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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Piezo-Multilayer-Aktors bzw. Piezo-Vielschicht-Aktors aus einem Piezo-Multilayer-Stack
bzw. Piezo-Vielschicht-Stapel
und einer Rohrfeder.
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Piezo-Vielschicht-Aktoren
bzw. Piezo-Multilayer-Aktoren, abgekürzt PMA, gewinnen immer mehr
an Bedeutung als schnelle Stell- und Schaltantriebe. Der PMA weist
dabei eine Rohrfeder auf, die ein aus einer Metallfolie oder Blech
durch Rollen und Verschweißen
hergestelltes Rohr ist und den aus einer Vielzahl von Piezokeramikschichten
bestehenden Piezo-Vielschichtstapel
umschließt
sowie mit ihrer Federkraft vorspannt. Die axiale Federrate der Rohrfeder
wird dabei durch Aussparungen vorgegebener Größe in der Mantelfläche eingestellt.
Diese Vorspannung dient dazu, den Piezo-Vielschichtstapel vor Zerstörung durch
Beschleunigungskräfte, wenn
Spannung an den Piezo-Vielschichtstapel angelegt wird, also vor
Biege- und vor allem Zugkräften, zu
schützen.
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Die
Herstellung des PMA erfolgt, indem eine Endkappe mit der Rohrfeder
verschweißt
wird, der Piezo-Vielschichtstapel eingesetzt wird, sodann die Rohrfeder
mechanisch gespannt wird und eine zweite Endkappe aufgeschweißt wird.
Wird nun die mechanische Spannung der Rohrfeder entlastet, so spannt
die Rohrfeder den Piezo-Vielschichtstapel vor.
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Bei
derartigen PMA ist die Herstellung der Rohrfeder relativ aufwändig und
teuer. Sie erfordert ein Ausstanzen, Rollen, Verschweißen zu einem Rohr
mit einer Längsnaht,
Reinigen und Kalibrieren. Wegen der ausgestanzten Aussparungen in
der Rohrfeder, wie sie beispielsweise aus WO 2004/109818 A1 bekannt
sind, ist der PMA außerdem
nicht gegenüber
den die Rohrfeder umgebenden Medien abgedichtet. Dies ist insbesonde re
nachteilig, wenn die Medien leitend sind, z.B. bei Kraftstoffen,
denen Wasser oder andere leitende Bestandteile z.B. Additive beigefügt sind
mit der Folge, dass der Piezo-Vielschichtstapel
durch einen Kurzschluss der einzelnen Schichten beschädigt werden
kann.
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Anstelle
einer Rohrfeder mit freigelegten Aussparungen kann für die Rohrfeder
auch eine dünne,
geschlossene Folie mit entsprechend geringer Federrate verwendet
werden. Dies ist jedoch insofern problematisch, als eine dünne Folie
beim Vorspannen für
das nachfolgende Schweißen
der Endkappe relativ leicht reißen
kann.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und
kostengünstiges
Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors zur Verfügung zu
stellen, bei dem die aufgezeigten Probleme in einfacher Weise vermieden
werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors
nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Durch
ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 ist es möglich,
eine sehr dünnwandige Rohrfeder
mit den Endstücken
zu verbinden, ohne dass es notwendig ist, die Rohrfeder mechanisch
zu spannen. Dies geschieht in vorteilhafter Weise dadurch, dass
an den Piezo-Vielschichtstapel, der in die mit einem ersten Endstück verbundene
Rohrfeder eingesetzt ist, eine elektrische Spannung angelegt wird,
die umgekehrt zu einer den Piezo-Vielschichtstapel
ausdehnenden elektrischen Spannung gepolt ist. Dadurch wird erreicht,
so dass sich der Piezo-Vielschichtstapel
zusammenzieht, wobei die elektrische Spannung so lange anliegt,
bis die Rohrfeder mit einem zweiten Endstück verbunden ist.
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Mit
Hilfe dieser Maßnahmen
kann die Rohrfeder an beiden Enden relativ einfach verschweißt werden,
wobei sich durch das Schweißen
eine dichte und dauerhafte Verbindung erreichen lässt.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass,
während
die elektrische Spannung anliegt, gleichzeitig die Rohrfeder auf
eine relativ hohe Temperatur erwärmt
wird. Durch die Kombination einer spannungsgesteuerten Verkürzung des Piezo-Vielschichtstapels
und einer gleichzeitigen Wärmebehandlung
der Rohrfeder kann in vorteilhafter Weise eine höhere Vorspannung, bzw. eine
kleinere Federrate bei Verwendung einer entsprechend dünnwandigen
Rohrfeder erreicht werden.
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Soweit
es allein die bei der Erfindung ergänzend angewandte Wärme- und
Schrumpftechnik betrifft, kann diesbezüglich auf prinzipiell bekannte
Verfahren verwiesen werden, z. B. auf ein aus
US 3,725,986 bekanntes Verfahren zur
Herstellung eines Energieumformers.
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Durch
die Verwendung einer aus einer dünnen
unterbrechungsfreien Metallfolie gebildeten Rohrfeder wird neben
einer geringen Federrate vor allem erreicht, dass der Piezo-Vielschichtstapel
insbesondere gegenüber
Flüssigkeiten
ausreichend abgedichtet ist.
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Der
Innenraum der gekapselten Rohrfeder kann in vorteilhafter Weise
mit einem Isolationsmedium befüllt
werden, wodurch sich die Gefahr von Spannungsüberschlägen erheblich verringert.
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Der
Innenraum der Rohrfeder kann z. B. mit Stickstoff, mit Transformatorenöl oder einem
anderen geeigneten Medium befüllt
werden. Dadurch kann neben der Isolationswirkung noch ein Abwärmetransport
vom Piezo-Vielschichtstapel zur Rohrfeder und an den umgebenden
Kraftstoff erreicht werden.
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Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Verfahren
werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1A–1D schematisch
ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors nach dem
Stand der Technik,
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2A–2D schematisch
ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors,
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3 ein
Weg-Spannungs-Diagramm eines Piezo-Vielschichtstapels und
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4A–2E schematisch ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors.
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Die 1A–1D zeigen
schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Mulilayer-Aktors
nach dem Stand der Technik. In 1A wird
ein Piezo-Multilayerstack 1 in eine bereits mit einem ersten
Endstück 2 verbundene
Rohrfeder 3 eingesetzt. Im nächsten Schritt gemäß 1B wird
die mit dem ersten Endstück 2 verbundene
Rohrfeder 3 mit Hilfe geeigneter Spannmittel 4,
verdeutlicht durch die Pfeile, vorgespannt, ohne dass auf den Piezo-Multilayerstack 1 Kräfte ausgeübt werden.
Im nächsten
Schritt gemäß 1C wird
ein zweites Endstück 5 am
anderen Ende der Rohrfeder 3 aufgesetzt und mit der Rohrfeder 3 verschweißt. Währenddessen
halten die Spannmittel 4 die Vorspannung der Rohrfeder 3. Schließlich werden
gemäß 1D die
Spannmittel 4 von der Rohrfeder 3 gelöst, so dass
die Rohrfeder 3 einen axialen Druck auf den Piezo-Multilayerstack 1 ausübt.
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2A–2D zeigen
schematisch ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung
eines Piezo-Multilayer-Aktors. Ge genüber dem in den 1A–1C dargestellten
Verfahren gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. In 2A wird
ein Piezo-Multilayerstack 1 in eine bereits mit einem ersten
Endstück 2 verbundene
Rohrfeder 3 eingesetzt. Im nächsten Verfahrensschritt gemäß 2B wird
durch eine an Anschlussleitungen 6 des Piezo-Multilayerstacks 1 angelegte
elektrische Spannung, die entgegengesetzt zu der normalen Polung
im Betrieb des Piezo-Multilayerstacks 1 gepolt ist, erreicht,
dass sich der Piezo-Multilayerstack 1 zusammenzieht. Dies
ist in 2B stark überhöht dargestellt und durch den
Doppelpfeil verdeutlicht. Im nächsten
Schritt gemäß 2C wird
die mit dem ersten Endstück 2 verbundene
Rohrfeder 3 am anderen Ende mit einem zweiten Endstück 5 verbunden
und verschweißt,
ohne dass die Rohrfeder 3 hierzu gespannt werden muss.
Währenddessen
liegt an den Anschlussleitungen 6 umgekehrt zur normalen
Polung die elektrische Spannung an. Im letzten Verfahrensschritt
gemäß 2D wird
die umgekehrt gepolte elektrische Spannung. abgeschaltet mit der
Folge, dass sich der Piezo-Multilayer-Stack 1 ausdehnt
und sich an den beiden Endstücken 2, 5 abstützt. Dadurch
wird die Rohrfeder 3 gespannt, bis die Spannkraft der Rohrfeder 3 und
die Ausdehnungskraft des Piezo-Multilayer-Stacks im Gleichgewicht
sind.
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In 3 ist
schematisch ein Spannungs-Weg-Diagramm für eine Piezokeramik, bzw. einen
Piezo-Multilayer-Stack dargestellt. Dargestellt ist eine Hysteresekurve
mit Umpolung, die die Form eines "Schmetterlings" zeigt. Auf der X-Achse ist die angelegte
elektrische Spannung U, auf der Y-Achse die relative Längenänderung Δs des Piezo-Multilayer-Stacks
aufgetragen. Nach der Startlinie, die gestrichelt dargestellt ist,
wird die Hysteresekurve, ausgehend von einem Punkt P1, in Richtung
der Pfeile durchlaufen: Beim tiefsten Punkt des "Schmetterlings", hier als erster ein Punkt P2 in der
Durchlaufrichtung, beginnen die Domänen umzuklappen und der Piezo-Multilayer-Stack
wird umgepolt. Unmittelbar davor wird die maximale Kontraktion erreicht.
Erreichbare Werte für
die Kontraktion sind temperaturabhängig und betragen bei 150°C ca. 40μm und bei 20°C ca. 70μm Verkürzung an
diesem Umkehrpunkt, bevor die Umpolung beginnt. Über die Temperatur des Piezo-Multilayer-Stacks
besteht somit noch eine weitere Möglichkeit, bei gleicher umgepolter
Spannung das Maß der
Verkürzung
zu regeln. Wenn ein Arbeitsbereich D1 der Bereich der normalen Ausdehnung
in einem positiven Spannungsbereich U1 ist, so kann der Piezo-Multilayer-Stack
in einem negativen Spannungsbereich U2 in einem Verkürzungsbereich D2
bei Anlegen einer negativen Spannung zwischen 0 und dem negativen
Wert U2, zu einem entsprechenden Zusammenziehen um eine Strecke
innerhalb des Verkürzungsbereichs
D2 gebracht werden. Hierzu muss das Verfahren zwischen den Punkten P1
und P2 des Diagramms ablaufen und der Punkt P2 mit seiner entsprechenden
negativen Spannung darf nicht unterschritten werden, da sonst eine
Umpolung eintritt und bei noch stärkerer negativer Spannung eine
starke Längsausdehnung
auftritt und der "linke
Flügel
des Schmetterlingsdiagramms" durchlaufen
wird. Dabei ist eine Hysterese in dem Arbeitsbereich ohne eine Umpolung
auftritt, nicht eingezeichnet.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren können auch
Rohrfedern 3 aus dünnen
Folien ohne Beschädigungen
geschweißt
werden, da die Rohrfeder 3 während des Schweißens nicht
mechanisch belastet ist. Mögliche
Foliendicken liegen bei Stahl bei ca. 25μm bis 125μm. So kann mit einfachen Methoden
ein dichter Piezo-Multilayer-Aktor hergestellt werden. Die Rohrfeder
kann als Massenprodukt einfach hergestellt und ebenso einfach auf
die gewünschte
Länge abgelängt werden.
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Wenn
die Schweißung
bei einer Verkürzung des
Piezo-Multilayer-Stack nahe dem Punkt P2 in 3 erfolgt,
besteht im späteren
Betrieb die Möglichkeit,
auch mit negativen Spannungen zuarbeiten, da der Piezo-Multilayer-Aktor,
abgekürzt
PMA, auch dann noch vorgespannt ist. Der PMA wird dann im Betrieb
auch verkürzt,
um mehr nutzbaren Hub zu gewinnen. Wenn z.B. der PMA bei 20 °C und minus 80
V geschweißt
wird und die Verkürzung
ca. 70 μm beträgt und er
bis zu einer Spannung von minus 30 V betrieben wird, so ergibt sich
ein Verkürzungshub
von ca. 20 pm. Da der Piezo-Multilayer-Stack beim Verschweißen mindestens
50 μm kürzer war,
ist er jedoch immer noch vorgespannt.
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Eine
dichte Rohrfeder 3 aus einer dünnen Metallfolie hat den Vorteil,
dass auf eine zusätzliche Dichtung
des Piezo-Multilayer-Stack verzichtet werden kann. Der PMA kann
bei seinem Einsatz direkt von Kraftstoff umspült und so auf einfache Weise
gekühlt
werden. Durch eine Füllung
der Rohrfeder 3 im Inneren mit einem Wärmetransportmedium, wie etwa Transformatorenöl, kann
die Kühlwirkung
weiter verbessert werden.
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4A–2E zeigen schematisch ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines Piezo-Multilayer-Aktors. Zu dem in den 1A–1C dargestellten
Verfahren gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. In 4A wird
ein Piezo-Multilayer-Stack 1 in eine bereits mit einem
ersten Endstück 2 verbundene Rohrfeder 3 eingesetzt.
Im nächsten
Schritt, der in 4B dargestellt ist, wird durch
eine an Anschlussleitungen 6 des Piezo-Multilayer-Stacks 1 angelegte elektrische
Spannung, die entgegengesetzt zu der normalen Polung im Betrieb
des Piezo-Multilayer-Stacks 1 gepolt ist, erreicht, dass
sich der Piezo-Multilayer-Stack 1 zusammenzieht. Dies ist
in 4B stark überhöht dargestellt
und durch den Doppelpfeil verdeutlicht. Im nächsten Schritt in 4C wird
zusätzlich
die Rohrfeder 3 durch Infrarotstrahlung aufgeheizt, verdeutlicht
durch die beiden Wellenpfeile. Durch die Wärmeausdehnung verlängert sich
die Rohrfeder 3, verdeutlicht durch den Pfeil in 4C.
Durch die geringe Wärmekapazität der aus
einer dünnen
Metallfolie bestehenden Rohrfeder 3 werden dabei das erste
Endstück 2 und
der Piezo-Multilayer-Stack 1 nur gering erwärmt. Im
folgenden Schritt gemäß 4D wird
die mit dem ersten Endstück 2 verbundene
Rohrfeder 3 mit einem zweiten Endstück 5 verbunden und
verschweißt,
ohne dass die Rohrfeder 3 hierzu mechanisch gespannt werden
muss. Währenddessen
liegt an den Anschlussleitungen 6 die umgekehrt zur normalen
Polung gepolte elektrische Spannung an und gleichzeitig wird die
Rohrfeder 3 durch Infrarotstrahlung auf einer hohen Temperatur
gehalten. In 4E wird nach dem Verschweißen des
zweiten Endstücks 5 mit
der Rohrfeder die elektrische Spannung abgeschaltet sowie die Rohrfeder 3 abgekühlt. Der
Piezo-Multilayer-Stack 1 dehnt sich aus, stützt sich
an den beiden Endstücken 2, 5 ab
und spannt die sich durch das Abkühlen wieder verkürzende Rohrfeder 3,
bis die Spannkraft der Rohrfeder 3 und die Ausdehnungskraft
des Piezo-Multilayer-Stacks im Gleichgewicht sind. Durch dieses
zweite erfindungsgemäße Verfahren
kann die Vorspannung der Rohrfeder 3 des PMA weiter erhöht werden.