DE102007047657B3

DE102007047657B3 - Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Elements

Info

Publication number: DE102007047657B3
Application number: DE102007047657A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Hamann; Christian Dr. Reichinger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-10-06
Also published as: WO2009047048A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Elements. Das piezoelektrische Element wird für eine erste Zeitdauer mit Spannungspulsen beaufschlagt, deren Pulsamplitude derart gewählt ist, dass sich Polungsrisse innerhalb des piezoelektrischen Elements ausbilden. Ferner wird das piezoelektrische Element für eine zweite Zeitdauer mit Pulsen beaufschlagt, deren Pulsamplitude ausgehend von einer Ausgangspulsamplitude bis auf einen maximalen Amplitudenwert ansteigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Elements gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Piezoelektrische Elemente, die beispielsweise als Piezoaktoren zur Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen, bestehen aus gemeinsam gesinterten Stapeln von Piezokeramikschichten mit jeweils zwischen den Piezokermaikschichten liegenden Metallelektroden. Die einzelnen Metallelektroden sind jeweils alternierend mit dem Plus- bzw. Minuspol einer Spannungsquelle verbunden, über die an dem piezoelektrischen Element Spannung zur Polarisierung zugeführt wird. Um die piezoelektrischen Elemente zu polarisieren, wird an diese durch die Metallelektroden ein Polarisationsfeld angelegt. Infolge der Polarisation ergibt sich eine geordnete Verteilung der in Feldrichtung in den Kristallen der Keramik ausgerichteten Domänen gegenüber dem ursprünglich unpolarisierten Ausgangszustand.
Im Anschluss an die Polarisation ist das Piezoelektrische Element bleibend in Richtung des angelegten Felds verlängert. Durch diese Verlängerung können im piezoelektrischen Element Zugspannungen in dem durch die Feldeinwirkung nicht verlängerten Bereich der Keramikschichten auftreten, wodurch sich innerhalb der Keramikschichten Polungsrisse ausbilden können, die die Betriebsdauer des piezoelektrischen Elements verkürzen.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 023 370 A1 offenbart einen Piezoaktor, der aus einer Vielzahl von piezokeramischen Schi chten und jeweils zwischen zwei piezokeramischen Schichten liegenden Metallelektroden gebildet ist, wobei die Metallelektroden alternierend mit je einem Pol einer Spannungsquelle verbunden sind.
Die Offenlegungsschrift EP 1 690 844 A1 offenbart ein Verfahren zur Polarisierung eines solchen piezoelektrischen Elements durch Anlegen von geeigneten elektrischen Feldern zwischen den Elektroden.
In der Offenlegungsschrift DE 100 28 335 A1 wird ein Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik beschrieben, bei dem ausgehend von einer Mindestspannung die Amplitude der Polungspulse, die mit einer festen Frequenz abgegeben werden, kontinuierlich bis zum Maximalwert angehoben wird und dann mit diesem Maximalwert der Aktor weiter pulsend gepolt wird.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2004 024 120 A1 zeigt ein Polarisierungsverfahren eines entsprechenden mehrschichtigen piezoelektrischen Elements durch Spannungspulse, wobei ein Polungsstrom insbesondere beim ersten Anlegen einer Spannung begrenzt wird. Dadurch wird eine gleichmäßige Polung des Aktors erreicht.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2004 021 955 A1 offenbart ein Verfahren zum Polarisieren eines entsprechenden mehrschichtigen piezoelektrischen Elements durch eine aktiv geregelte Ladungssteuerung, die zeitweise die Spannungssteuerung überlagert. Dadurch stellt sich eine Spannungsrampe oder, bei gepulster Polung, eine zeitabhängige Hüllkurve ein, die durch den Piezoaktoator selbst bestimmt wird und damit automatisch auf das individuelle Bauteil optimal angepasst ist. Die einstellbar langsame Polung bewirkt eine geringe Belastung des Bauteils.
Bedingt durch die geometrische Form der piezoelektrischen Elemente existieren aber Schwachstellen innerhalb der Keramikschichten des piezoelektrischen Elements, bei denen eine Rissbildung die Betriebsdauer des piezoelektrischen Elements stärker verkürzt, als eine Rissbildung außerhalb dieser Schwachstelle.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, die Betriebsdauer des piezoelektrischen Elements zu verlängern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Pulsamplitude der ersten Zeitdauer derart gewählt ist, dass sich Polungsrisse innerhalb des piezoelektrischen Elements ausbilden. Ferner ist in der zweiten Zeitdauer die Pulsamplitude derart gewählt, dass das piezoelektrische Element möglichst schonend gepolt wird.
Das Beaufschlagen des piezoelektrischen Elements für eine erste Zeitdauer mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen mit vorgebbarer Pulsamplitude bietet den Vorteil, dass die Polungszeit verkürzt wird. Ferner wird die Pulsamplitude derart gewählt, dass dadurch innerhalb des piezoelektrischen Elements Polungsrisse gezielt erzeugt werden und somit die Betriebsdauer des piezoelektrischen Elements verlängert wird.
Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: eine schematische Ansicht eines Aufbaus eines piezoelektrischen Elements, und
2: einen Pulsverlauf zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements.
1 zeigt eine schematisch Ansicht eines Aufbaus eines piezoelektrischen Elements. Ein piezoelektrisches Element 10 besteht aus mehreren übereinander angeordneten Piezokeramikschichten 11, zwischen denen jeweils eine Metallelektrode 12 angeordnet ist. Die einzelnen Metallelektroden 12 weisen an einer ihrer Ecken jeweils eine Aussparung 13 auf, wobei die Aussparung 13 abwechselnd an jeweils gegenüberliegenden Ecken aufeinander folgenden Metallelektroden 12 angeordnet ist. An den beiden Ecken sind jeweils diejenigen Metallelektroden 12, die dort keine Aussparung aufweisen, untereinander verbunden und an den Plus- bzw. Minuspol einer Spannungsquelle angeschlossen.
Mittels einer an den Elektroden 14, 15 anliegenden Spannung wird ein Feld zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements und im Anschluss an die Polarisation zum Betrieb des piezoelektrischen Elements erzeugt. Die an den Elektroden 14, 15 anliegende Spannung wird durch eine in der 1 nicht sichtbare Spannungsquelle bereitgestellt. Ferner wird durch die Aussparungen 13 sichergestellt, dass eine Metallelektrode 12 jeweils nur mit einer Elektrode 14 verbunden ist.
2 zeigt einen Pulsverlauf zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements. Zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements wird diesem ein bestimmter Pulsverlauf für eine vorgebbare Zeitdauer t mit einer bestimmten Pulsamplitude A zu geführt. Das piezoelektrische Element wird dabei vorzugsweise mit einem Spannungsimpuls beaufschlagt.
Dem piezoelektrischen Element wird für eine erste Zeitdauer t1 eine bestimmte Anzahl von Spannungsimpulsen mit einer konstanten Pulsamplitude A1 zugeführt. Die Pulsamplitude A1 ist dabei derart gewählt, dass sich innerhalb des piezoelektrischen Elements erste Polungsrisse ausbilden. Mittels der gezielten Erzeugung dieser Polungsrisse soll der Einfluss der Polungsrisse, die sich in den durch die geometrische Form des piezoelektrischen Elements bedingten Schwachstellen bilden, auf die Lebensdauer des piezoelektrischen Elements verringert werden.
Im Anschluss an die erste Zeitdauer t1 wird das piezoelektrische Element für eine zweite Zeitdauer t2 mit weiteren Spannungsimpulsen beaufschlagt. Dabei ist die Ausgangsamplitude A2 des ersten Spannungsimpulses I1 und die folgenden Pulsamplituden der zweiten Zeitdauer t2 derart gewählt, dass eine Bildung von Polungsrissen möglichst vermieden werden soll. Ausgehend von der Ausgangsamplitude A2 steigt die Pulsamplitude, die dem piezoelektrischen Element innerhalb der Zeitdauer t2 zugeführt wird, bis ein maximaler Amplitudenwert Amax erreicht wird. Der Anstieg der Pulsamplitude von der Ausgangsamplitude A2 bis zum maximalen Amplitudenwert Amax erfolgt vorzugsweise linear. Mit diesem maximalen Amplitudenwert Amax wird das piezoelektrische Element bis zum Ende der zweiten Zeitdauer t2 und damit der Polarisation beaufschlagt. Mittels des Polungsverlauf wird eine schonende Polarisierung des piezoelektrischen Elements sichergestellt.
Die Zeitdauern der einzelnen Pulsimpulse können dabei unterschiedlich lang sein und müssen nicht auf den in dieser Aus führungsform vorgestellten dreieckförmigen Pulsimpuls beschränkt sein.

Claims

Verfahren zum Polarisieren von piezoelektrischen Elementen, insbesondere Piezoaktoren, die aus einer Vielzahl von Piezokeramikschichten und jeweils zwischen zwei Piezokeramikschichten liegenden Metallelektroden gebildet sind und die Metallelektroden alternierend mit je einem Pol einer Spannungsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallelektroden für eine erste Zeitdauer mit einer vorgebbaren Anzahl von Spannungspulsen beaufschlagt werden, deren Pulsamplitude derart gewählt ist, dass sich Polungsrisse innerhalb des piezoelektrischen Elements ausbilden, und dass die Metallelektroden für eine zweite Zeitdauer mit Spannungspulsen beaufschlagt werden, deren Ausgangsamplitude kleiner ist als die Pulsamplitude der Spannungspulse der ersten Zeitdauer, und dass die Pulsamplitude innerhalb der zweiten Zeitdauer, ausgehend von dieser Ausgangsamplitude auf einen maximalen Amplitudenwert ansteigt, der oberhalb der Pulsamplitude der ersten Zeitdauer liegt und bis zum Ende der zweiten Zeitdauer konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der einzelnen Pulse unterschiedlich lang ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsamplitude der einzelnen Pulse der ersten Zeitdauer konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsamplitude für die zweite Zeitdauer ausgehend von einer Ausgangspulsamplitude bis auf einen maximale Amplitudenwert linear ansteigt.