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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Piezoaktoren,
die durch Stapeln von Keramikschichten hergestellt werden.
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Stand der Technik
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Piezoaktoren
sind polarisierte, keramische Bauelemente aus piezoelektrischem
Material, die sich bei Anlegen eines elektrischen Felds in Richtung des
elektrischen Felds ausdehnen. Derartige Piezoaktoren finden in vielen
technischen Bereichen Anwendung als Stellelemente. Ein besonderes
Anwendungsgebiet stellen die durch piezoelektrische Aktoren angesteuerten
Einspritzventile für
Kraftstoff in Zylinder von Verbrennungsmotoren dar. Hierbei wird
die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Piezoaktors
zur Positionierung eines Einspritzventils genutzt, die den Hub einer
Düsennadel
des Einspritzventils bewirkt. Ein großer Vorteil der Piezoaktoren besteht
darin, dass sie präzise
und sehr schnell ausgelenkt werden können und dabei hohe Kräfte ausüben können.
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Die
für die
Ansteuerung des piezoelektrischen Materials benötigten elektrischen Feldstärken sind
vergleichsweise hoch, sodass derartige Piezoaktoren als Vielschichtaktoren
ausgebildet werden, um mit bei einer moderaten elektrischen Ansteuerspannungen
eine nennenswerte Ausdehnung zu erhalten. Die Vielschich taktoren
umfassen einen Schichtverbund aus dünnen Keramikschichten aus piezoelektrischem
Material mit dazwischen liegenden metallischen Innenelektroden.
Die Innenelektroden werden wechselseitig nach außen geführt und mit Außenelektroden
verbunden, die z. B. seitlich, das heißt längs zur Stapelrichtung, angeordnet
sind. D. h.. jede zweite Innenelektrode ist mit einer der Außenelektroden
und jede dazwischen liegende Innenelektrode mit der entsprechend
anderen Außenelektrode
verbunden.
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Eine übliche Dicke
einer Keramikschicht eines Piezoaktors beträgt 100 μm, sodass bei einer angelegten
Steuerspannung von ca. 200 Volt an jeder aktiven Keramikschicht
ein elektrisches Feld von ca. 2 kV/mm anliegt. Eine typische Bauform
eines derartigen Piezoaktors besteht aus 300 aktiven Keramikschichten
mit einer jeweiligen Schichtdicke von 90 μm und einer Ag-Pd-Innenelektrode
mit einer Dicke von 2 bis 3 μm.
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Für die Serienfertigung
von Vielschichtpiezoaktoren werden flexible Keramikfolien mit einer
Dicke von ca. 110 μm
mit metallischen Innenelektrodenschichten bedruckt aufeinander gestapelt
und in einem Laminierprozess bei hoher Temperatur und hohem Druck
miteinander verbunden. Anschließend werden
aus den aufgebauten Blöcken
eine Vielzahl von quaderförmigen
Piezoaktoren ausgesägt.
Nach dem Vereinzeln der Piezoaktoren werden diese thermischen Prozessen
zunächst
zum Entbindern und anschließend
zum Sintern unterzogen, wobei zunächst die organischen Bestandteile
in dem verwendeten Keramikmaterial ausgetrieben werden, um anschließend bei
hoher Temperatur von ca. 1000°C
den Sinterprozess zu starten. Erst bei der Sinterung entsteht ein
polykristallines Keramikgefüge
bestehend aus Körnern
mit statistisch unterschiedlich orientierten Domänen.
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Bei
obigem Herstellungsprozess werden Keramik und Metall (Innenelektroden)
gemeinsam gesintert. Ein derartiger Prozess wird Co-Sintern genannt.
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Nach
dem Sintern werden die Aktoroberflächen geschliffen und eine Grundmetallisierung
auf den Seitenflächen
aufgebracht, um Außenelektroden zu
bilden, die jeweils jede zweite Innenelektrode kontaktieren. Durch
eine so genannte Heißpolarisation, die
auf das Aufbringen der Grundmetallisierung folgt, erhalten die Keramikschichten
des Piezoaktors einen bleibenden Polarisationszustand, um den Piezoeffekt bei
den Keramikschichten zu ermöglichen.
Der Piezoeffekt wirkt bei elektrischer Ansteuerung, indem der Piezoaktor
eine reversible Längenänderung
ausführt.
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Anschließend werden
auf die Grundmetallisierung noch Außenelektroden aufgebracht und
die Mantelflächen
des Piezoaktors elektrisch isoliert.
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Eine
weitere Bauform der Piezoaktoren sind so genannte Hochvoltaktoren.
Diese weisen gegenüber
Vielschichtaktoren deutlich erhöhte
Schichtdicken von größer gleich
500 μm auf
und werden somit zum Erreichen der gleichen elektrischen Feldstärke typischerweise
mit elektrischen Spannungen von größer gleich 1 kV angesteuert.
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Im
Gegensatz zu dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines
Piezoaktors durch Stapeln von Keramikfolien werden Hochvoltaktoren aus
einzelnen bereits gesinterten Keramikscheiben und Innenelektrodenblechen
durch Stapeln und Kleben aufgebaut. Sie werden deshalb auch oft
Stapelaktoren genannt. Um mechanische Spannungen und dadurch Risse
in den Keramikscheiben zu vermeiden, müssen diese ebene und glatte
Stirnflächen aufweisen.
Dies lässt
sich nur durch mechanisches Bearbeiten, wie z. B. Schleifen, Glätten, bzw.
durch hochpräzises
Trennen einzelner Scheiben aus einem größeren Block z. B. mit einer
Diamantsäge
erreichen.
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Eine
solche Bearbeitung ist aufwendig und die Ausbeute des Herstellungsverfahrens
ist beschränkt,
da sich mechanische Spannungen auf die bereits gesinterten Keramikscheiben
nicht vollständig
vermeiden lassen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
eines Hochvoltpiezoaktors zur Verfügung zu stellen, das weniger
aufwendig ist und ins besondere die Nachteile, die sich durch auftretende
mechanische Spannungen ergeben können,
vermieden werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors
gemäß Anspruch
1 sowie den Piezoaktor gemäß dem nebengeordneten Anspruch
gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen eines Stapel-Piezoaktors
vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Herstellen
von mehreren keramischen Grünkörpern aus
keramischen Rohmaterial;
- – Stapeln
der mehreren keramischen Grünkörpern zu
einem Stapelaufbau, wobei zwischen jeweils zwei keramische Grünkörper eine
Innenelektrode angeordnet wird;
- – Co-Sintern
des Stapelaufbaus, um den Stapel-Piezoaktor zu bilden.
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Eine
Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Hochvoltpiezoaktor
aus nicht gesinterten keramischen Grünkörpern und dazwischen angeordneten
Metallisierungsschichten aufzubauen und anschließend die keramischen Grünkörper und die
Metallisierungsschichten in einem Co-Sinterprozess miteinander zu
verbinden. Dadurch entfällt
die mechanische Nachbearbeitung von einzelnen gesinterten Keramikscheiben,
was zu einem deutlich weniger aufwendigen Herstellungsprozess führt, wobei zudem
die Zuverlässigkeit
des Herstellungsprozesses erhöht
werden kann, da mechanische Spannungen weitgehend vermieden werden
können.
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Weiterhin
kann die Innenelektrode durch Bedrucken eines der keramischen Grünkörpers mit
leitfähigem
Material oder durch Anordnen einer leitfähigen Folie zwischen zwei Grünkörper gebildet
werden.
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Das
keramische Rohmaterial kann einen Binder enthalten, wobei vor dem
Schritt des Co-Sinterns durch einen thermischen Prozess das Rohmaterial
entbindert wird. Nach dem Co-Sintern kann weiterhin ein Heißpolarisationsprozess
durchgeführt werden.
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Die
keramischen Grünkörper können durch Extrudieren
aus keramischen Rohmaterial hergestellt werden. Alternativ können die
keramischen Grünkörper durch
Heraustrennen aus einem Block aus gepresstem keramischen Rohmaterial
hergestellt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Hochvoltpiezoaktors in Stapelbauweise;
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2 ein
Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Abfolge der Verfahrensschritte
für das
Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Piezoaktors in Stapelaufbauweise.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines Piezoaktors 1 in Stapelaufbauweise
dargestellt. Der Piezoaktor 1 weist flächige Keramikelemente 2 auf,
zwischen denen eine leitende Schicht eingebracht ist. Die leitende
Schicht, die zwischen den Keramikelementen 2 angeordnet
ist, stellen die Innenelektroden 3 des Piezoaktors 1 dar.
Die Innenelektroden 3 sind wechselseitig zu verschiedenen Bereichen
bzw. Seitenflächen
(zur Stapelrichtung der Keramikelemente 2) nach außen geführt, so
dass eine dort aufgebrachte Außenelektrode 4 jede
zweite (in Stapelrichtung) Innenelektrode 3 kontaktiert.
Somit kontaktieren die zwei Außenelektroden 4 des
Piezoaktors 1 jeweils jede zweite Innenelektrode 3.
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In 2 ist
ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung
des Hochvoltpiezoaktors dargestellt.
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Zum
Aufbau des Hochvoltpiezoaktors werden zunächst in Schritt S1 keramische
Grünkörper hergestellt.
Als keramischer Grünkörper wird
ungesintertes keramisches Material in bestimmter Form, vorzugsweise
in stapelbarer Scheibenform, bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
entspricht die Form der Grünkörper im
Wesentlichen der Form der Keramikelemente 2. Die Formgebung
der Grünkörper kann
bspw. durch Trockenpressen von keramischem Material bzw. durch Extrudieren
von keramischem Material in einen Formkörper hergestellt werden.
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Im
Unterschied zu dem eingangs beschriebenen Verfahren zum Aufbau eines
geschichteten Piezoaktors werden die keramischen Grünkörper nicht aus
fließfähigem (aufwendig
herzustellendem) Rohmaterial gegossen, sondern aus keramischem Rohmaterial
als Trockenmasse bzw. als Trockenmasse mit Binder direkt hergestellt.
Die Grünkörper werden z.
B. als Blättchen
bzw. Scheiben mit einer Dicke von 100 μm bis 1 mm und einer Fläche von
0,2 cm2 bis 1 cm2 ausgebildet.
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Die
Grünkörper können entweder
als einzelne Elemente oder in Blocktechnik hergestellt werden, wobei
in letzterem Fall die einzelnen Grünkörper aus dem Keramikblock herausgeschnitten
werden müssen,
um die benötigten
Grünkörper zu
erhalten.
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Das
keramische Rohmaterial liegt bspw. als Keramikpulver vor, dem optional
ein Bindermaterial zugesetzt werden kann, um eine ausreichende mechanische
Stabilität
der noch nicht gesinterten Grünkörper für die nachfolgenden
Verarbeitungsschritte zu erlangen.
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In
Schritt S2 werden die so hergestellten keramischen Grünkörper nun
entweder mit leitfähigem Material
bedruckt, um entsprechende Innenelektroden zu schaffen, oder es
wird zwischen die keramischen Grünkörper die
Innenelektroden in Form von leitfähigen Folien bzw. Metallfolien
eingelegt und so ein Stapelaufbau durch wechselweise Stapelung (S3)
eines keramischen Grünkörpers und
einer Metallfolie aufzubauen.
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Anschließend wird
in Schritt S4 der so erhaltene Stapelaufbau unter Druck und erhöhter Temperatur
zu einem monolithischen Körper
verdichtet, so dass sich das Material der Grünkörper und das dazwischen liegende
leitfähige
Material miteinander verbinden.
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In
Schritt S5 wird der verdichtete Stapelaufbau anschließend in
einem Temperaturschritt gegebenenfalls entbindert und anschließend co-gesintert und
heiß polarisiert.
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Im
Gegensatz zu bislang bekannten Verfahren wird der gestapelte Piezoaktor
nicht durch Verwendung von Keramikfolien hergestellt, die Keramikmaterial
aufweisen, das mit einer Fließeigenschaft versehen
ist. Derartige Keramikfolien müssen
gegossen werden, was ein vergleichsweise aufwendiger Prozessschritt
ist. Dagegen sieht das hierin vorgeschlagene Verfahren vor, durch
Pressformgebung von keramischem Rohmaterial keramische Grünkörper zu
erhalten, die eine ausreichende Stabilität aufweisen, um diese mit entsprechenden
Innenelektroden in einen Stapelaufbau zu bringen, der anschließend verdichtet
und gesintert wird.