulshöhe gehalten. Während einer Pulsabfall­ zeit fällt der Spannungspuls von der jeweiligen Pulshöhe auf 0 Volt ab. Darüber hinaus folgen die Spannungspulse mit einer konstanten Pulsfrequenz aufeinander und weisen eine Gesamt­ pulsdauer von kleiner oder gleich 12 Millisekunden auf.
Diese Spannungspulse haben den Vorteil, daß sie leicht er­ zeugbar sind, insbesondere dann, wenn sie eine Trapezform aufweisen. Durch ihre kurze Dauer von maximal 12 ms können sie innerhalb einer vertretbaren Zeitspanne mehrmals wieder­ holt werden. Diese Zeitspanne ist wesentlich kürzer als die Dauer des bekannten Verfahrens zum Polarisieren einer Piezo­ keramik. Somit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik Zeit eingespart.
Ferner ist ein Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik besonders vorteilhaft, wobei gilt:
50 ms ≦ Pulsanstiegszeit ≦ 1 ms;
0,5 ms ≦ Pulshaltezeit ≦ 10 ms;
50 µs ≦ Pulsabfallzeit ≦ 1 ms;
6 ≦ Zahl der Pulse 80 000;
0,1 Hz ≦ Pulsfrequenz ≦ 200 Hz;
60 s ≦ Anstiegszeit + Haltezeit ≦ 300 s;
0,1 ≦ Anstiegszeit/(Anstiegszeit + Haltezeit) ≧ 0,9.
Ein solches Verfahren hat den Vorteil, daß die Gesamtdauer (Anstiegszeit + Haltezeit) sehr kurz ist, verglichen mit den bekannten Zeitdauern zum Polarisieren. Durch die Variation des Anteils der Anstiegszeit an der Gesamtdauer des Polari­ sierungsverfahrens (Anstiegszeit + Haltezeit), kann das Pola­ risierungsverfahren an die Beweglichkeit der Domänenwände der Keramik flexibel angepaßt werden. Die Pulshaltezeit der ein­ zelnen Spannungspulse wird dabei so gewählt, daß die Domänen­ wände der Weiss'schen Bezirke auch Fehlstellen im Kristallaufbau der Piezokeramik überwinden können und so die Ein­ stellung einer Polarisierungsrichtung nicht behindert wird.
Desweiteren ist ein Verfahren zur Polarisierung einer Piezo­ keramik besonders vorteilhaft, das bei einer Temperatur zwi­ schen 50°C und 150°C durchgeführt wird. Durch diese hohe Tem­ peratur wird erreicht, daß aufgrund der dadurch erhöhten Be­ weglichkeit der elektrischen Dipolmomente in der Piezokeramik ein in der Dauer verkürzter Spannungspuls zum Erreichen einer Vorzugspolarisierung genügt, beziehungsweise eine verbesserte und damit stabilere Polarisierung der Piezokeramik erreicht werden kann.
Desweiteren hat sich durch Experimente ein Verfahren zum Po­ larisierung einer Piezokeramik als besonders geeignet heraus­ gestellt, wobei die maximale Spannung viermal so groß war, wie die minimale Spannung.
Darüber hinaus gibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Piezo-Aktors an, das, ausgehend von einem Grund­ körper aus einer Piezokeramik, der wenigstens zwei flächig einander gegenüberliegende Elektroden aufweist, folgende Schritte umfaßt:
  • a) Einspannen des Grundkörpers zwischen zwei parallel zu den Elektroden verlaufende Platten, so daß die Platten eine Druckspannung bis zu 100 MPa auf den Grundkörper ausüben
  • b) Einbau des Grundkörpers so in ein Gehäuse, daß die erste Platte relativ zum Gehäuse fixiert ist und daß die zweite Platte relativ zum Gehäuse bewegbar ist
  • c) Polarisieren der Piezokeramik gemäß dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
  • d) Abtragen von Material von der zweiten Platte und/oder vom Gehäuse, so daß die Außenseite der zweiten Platte mit dem Ge­ häuse plan ist.
Das Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors hat den Vor­ teil, daß das Polarisieren der Piezokeramik zu einem relativ späten Zeitpunkt erfolgt, wodurch auf den Alterungsprozeß verzichtet und somit Zeit eingespart werden kann.
Darüber hinaus ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors so aufzuteilen, daß das Polarisieren der Piezokeramik bereits bei dem mit dem Piezo- Aktor zu beliefernden Kunden durchgeführt wird. Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß bereits durch die kundenspezifische Anschlußstecker eine feste Polarisierung vorgegeben wird und somit auf eine Polarisierungscodierung (Pluspol und Minuspol, die durch das Polarisieren der Piezokeramik festgelegt sind) verzichtet werden kann.
Das Abtragen von Material von der zweiten Platte beziehungs­ weise vom Gehäuse kann beispielsweise durch Schleifen oder Fräsen erfolgen.
Die Erfindung gibt darüber hinaus die Verwendung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Piezo-Aktors an, wobei Spannungspulse mit der maximalen Spannung des Ver­ fahrens zum Polarisieren der Piezokeramik als Pulshöhe und mit einer Pulsdauer von maximal 12 ms verwendet werden. Fer­ ner wird der Piezo-Aktor bei einer Temperatur verwendet, die von der Temperatur, bei der das Verfahren zur Polarisierung der Piezokeramik durchgeführt wurde, um weniger als 20% ab­ weicht.
Die erfindungsgemäße Verwendung des Piezo-Aktors hat den Vor­ teil, daß die Spannungen und Temperaturen beim Betrieb des Aktors nur sehr wenig beziehungsweise gar nicht von den Span­ nungen und Temperaturen bei der Polarisierung der Piezokera­ mik abweichen. Dadurch sind die optimalen Voraussetzungen zur Aufrechterhaltung einer festen Ruhelänge der Piezokeramik ge­ geben. Bei der weiter oben bereits beschriebenen Verwendung von Piezo-Aktoren im Kraftfahrzeug bei mit dem erfindungsge­ mäßen Verfahren hergestellten Piezo-Aktoren eine Veränderung der Ruhelänge während des Betriebs von weniger als 1 µm ge­ messen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und den zugehörigen Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Verlauf einer beispielhaften Hüllkurve, der die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Po­ larisierung der Piezokeramik angelegten Spannungs­ pulse folgen.
Fig. 2 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf eines Spannungspulses, der beim erfindungsgemäßen Verfah­ ren zur Polarisierung der Piezokeramik an die Pie­ zokeramik angelegt wird.
Fig. 3 zeigt einen beispielhaften Piezo-Aktor während sei­ ner Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vor dem Polarisieren der Piezokeramik im schemati­ schen Querschnitt.
Fig. 4 zeigt den Piezo-Aktor aus Fig. 3 nach dem Polari­ sieren der Piezokeramik und nach dem Abtragen von Material von der zweiten Platte und/oder vom Gehäu­ se.
Fig. 1 zeigt die eine Spannung U beschreibende Hüllkurve 5 in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Hüllkurve 5 bestimmt da­ bei die Pulshöhe UP der zum Polarisieren der Piezokeramik verwendeten Spannungspulse 4. Während einer Anstiegszeit TA steigt die Hüllkurve 5 von einer minimalen Spannung UMIN auf eine maximale Spannung UMAX an. Dieser Anstieg verläuft im Beispiel aus Fig. 1 linear. Während einer Haltezeit TH wird die maximale Spannung UMAX von der Hüllkurve 5 gehalten. Die Gesamtdauer des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Polarisieren einer Piezokeramik ist dabei durch die Summe aus TA und TH gegeben. Die Gesamtdauer der Hüllkurve TA + TH beträgt zwischen 60 Sekunden und 300 Sekunden, vorzugsweise 180 Sekun­ den.
Die Spannungspulse 4 werden innerhalb der Hüllkurve 5 mit ei­ ner Pulsfrequenz FP zwischen 0,1 Hertz und 200 Hertz wieder­ holt. Die minimale Spannung UMIN beträgt vorzugsweise 40 Volt. Sie kann aber auch z. B. 20 Volt betragen. Die maximale Spannung UMAX beträgt vorzugsweise 160 Volt. Sie kann aber auch z. B. 80 Volt betragen. Die Anstiegszeit TA der Hüllkur­ ve 5 hat einen Anteil an der Gesamtdauer des Polarisierungs­ vorgangs TA + TH zwischen 10 und 90%.
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung U eines Spannungspulses 4 in Abhängigkeit von der Zeit t. Während ei­ ner Pulsanstiegszeit TPA wächst der Spannungspuls 4 von 0 Volt auf die Pulshöhe UP an. Dieses Anwachsen erfolgt im Bei­ spiel aus Fig. 2 linear. Die Pulsanstiegszeit TPA kann zwi­ schen 50 µs und 1 Millisekunde, vorzugsweise 100 µs lang sein. Während einer Pulshaltezeit TPH hält der Spannungspuls 4 die Pulshöhe Up. Die Pulshaltezeit TPH kann zwischen 0,5 ms und 10 Millisekunden variieren und beträgt vorzugsweise 1,5 ms. Während einer Pulsabfallzeit TPAB fällt der Spannungspuls 4 von der Pulshöhe Up auf 0 Volt ab. Die Pulsabfallzeit TPAB kann zwischen 50 µs und 1 Millisekunde betragen. Vorzugsweise beträgt die Pulsabfallzeit TPAB 100 µs.
Der in Fig. 2 dargestellte Spannungspuls 4 hat die Form ei­ nes Trapezes, so daß er besonders einfach zu erzeugen ist. Eine weitere zu bevorzugende Ausführungsform des Spannungs­ pulses 4 ist ein symmetrischer Spannungspuls 4, bei dem die Pulsanstiegszeit TPA genauso groß ist wie die Pulsabfallzeit TPAB.
Innerhalb der in Fig. 1 dargestellten Hüllkurve können von dem in Fig. 2 dargestellten Spannungspuls 4 eine Anzahl von 6 bis 80.000 Pulse erfolgen. Vorzugsweise wird zum Polarisieren der Piezokeramik eine Anzahl N der Spannungspulse von 15.000 verwendet.
Fig. 3 zeigt einen Piezo-Aktor während seiner Herstellung durch das erfindungsgemäße Verfahren. Er besteht aus einem Grundkörper 1, welcher ein Körper aus einer Piezokeramik ist. Diese Piezokeramik weist 67 Gewichtsprozent Pb3O4, zirka 1 Gewichtsprozent Nd2O3, 21 Gewichtsprozent ZrO2 und etwa 11 Gewichtsprozent TiO2 auf. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Piezokeramik beschränkt, sondern kann mit sämtli­ chen Keramiken verwirklicht werden, die geeignete piezoelek­ trische Eigenschaften aufweisen.
Der Grundkörper 1 weist erste Elektroden 2 und zweite Elek­ troden 3 auf, die kammartig ineinander greifen, wodurch sich die piezoelektrischen Effekte vieler einander gegenüberste­ hender Keramikschichten zwischen jeweils einer ersten Elek­ trode 2 und einer zweiten Elektrode 3 aufsummieren. Die er­ sten Elektroden 2 und die zweiten Elektroden 3 bestehen aus einer Mischung von Silber und Palladium im Gewichtsverhältnis zwischen 90/10 und 70/30. Der Grundkörper 1 ist durch Sintern hergestellt, weswegen als Elektroden 2, 3 alle bei Sinterbe­ dingungen stabilen Metalle beziehungsweise Metallegierungen geeignet sind.
Der Grundkörper 1 hat die Form eines Quaders mit einer Grund­ fläche von 7 × 7 mm. Er weist eine Höhe von 30 mm auf. Die ersten Elektroden 2 beziehungsweise die zweiten Elektroden 3 sind mit jeweils einer Außenelektrode 9 verbunden, die aus Silber besteht. Mittels Verbindungsdrähten 11 sind die Au­ ßenelektroden 9 mit Kontaktstiften 10 elektrisch verbunden.
Der Grundkörper 1 ist zusammen mit den Kontaktstiften 10 und den Verbindungsdrähten 11 in eine Vergußmasse 12 eingebettet, die aus Silikongummi besteht. Der in die Vergußmasse 12 ein­ gehüllte Grundkörper 1 wird zwischen zwei Platten 6, 7 einge­ spannt. Die erste Platte 6 befindet sich dabei auf der Oberseite des Grundkörpers 1 in paralleler Ausrichtung zu den Elektroden 2, 3. Die zweite Platte 7 befindet sich auf der Unterseite des Grundkörpers 1, ebenfalls in paralleler Aus­ richtung zu den Elektroden 2, 3. Zwischen den Platten 6, 7 ist eine Zugfeder 13 angeordnet, die die Form einer Rohrfeder hat und die die Platten 6, 7 zusammenpreßt, so daß eine Klemmkraft auf den Grundkörper 1 wirkt.
Beim Anlegen einer Gleichspannung zwischen den Kontaktstiften 10 dehnt sich der Grundkörper 1 aufgrund des piezoelektri­ schen Effekts in einer Richtung aus, die senkrecht auf den Elektroden 2, 3 steht und in der Figur durch einen Pfeil an der Unterseite der zweiten Platte 7 angedeutet ist. Dabei ar­ beitet der keramische Grundkörper 1 gegen die von der Zugfe­ der 13 ausgeübte Klemmkraft. Der in Fig. 3 dargestellte Pie­ zo-Aktor ist so ausgelegt, daß er sich bei einer Spannung von etwa 150 Volt unter Ausübung einer Kraft von 1500 N um zirka 40 µm verlängert.
Die in die Vergußmasse 12 eingegossene Anordnung ist schließ­ lich in ein Gehäuse 8 eingeschweißt, das so beschaffen ist, daß es mit der ersten Platte 6 fest verbunden ist, und daß die zweite Platte 7 relativ zum Gehäuse 8 frei beweglich ist. Der in Fig. 3 dargestellte Piezo-Aktor befindet sich in ei­ nem Zustand, in dem die zweite Platte 7 und das Gehäuse 8 auf der Unterseite des Piezo-Aktors noch keine gemeinsame ebene Fläche bilden.
Fig. 4 zeigt den in Fig. 3 dargestellten Piezo-Aktor nach dem Polarisieren der Keramik und nach dem Erzeugen einer pla­ nen Unterseite des Piezo-Aktors. Durch Ausführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zum Polarisieren der Piezokeramik, die den Grundkörper 1 des Piezo-Aktors bildet, ist es mög­ lich, durch Abtragen von Material von der zweiten Platte 7 beziehungsweise von dem Gehäuse 8 eine plane Unterseite des Piezo-Aktors herzustellen, die sich auch im weiteren Betrieb des Piezo-Aktors nicht mehr wesentlich verändert. Die plane Unterseite gilt für den Fall des spannungslosen Ruhezustands der Piezokeramik und verändert sich während des erfindungsge­ mäßen Betriebs des Piezo-Aktors praktisch nicht mehr.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die dar­ gestellten Ausführungsbeispiele, sondern wird in ihrer allge­ meinsten Form durch die Patentansprüche 1 und 6 definiert.

Claims (7)

1. Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik,
wobei, ausgehend von einem Grundkörper (1) aus unpolari­ sierter Piezokeramik mit wenigstens zwei flächig einander gegenüberliegenden Elektroden (2, 3), eine Anzahl (N) von Spannungspulsen (4) an die Elektroden (2, 3) angelegt wird, deren Pulshöhen (UP) einer zeitabhängigen Hüllkurve (5) folgen, die in einem ersten Abschnitt während einer Anstiegszeit (TA) von einer minimalen Spannung (UMIN) auf eine maximale Spannung (UMAX) anwächst und die in einem zweiten Abschnitt während einer Haltezeit (TH) die maxi­ male Spannung (UMAX) hält,
wobei die minimale Spannung (UMIN) so gewählt wird, daß beim Aufladen der Elektroden (2, 3) die maximal verträg­ liche Aufladung der noch unpolarisierten Piezokeramik un­ terschritten wird,
wobei die maximale Spannung (UMAX) so gewählt wird, daß sie zur Ausbildung einer dauerhaften Polarisierung geeig­ net ist, und
wobei N ≧ 2 ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannungspulse während einer Pulsanstiegszeit (TPA) von 0 V auf die jeweilige Pulshöhe (Up) ansteigen, während einer Pulehaltezeit (TPH) die Pulshöhe (Up) hal­ ten und während einer Pulsabfallzeit (TPAB) von der je­ weiligen Pulshöhe (UP) auf 0 V abfallen, wobei die Puls­ dauer TPA + TPH + TPAB ≦ 12 s ist, und wobei die Span­ nungspulse (4) mit einer konstanten Pulsfrequenz (Fp) aufeinanderfolgen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei gilt:
50 µs ≦ TPA ≦ 1 ms; 0,5 ms ≦ TPH ≦ 10 ms;
50 µs ≦ TPAB 1 ms; 6 ≦ N ≦ 80 000;
0,1 Hz ≦ FP 200 Hz; 60 s ≦ TA + TH 300 s;
0,1 ≦ TA/(TA + TH) ≦ 0,9.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, das bei einer Temperatur zwischen 50°C und 150°C durch­ geführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, wobei gilt: UMAX = 4 × UMIN.
6. Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors, ausgehend von einem Grundkörper (1) aus einer Piezokera­ mik, der wenigstens zwei flächig einander gegenüberlie­ gende Elektroden (2, 3) aufweist, mit folgenden Schrit­ ten:
  • a) Einspannen des Grundkörpers (1) zwischen zwei parallel zu den Elektroden (2, 3) verlaufende Platten (6, 7), so daß die Platten eine Druckspannung auf den Grundkörper (1) ausüben
  • b) Einbau des Grundkörpers (1) so in ein Gehäuse (8), daß die erste Platte (6) relativ zum Gehäuse (8) fixiert ist und daß die zweite Platte (7) relativ zum Gehäuse (8) be­ wegbar ist
  • c) Polarisieren der Piezokeramik gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 5
  • d) Abtragen von Material von der zweiten Platte (7) und/oder vom Gehäuse (8), so daß die Außenseite der zwei­ ten Platte (7) mit dem Gehäuse (8) plan ist.
7. Verwendung eines gemäß dem Verfahren nach Anspruch 6 her­ gestellten Piezo-Aktors mit Spannungspulsen einer Pulshö­ he, die der maximalen Pulshöhe (UMAX) entspricht, einer maximalen Pulsdauer von 12 s und bei einer Temperatur, die von der Temperatur, bei der das Verfahren zur Polari­ sierung der Piezokeramik durchgeführt wurde, um weniger als 20% abweicht.
DE10028335A 2000-06-08 2000-06-08 Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors und Verwendung des Piezo-Aktors Expired - Lifetime DE10028335B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10028335A DE10028335B4 (de) 2000-06-08 2000-06-08 Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors und Verwendung des Piezo-Aktors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10028335A DE10028335B4 (de) 2000-06-08 2000-06-08 Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors und Verwendung des Piezo-Aktors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10028335A1 true DE10028335A1 (de) 2002-02-14
DE10028335B4 DE10028335B4 (de) 2004-04-01

Family

ID=7645088

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10028335A Expired - Lifetime DE10028335B4 (de) 2000-06-08 2000-06-08 Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors und Verwendung des Piezo-Aktors

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10028335B4 (de)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003065468A2 (de) * 2002-02-01 2003-08-07 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum vorbehandeln einer piezoelektrischen keramik und verfahren zum justieren eines einspritzventils
EP1489669A1 (de) * 2003-06-18 2004-12-22 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Vorbehandeln eines elektromechanischen Wandlers, sowie Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens
EP1515377A1 (de) * 2003-09-09 2005-03-16 Delphi Technologies, Inc. Verfahren um ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor zu betreiben
WO2005081332A1 (de) * 2004-02-25 2005-09-01 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur polarisierung eines piezoelektrischen aktors
DE102004021955A1 (de) * 2004-05-04 2005-12-01 Siemens Ag Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik
DE102004024120A1 (de) * 2004-05-14 2005-12-08 Siemens Ag Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines Stapelaktors, sowie Stapelaktor
DE102004024122A1 (de) * 2004-05-14 2005-12-08 Siemens Ag Verfahren zur Stabilisierung insbesondere der Ruhelänge eines piezoelektrischen Stapelaktors sowie Stapelaktor
WO2009106410A1 (de) * 2008-02-27 2009-09-03 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum polarisieren einer piezokeramik
DE102012107343A1 (de) * 2012-08-09 2014-02-13 Epcos Ag Verfahren zur Polung eines Vielschichtbauelements und Vielschichtbauelement
FR3009031A1 (fr) * 2013-07-29 2015-01-30 Continental Automotive France Procede et dispositif de repolarisation d'un actionneur piezoelectrique d'un injecteur d'un moteur a combustion interne d'un vehicule ayant ete utilise
DE102015013553A1 (de) 2015-10-20 2017-04-20 Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Ansteuerung eines Stellelements

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2928163A (en) * 1955-08-11 1960-03-15 Clevite Corp Polarization of titanate ceramics
US5512796A (en) * 1990-11-27 1996-04-30 Xaar Limited Laminate for use in manufacture of ink jet printheads
DE19756182A1 (de) * 1997-12-17 1999-07-01 Siemens Ag Verfahren zum Polarisieren von piezoelektrischen Bauelementen und piezoelektrisches Bauelement

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2928163A (en) * 1955-08-11 1960-03-15 Clevite Corp Polarization of titanate ceramics
US5512796A (en) * 1990-11-27 1996-04-30 Xaar Limited Laminate for use in manufacture of ink jet printheads
DE19756182A1 (de) * 1997-12-17 1999-07-01 Siemens Ag Verfahren zum Polarisieren von piezoelektrischen Bauelementen und piezoelektrisches Bauelement

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jeffe B.: Piezoelectric ceramics, Academic Press, London New York, 1971, S. 263-267 *

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003065468A2 (de) * 2002-02-01 2003-08-07 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum vorbehandeln einer piezoelektrischen keramik und verfahren zum justieren eines einspritzventils
WO2003065468A3 (de) * 2002-02-01 2004-04-08 Siemens Ag Verfahren zum vorbehandeln einer piezoelektrischen keramik und verfahren zum justieren eines einspritzventils
US7334329B2 (en) 2002-02-01 2008-02-26 Siemens Aktiengesellschaft Method for pretreating a piezoelectric ceramic and method for adjusting an injection valve
EP1489669A1 (de) * 2003-06-18 2004-12-22 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Vorbehandeln eines elektromechanischen Wandlers, sowie Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens
EP1515377A1 (de) * 2003-09-09 2005-03-16 Delphi Technologies, Inc. Verfahren um ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor zu betreiben
WO2005081332A1 (de) * 2004-02-25 2005-09-01 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur polarisierung eines piezoelektrischen aktors
US7550903B2 (en) 2004-02-25 2009-06-23 Siemens Aktiengesellschaft Method and device for polarizing a piezoelectric actuator
DE102004021955A1 (de) * 2004-05-04 2005-12-01 Siemens Ag Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik
DE102004024120A1 (de) * 2004-05-14 2005-12-08 Siemens Ag Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines Stapelaktors, sowie Stapelaktor
DE102004024122A1 (de) * 2004-05-14 2005-12-08 Siemens Ag Verfahren zur Stabilisierung insbesondere der Ruhelänge eines piezoelektrischen Stapelaktors sowie Stapelaktor
WO2009106410A1 (de) * 2008-02-27 2009-09-03 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum polarisieren einer piezokeramik
DE102012107343A1 (de) * 2012-08-09 2014-02-13 Epcos Ag Verfahren zur Polung eines Vielschichtbauelements und Vielschichtbauelement
DE102012107343B4 (de) * 2012-08-09 2018-11-22 Epcos Ag Verfahren zur Polung eines Vielschichtbauelements
FR3009031A1 (fr) * 2013-07-29 2015-01-30 Continental Automotive France Procede et dispositif de repolarisation d'un actionneur piezoelectrique d'un injecteur d'un moteur a combustion interne d'un vehicule ayant ete utilise
US9745930B2 (en) 2013-07-29 2017-08-29 Continental Automotive France Method and device for repolarizing a piezoelectric actuator of an injector of an internal combustion engine of a used vehicle
DE102015013553A1 (de) 2015-10-20 2017-04-20 Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Ansteuerung eines Stellelements
DE102015013553B4 (de) 2015-10-20 2018-03-08 Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Ansteuerung eines Stellelements
JP2018535546A (ja) * 2015-10-20 2018-11-29 フィジック インストゥルメント（ピーアイ）ゲーエムベーハー アンド ツェーオー．カーゲー 電気機械要素を制御する方法
JP7018388B2 (ja) 2015-10-20 2022-02-10 フィジック インストゥルメント（ピーアイ）ゲーエムベーハー アンド ツェーオー．カーゲー 電気機械要素を制御する方法
US11303226B2 (en) 2015-10-20 2022-04-12 Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg Method for activating an electromechanical element

Also Published As

Publication number Publication date
DE10028335B4 (de) 2004-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10208417B4 (de) Laminierte piezoelektrische Vorrichtung und deren Verwendung
EP1908131B1 (de) Verfahren zum herstellen eines monolithischen piezoaktors mit teilstapeln, monolithischer piezoaktor mit teilstapeln und verwendung des piezoaktors
DE60216039T2 (de) Piezoelektrischer Einkristall mit kontrollierter Domänenstruktur
EP1719191B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur polarisierung eines piezoelektrischen aktors
WO2009153242A1 (de) Verfahren zur abstimmung einer resonanzfrequenz eines piezoelektrischen bauelementes
DE10028335A1 (de) Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors und Verwendung des Piezo-Aktors
DE102005047368A1 (de) Piezoelektrischer Transformator und Verfahren zu dessen Herstellung
WO1999038220A1 (de) Piezoelektrischer aktor
DE19829216C1 (de) Elektromechanischer Wandler und Verfahren zur Herstellung
DE602005003671T2 (de) Verfahren zur Polarisierung ferroelektrischer Materialien
EP2245680B1 (de) Verfahren zum polarisieren einer piezokeramik
WO2004019425A2 (de) Piezoaktor
DE60303801T2 (de) Verfahren zum polarisieren von ferroelektrischem material
EP1527485B1 (de) Piezoaktor und verfahren zum herstellen des piezoaktors
DE2749937A1 (de) Elektromechanisches schaltungselement, insbesondere kapazitaetsglied, und verfahren zu seiner herstellung
EP1595294A1 (de) Verfahren zum herstellen einer elektrischen kontaktierung eines piezoelektrischen aktors und polarisierung des piezoelektrischen aktors
DE102008040769A1 (de) Piezoaktor mit passiven Bereichen am Kopf und/oder Fuß
DE102004047696B4 (de) Piezoelektrischer Biegewandler
EP2798679A1 (de) Piezostack mit passivierung und verfahren zur passivierung eines piezostacks
DE102004024122A1 (de) Verfahren zur Stabilisierung insbesondere der Ruhelänge eines piezoelektrischen Stapelaktors sowie Stapelaktor
EP2011169B1 (de) Piezoaktor mit aussen kontaktierten innenelektroden eines piezoelements
DE10335023A1 (de) Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung
DE10154634A1 (de) Piezoelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung
DE102012111972A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauteils
DE102004024120A1 (de) Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines Stapelaktors, sowie Stapelaktor

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8364 No opposition during term of opposition
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: TDK ELECTRONICS AG, DE

Free format text: FORMER OWNER: EPCOS AG, 81669 MUENCHEN, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: EPPING HERMANN FISCHER PATENTANWALTSGESELLSCHA, DE

R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01L0041240000

Ipc: H01L0041257000

R071 Expiry of right