DE10028335B4 - 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 Download PDF

Info

Publication number
DE10028335B4
DE10028335B4 DE10028335A DE10028335A DE10028335B4 DE 10028335 B4 DE10028335 B4 DE 10028335B4 DE 10028335 A DE10028335 A DE 10028335A DE 10028335 A DE10028335 A DE 10028335A DE 10028335 B4 DE10028335 B4 DE 10028335B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
piezoceramic
pulse
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.)
Expired - Lifetime
Application number
DE10028335A
Other languages
English (en)
Other versions
DE10028335A1 (de
Inventor
Gerald Dr. 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, wobei, ausgehend von einem Grundkörper (1) aus unpolarisierter 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 maximale Spannung (UMAX) hält,
wobei die minimale Spannung (UMIN) so gewählt wird, daß beim Aufladen der Elektroden (2, 3) die maximal verträgliche Aufladung der noch unpolarisierten Piezokeramik unterschritten wird,
wobei die maximale Spannung (UMAX) so gewählt wird, daß sie zur Ausbildung einer dauerhaften Polarisierung geeignet ist, und
wobei N ≥ 2 ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, wobei, ausgehend von einem Grundkörper aus unpolarisierter Piezokeramik mit wenigstens zwei flächig einander gegenüberliegenden Elektroden, eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors. Darüber 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 Verfahrweg 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 Grundzustand der Piezokeramik sind die Vorzugsrichtungen der einzelnen Weiss'schen Bezirke ungeordnet, so daß nach außen hin keine makroskopische elektrische Polarisierung der Piezokeramik vorliegt.
  • Um den piezoelektrischen Effekt für Piezo-Aktoren nutzbar zu machen, muß die Piezokeramik durch das Ausrichten der elektrischen Dipolmomente polarisiert werden, wonach die elektrischen Dipolmomente in allen Weiss'schen Bezirken nicht oder nur sehr wenig von einer durch eine Polarisationsachse vorgegebenen Vorzugsrichtung abweichen.
  • Die Piezokeramiken werden als Grundkörper von Piezo-Aktoren eingesetzt, welche beispielsweise Verwendung in Kraftfahrzeu gen finden. Piezo-Aktoren werden in diesem Bereich vorzugsweise zur Steuerung der Position von Schließnadeln von Einspritzventilen in Kraftstoffeinspritzsystemen verwendet. Bei dieser Anwendung wird der Piezo-Aktor bei einer Temperatur von etwa 40 bis 150°C betrieben. Desweiteren erfolgt der Betrieb des Piezo-Aktors typischerweise bei einer Gleichspannung 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 bekannt, wobei ausgehend von einem Grundkörper aus unpolarisierter Piezokeramik mit wenigstens zwei flächig einander gegenüberliegenden Elektroden bei einer Temperatur von etwa 25°C ein Spannungspuls in Form eines Dreieckspulses mit einer Dauer von 500 Sekunden an die Piezokeramik angelegt wird.
  • Die bekannten Verfahren zum Polarisieren der Piezokeramik haben den Nachteil, daß sie bei einer relativ geringen Temperatur 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 Polarisierungsdauer, das heißt, ein längeres Anlegen der Polarisierungsspannung, notwendig.
  • Desweiteren haben die bekannten Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik den Nachteil, daß durch den einmaligen dreieckförmigen Spannungspuls lediglich ein einmaliges Spannen und darauffolgendes Entspannen der Piezokeramik erfolgt.
  • Dies bedeutet, daß bei einem späteren Betrieb der Piezokeramik mit einer Vielzahl von Spannungs- und Entspannungsvorgän gen Setzeffekte auftreten können, die die Ruhelänge der Piezokeramik 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 Verfahrweggenauigkeit 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 verwendete 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 ändern.
  • Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors bekannt, wobei aus mehreren übereinandergestapelten, mit Elektroden versehenen Piezokeramiken ein Grundkörper gebildet wird, so daß sich die Längenänderungen der einzelnen Keramiken auf diese Weise addieren. Der Grundkörper wird zwischen zwei parallel zu den Elektroden verlaufende Platten unter Ausübung einer Druckspannung auf den Grundkörper eingespannt. Anschließend wird die Piezokeramik mit dem bereits oben beschriebenen Verfahren polarisiert. Danach wird die zwischen die Platten eingespannte Piezokeramik so in ein Gehäuse eingebaut, daß die erste Platte relativ zum Gehäuse fixiert ist und daß die zweite Platte relativ zum Gehäuse be wegbar ist. Anschließend wird die Piezokeramik einem Alterungsprozeß unterzogen, der wenigstens eine Stunde dauert.
  • Nach dem Altern der Piezokeramik wird durch Abtragen von Material, beispielsweise durch Abschleifen, von der zweiten, beweglichen Platte und/oder vom Gehäuse erreicht, daß die Außenseite 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 Piezokeramik die zweite Platte relativ zum Gehäuse um einen Verfahrweg von zirka 40 μm bewegbar ist. Anschließend erfolgt die weitere Montage des Piezo-Aktors, beispielsweise im Kraftfahrzeug.
  • 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 verschiebt, so daß daraus ein unerwünschter Offset in der Ausdehnung 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. Wegen des frühen Zeitpunkts des Polarisierens wirken sich zudem die nachfolgenden Verfahrensschritte zur Herstellung des Piezo-Aktors besonders nachteilig auf die Ruhelänge der Piezokeramik aus.
    •
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik anzugeben, das nachfolgende, 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 äußere 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 hergestellten Piezo-Aktors sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung gibt ein Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik 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 angelegt, 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 polarisierter 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 Spannung 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 Piezokeramik hat den Vorteil, daß durch die Mindestanzahl von zwei Spannungspulsen während des Polarisierens bereits ein Setzeffekt eintritt, der die Ruhelänge der polarisierten Piezokeramik stabilisiert.
  • Desweiteren ist ein Verfahren besonders vorteilhaft, wobei die Spannungspulse während einer Pulsanstiegszeit von 0 Volt auf die jeweilige Pulshöhe ansteigen. Während einer Pulshaltezeit wird die Pulshöhe gehalten. Während einer Pulsabfallzeit fällt der Spannungspuls von der jeweiligen Pulshöhe auf 0 Volt ab. Darüber hinaus folgen die Spannungspulse mit einer konstanten Pulsfrequenz aufeinander und weisen eine Gesamtpulsdauer von kleiner oder gleich 12 Millisekunden auf.
  • Diese Spannungspulse haben den Vorteil, daß sie leicht erzeugbar sind, insbesondere dann, wenn sie eine Trapezform aufweisen. Durch ihre kurze Dauer von maximal 12 ms können sie innerhalb einer vertretbaren Zeitspanne mehrmals wiederholt werden. Diese Zeitspanne ist wesentlich kürzer als die Dauer des bekannten Verfahrens zum Polarisieren einer Piezokeramik. 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 μs ≤ 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 Polarisierungsverfahrens (Anstiegszeit + Haltezeit), kann das Polarisierungsverfahren an die Beweglichkeit der Domänenwände der Keramik flexibel angepaßt werden. Die Pulshaltezeit der einzelnen Spannungspulse wird dabei so gewählt, daß die Domänenwände der Weiss'schen Bezirke auch Fehlstellen im Kristal laufbau der Piezokeramik überwinden können und so die Einstellung einer Polarisierungsrichtung nicht behindert wird.
  • Desweiteren ist ein Verfahren zur Polarisierung einer Piezokeramik besonders vorteilhaft, das bei einer Temperatur zwischen 50°C und 150°C durchgeführt wird. Durch diese hohe Temperatur wird erreicht, daß aufgrund der dadurch erhöhten Beweglichkeit 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 Polarisierung einer Piezokeramik als besonders geeignet herausgestellt, wobei die maximale Spannung viermal so groß war, wie die minimale Spannung.
  • Darüber hinaus gibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors an, das, ausgehend von einem Grundkörper 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 Gehäuse plan ist.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors hat den Vorteil, 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 beziehungsweise 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 Verfahrens zum Polarisieren der Piezokeramik als Pulshöhe und mit einer Pulsdauer von maximal 12 ms verwendet werden. Ferner 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% abweicht.
  • Die erfindungsgemäße Verwendung des Piezo-Aktors hat den Vorteil, daß die Spannungen und Temperaturen beim Betrieb des Aktors nur sehr wenig beziehungsweise gar nicht von den Spannungen und Temperaturen bei der Polarisierung der Piezokeramik abweichen. Dadurch sind die optimalen Voraussetzungen zur Aufrechterhaltung einer festen Ruhelänge der Piezokeramik gegeben. Bei der weiter oben bereits beschriebenen Verwendung von Piezo-Aktoren im Kraftfahrzeug bei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Piezo-Aktoren eine Veränderung der Ruhelänge während des Betriebs von weniger als 1 μm gemessen.
    •
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt den Verlauf einer beispielhaften Hüllkurve, der die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Polarisierung der Piezokeramik angelegten Spannungspulse folgen.
  • 2 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf eines Spannungspulses, der beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Polarisierung der Piezokeramik an die Piezokeramik angelegt wird.
  • 3 zeigt einen beispielhaften Piezo-Aktor während seiner Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vor dem Polarisieren der Piezokeramik im schematischen Querschnitt.
  • 4 zeigt den Piezo-Aktor aus 3 nach dem Polarisieren der Piezokeramik und nach dem Abtragen von Material von der zweiten Platte und/oder vom Gehäuse.
  • 1 zeigt die eine Spannung U beschreibende Hüllkurve 5 in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Hüllkurve 5 bestimmt dabei 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 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 zwi schen 60 Sekunden und 300 Sekunden, vorzugsweise 180 Sekunden.
  • Die Spannungspulse 4 werden innerhalb der Hüllkurve 5 mit einer Pulsfrequenz FP zwischen 0,1 Hertz und 200 Hertz wiederholt. 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 Hüllkurve 5 hat einen Anteil an der Gesamtdauer des Polarisierungsvorgangs TA + TH zwischen 10 und 90%.
  • 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung U eines Spannungspulses 4 in Abhängigkeit von der Zeit t. Während einer Pulsanstiegszeit TPA wächst der Spannungspuls 4 von 0 Volt auf die Pulshöhe UP an. Dieses Anwachsen erfolgt im Beispiel aus 2 linear. Die Pulsanstiegszeit TPA kann zwischen 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 2 dargestellte Spannungspuls 4 hat die Form eines Trapezes, so daß er besonders einfach zu erzeugen ist. Eine weitere zu bevorzugende Ausführungsform des Spannungspulses 4 ist ein symmetrischer Spannungspuls 4, bei dem die Pulsanstiegszeit TPA genauso groß ist wie die Pulsabfallzeit TPAB.
  • Innerhalb der in 1 dargestellten Hüllkurve können von dem in 2 dargestellten Spannungspuls 4 eine Anzahl von 6 bis 80.000 Pulse erfolgen. Vorzugsweise wird zum Polarisie seite 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 Ausrichtung 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 piezoelektrischen 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 arbeitet der keramische Grundkörper 1 gegen die von der Zugfeder 13 ausgeübte Klemmkraft. Der in 3 dargestellte Piezo-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 schließlich 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 3 dargestellte Piezo-Aktor befindet sich in einem Zustand, in dem die zweite Platte 7 und das Gehäuse 8 auf der Unterseite des Piezo-Aktors noch keine gemeinsame ebene Fläche bilden.
  • 4 zeigt den in 3 dargestellten Piezo-Aktor nach dem Polarisieren der Keramik und nach dem Erzeugen einer planen Unterseite des Piezo-Aktors. Durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Polarisieren der Piezokeramik, die den Grundkörper 1 des Piezo-Aktors bildet, ist es möglich, 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 erfindungsgemäßen Betriebs des Piezo-Aktors praktisch nicht mehr.
  • Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern wird in ihrer allgemeinsten Form durch die Patentansprüche 1 und 6 definiert.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, wobei, ausgehend von einem Grundkörper (1) aus unpolarisierter 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 maximale Spannung (UMAX) hält, wobei die minimale Spannung (UMIN) so gewählt wird, daß beim Aufladen der Elektroden (2, 3) die maximal verträgliche Aufladung der noch unpolarisierten Piezokeramik unterschritten wird, wobei die maximale Spannung (UMAX) so gewählt wird, daß sie zur Ausbildung einer dauerhaften Polarisierung geeignet 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 Pulshaltezeit (TPH) die Pulshöhe (UP) halten und während einer Pulsabfallzeit (TPAB) von der jeweiligen Pulshöhe (UP) auf 0 V abfallen, wobei die Pulsdauer TPA + TPH + TPAB ≤ 12 s ist, und wobei die Spannungspulse (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 durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, wobei gilt: UMAX = 4 x UMIN.
  6. Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, ausgehend von einem Grundkörper (1) aus einer Piezokeramik, der wenigstens zwei flächig einander gegenüberliegende Elektroden (2, 3) aufweist, mit folgenden Schritten: 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) bewegbar 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 zweiten Platte (7) mit dem Gehäuse (8) plan ist.
  7. Verwendung eines gemäß dem Verfahren nach Anspruch 6 hergestellten Piezo-Aktors zur Umwandlung von Spannungspulsen in einen Verfahrweg, wobei die Spannungspulse eine Pulshöhe aufweisen, die der maximalen Pulshöhe (UMAX) entspricht, wobei die maximale Pulsdauer 12 s beträgt und wobei die Temperatur von der Temperatur, bei der das Verfahren zur Polarisierung 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 DE10028335A1 (de) 2002-02-14
DE10028335B4 true 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 (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008011414A1 (de) 2008-02-27 2009-09-10 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE308119T1 (de) * 2002-02-01 2005-11-15 Siemens Ag Verfahren zum vorbehandeln einer piezoelektrischen keramik und verfahren zum justieren eines einspritzventils
DE10327410A1 (de) * 2003-06-18 2005-01-05 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Vorbehandeln eines elektromechanischen Wandlers, sowie Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens
EP1515377B1 (de) * 2003-09-09 2006-11-02 Delphi Technologies, Inc. Verfahren um ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor zu betreiben
DE102004009140B4 (de) * 2004-02-25 2006-10-05 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Polarisierung eines piezoelektrischen Aktors
DE102004021955A1 (de) * 2004-05-04 2005-12-01 Siemens Ag Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik
DE102004024122A1 (de) * 2004-05-14 2005-12-08 Siemens Ag Verfahren zur Stabilisierung insbesondere der Ruhelänge eines piezoelektrischen Stapelaktors sowie Stapelaktor
DE102004024120A1 (de) * 2004-05-14 2005-12-08 Siemens Ag Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines Stapelaktors, sowie Stapelaktor
DE102012107343B4 (de) * 2012-08-09 2018-11-22 Epcos Ag Verfahren zur Polung eines Vielschichtbauelements
FR3009031B1 (fr) * 2013-07-29 2015-08-21 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
DE102015013553B4 (de) * 2015-10-20 2018-03-08 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 (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008011414A1 (de) 2008-02-27 2009-09-10 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik

Also Published As

Publication number Publication date
DE10028335A1 (de) 2002-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10028335B4 (de) Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik, Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktors und Verwendung des Piezo-Aktors
EP2258002B1 (de) Verfahren zum betrieb eines piezoelements
EP2297798B1 (de) Verfahren zur abstimmung einer resonanzfrequenz eines piezoelektrischen bauelementes
EP0685109B1 (de) Mikromechanisches relais mit hybridantrieb
EP1719191B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur polarisierung eines piezoelektrischen aktors
EP0978148A1 (de) Piezoelektrischer aktor
DE19829216C1 (de) Elektromechanischer Wandler und Verfahren zur Herstellung
EP2245680B1 (de) Verfahren zum polarisieren einer piezokeramik
EP3365926B1 (de) Verfahren zur ansteuerung eines elektromechanischen elements
EP1527485B1 (de) Piezoaktor und verfahren zum herstellen des piezoaktors
DE60303801T2 (de) Verfahren zum polarisieren von ferroelektrischem material
WO2013024179A2 (de) Anordnung zur ansteuerung und ansteuerverfahren für einen piezoelektrischen aktor
WO2000062352A1 (de) Teleskopartiger mikromanipulator mit piezomaterialien
DE102004047696B4 (de) Piezoelektrischer Biegewandler
WO2006136504A1 (de) Piezoaktor mit gesteigertem hubvermögen
DE102008040769A1 (de) Piezoaktor mit passiven Bereichen am Kopf und/oder Fuß
DE102004024120A1 (de) Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines Stapelaktors, sowie Stapelaktor
DE102004024122A1 (de) Verfahren zur Stabilisierung insbesondere der Ruhelänge eines piezoelektrischen Stapelaktors sowie Stapelaktor
WO2003065468A2 (de) Verfahren zum vorbehandeln einer piezoelektrischen keramik und verfahren zum justieren eines einspritzventils
DE102012111972A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauteils
DE10154634A1 (de) Piezoelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung
DE3414395A1 (de) Waermetauscherprofil
WO2008040689A1 (de) Zylinderförmiges gehäuse und verfahren zu dessen herstellung
DE102010001224A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors mit einem Mehrlagenaufbau von Piezolagen und einen Piezoaktor
DE102015215529A1 (de) Piezoelektrisches Bauelement

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