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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Anlage zur Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.
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Stand der Technik
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Piezoelektrische Aktoren werden für verschiedene technische Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise dienen Piezoelektrische Aktoren als Stellweggeber von Einspritzventilen in Verbrennungsmotoren. Kernstück der piezoelektrischen Aktoren ist dabei ein piezoelektrisches Werkstück. Zur Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken wird auch die sogenannte Blocktechnik eingesetzt. Bei der Blocktechnik wird zunächst eine keramische Grünfolie als Piezoelektrische Schicht mit einem Elektrodenmaterial bedruckt, sodass sich eine Elektrodenschicht ausbildet. Diese Grünfolien mit den Elektrodenschichten werden anschließend zu einem Block gestapelt und laminiert. Nach diesem Prozessschritt des Laminierens liegt ein monolithischer Block vor, bei dem sich die Grünfolien nicht mehr voneinander unterscheiden. Die piezoelektrischen Schichten aus einem Keramikwerkstoff sind ferner mit einem Bindemittel versehen.
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Gemäß der internationalen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
PCT/EP2010/058383 der Anmelderin werden von dem monolithischen Block Teilblöcke abgetrennt. Diese riegelförmigen Teilblöcke werden anschließend den Prozessschritten des Entbinderns und Sinterns zugeführt. Beim Entbindern wird das Bindemittel aus den piezoelektrischen Schichten entfernt und beim Sintern erfolgt das Erhärten bzw. Brennen des Keramikwerkstoffs der piezoelektrischen Schicht. Diese gesinterten Teilblöcke werden anschließend in einem Trennverfahren, insbesondere Dicingverfahren, zu piezoelektrischen Werkstücken geschnitten bzw. abgetrennt. Während des Entbinderns und Sinterns der riegelförmigen Teilblöcke tritt ein Schwinden auf, sodass hier eine Volumenreduzierung im Bereich von ungefähr 17 bis 18 Prozent des Teilblocks die Folge ist. Diese Schwindung des Teilblocks kann zu einer Geometrieänderung, insbesondere einer Verkrümmung, des riegelförmigen Teilblocks führen. Bei einer derartigen ungünstigen Geometrieänderung des riegelförmigen Teilblocks können die nachfolgenden Prozessschritte nicht mehr oder nur noch in einem nicht mehr ausreichenden Umfang bzw. mit nicht ausreichenden Ergebnissen mehr ausgeführt werden.
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Die
DE 197 57 877 A1 zeigt ein Verfahren zur parallelen Herstellung mehrerer piezoelektrischer Aktoren. Aus einem ungebrannten piezoelektrischen Keramikwerkstoff werden dünne Folien hergestellt und in diese Folien eine erste und zweite Verbindungsöffnung eingebracht, wobei jedem Aktor eine erste und zweite Verbindungsöffnung zugeordnet ist. Die Folien werden anschließend mit mehreren Elektroden beschichtet, wobei bei jedem Aktor in jeder Folie zumindest eine Elektrode zugeordnet ist. Die Vielzahl von Folien werden anschließend übereinander gestapelt, wobei die Schicht infolge der Folie so gewählt ist, dass die übereinander angeordneten Verbindungsöffnungen alternierend nur in jeder zweiten Folienschicht von einer Aussparung der Elektroden umgeben sind. Anschließend erfolgt ein Brennen der gestapelten Anordnung und ein Zertrennen der gestapelten Anordnung in einzelne Aktoren.
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Aus der
DE 102 17 097 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Laminats durch Laminieren einer Vielzahl von Stücken keramischer Schichten bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken mit den Schritten: Laminieren eines Blocks aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten und einer Vielzahl von zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordneten Elektrodenschichten, Trennen des Blocks in wenigstens einen Teilblock, vorzugsweise mehrere Teilblöcke, Entbindern und Sintern des wenigstens einen Teilblockes, Trennen des wenigstens einen Teilblockes in piezoelektrische Werkstücke nach dem Entbindern und Sintern, wobei während des Entbinderns und/oder Sinterns des wenigstens einen Teilblockes auf den wenigstens einen Teilblock mit wenigstens einem Zwangsführungselement eine Kraft aufgebracht wird, um Formänderungen des wenigstens einen Teilblockes während des Entbinderns und/oder Sinterns zu verringern oder zu vermeiden.
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Aufgrund der von dem wenigstens einen Zwangsführungselement auf den wenigstens einen Teilblock aufgebrachten Kraft befindet sich dieser während der Sinterschwindung in einer Zwangslage. Durch die aufgebrachte Kraft und die Reibung zwischen dem wenigstens einem Teilblock und dem wenigstens einen Zwangsführungselement sowie einer erhöhten Reibung zwischen dem wenigstens einen Teilblock und einer Auflageplatte, auf welcher der wenigstens eine Teilblock aufliegt, sofern die aufgebrachte Kraft eine vertikale Komponente nach unten aufweist, werden unerwünschte Relativbewegungen des wenigstens einen Teilblocks während der Sinterschwindung unterbunden. Dadurch kann eine Verkrümmung oder eine Krümmung des riegelförmigen Teilblocks verringert oder sogar ausgeschlossen werden. Diese Zwangsführung ermöglicht es somit, die Geometrie des Teilblocks vor und nach dem Entbindern und/oder Sintern im Wesentlichen unverändert zu halten, das heißt, eine Krümmung des Teilblocks zu verhindern und dadurch die Qualität und die Güte der Ausbringung von nachfolgenden Verfahrensschritten nicht zu beeinträchtigen.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform wird von dem wenigstens einen Zwangsführungselement während des Entbinderns und/oder Sinterns auf einen oberen Endabschnitt des wenigstens einen Teilblockes die Kraft aufgebracht. Das Aufbringen der Kraft am oberen Endabschnitt des wenigstens einen Teilblocks, insbesondere am oberen Ende des wenigstens einen Teilblocks, bewirkt bei einer Auflage des wenigstens einen Teilblocks auf einer Auflageplatte eine vertikale Druckspannung in dem wenigstens einen Teilblock, sofern die aufgebrachte Kraft auch eine vertikal nach unten gerichtete Komponente aufweist. Dadurch ist eine Verkrümmung des wenigstens einen riegelförmigen Teilblocks behindert oder ausgeschlossen.
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In einer ergänzenden Variante ist der wenigstens eine Teilblock während des Entbinderns und/oder Sinterns auf einer Auflageplatte aufgelegt. Die Auflageplatte dient zum Auflegen des wenigstens einen Teilblocks und im Allgemeinen sind auf der Auflageplatte mehrere Teilblöcke aufgelegt. Die Auflageplatte wird dabei in einen Ofen zum Entbindern und Sintern eingeführt und dadurch können in einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Prozess des Einführens der Auflageplatte mit den aufgelegten Teilblöcken die Teilblöcke entbindert und gesintert werden. Dabei besteht zwischen dem wenigstens einen Teilblock und der Auflage eine Reibkraft während des Sinterschwindens des wenigstens einen Teilblocks.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird von dem wenigstens einen Zwangsführungselement auf den wenigstens einen Teilblock eine vertikal nach unten gerichtete Kraft, insbesondere Druckkraft, aufgebracht, so dass mit der vertikal nach unten gerichteten Kraft eine Verkrümmung des wenigstens einen Teilblockes behindert wird.
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Zweckmäßig ist die vertikal nach unten gerichtete Kraft die Schwerkraft des wenigstens einen Zwangsführungselementes und/oder das wenigstens eine Zwangsführungselement wird vor dem Entbindern und/oder Schwinden bzw. Sintern auf den wenigstens einen Teilblock aufgelegt. Das wenigstens eine Zwangsführungselement bringt die vertikal gerichtete Kraft, insbesondere ausschließlich, als Schwerkraft auf den wenigstens einen Teilblock auf. Das wenigstens eine Zwangsführungselement ist somit ein Auflageteil. Abweichend hiervon kann zusätzlich oder ersatzweise durch einen Nachführmechanismus, z. B. von einem Elektromotor angetrieben, während des Entbinderns und/oder Sinterns die Kraft, insbesondere die vertikal nach unten gerichtete Kraft, von dem wenigstens einen Zwangsführungselement auf den wenigstens einen Teilblock aufgebracht werden. Dabei kann während des Aufbringens der Kraft mit dem wenigstens einen Zwangsführungselement die Größe der Kraft vorzugsweise dabei auch mit einer Steuerungseinheit während des Entbinderns und/oder Sinterns gesteuert werden.
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In einer ergänzenden Ausführungsform wird der wenigstens eine Teilblock als im Wesentlichen quaderförmig von dem Block als Platte abgetrennt und der wenigstens eine plattenförmige Teilblock weist während des Entbinderns und/oder Sinters eine größere vertikale Ausdehnung auf als die horizontale Ausdehnung in einer Richtung.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das wenigstens eine Zwangsführungselement als ein Abdeckstab ausgebildet. Auf den wenigstens einen Teilblock sind somit ein oder sind mehrere Abdeckstäbe aufgelegt.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung weist das wenigstens eine Abdeckelement eine, vorzugsweise konische, Nut auf und in der Nut wird der obere Endabschnitt des wenigstens einen Teilblockes angeordnet. Vorzugsweise werden als oberer Endabschnitt die oberen, d. h. in vertikaler Richtung, 30%, 20%, 10%, 5% oder 2% des wenigstens einen Teilblockes aufgefasst.
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In einer zusätzlichen Variante senkrecht zu einer Längsachse des Abdeckstabes die horizontale Ausdehnung des obere Endes des wenigstens einen Teilblockes vor dem Sintern und/oder Entbindern größer als die minimale Breite der konischen Nut, so dass während des Entbinderns und/oder Sinterns aufgrund des Schwindens des wenigstens einen Teilblockes das obere Ende des wenigstens einen Teilblockes tiefer in die konische Nut eingleitet.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird auf den oberen Endabschnitt des wenigstens einen Teilblockes in der konischen Nut eine horizontale Druckkraft aufgebracht.
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Vorzugsweise schwindet während des Entbinderns und Sinterns der wenigstens eine Teilblock und das wenigstens eine Zwangsführungselement führt die außenseitige Schwindbewegung des wenigstens einen Teilblockes mit aus, so dass während des Entbinderns und Sinterns von dem wenigstens einen Zwangsführungselement ständig auf den wenigstens einen Teilblock die Kraft aufgebracht wird.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung werden die piezoelektrischen Werkstücke mit einem Dicingverfahren von dem wenigstens einen gesinterten Teilblock abgetrennt.
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In einer ergänzenden Variante wird das abgetrennte wenigstens eine piezoelektrische Werkstück abgeschliffen.
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Anlage zum Herstellen von piezoelektrischen Werkstücken, wobei von der Anlage ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht eines laminierten Blockes,
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2 eine perspektivische Ansicht eines von dem Block abgetrennten Teilblockes,
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3 eine perspektivische Ansicht eines von dem Teilblock abgetrennten piezoelektrischen Werkstückes,
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4 einen Querschnitt mehrerer Teilblöcke auf einer Auflageplatte während des Entbinderns und Sinterns,
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5 einen vergrößerten Teilquerschnitt gemäß 4 eines Teilblockes mit einem aufgelegten Abdeckstab,
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6 eine perspektivische Ansicht des Abdeckstabes gemäß 4 und 5 und
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7 eine stark vereinfachte Ansicht einer Anlage zur Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken.
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Piezoelektrische Aktoren werden für die verschiedensten technischen Anwendungen, zum Beispiel zum Bewegen bzw. Ansteuern von Einspritzventilen in Verbrennungsmotoren, eingesetzt (nicht dargestellt). Die piezoelektrischen Aktoren umfassen dabei ein piezoelektrisches Werkstück 7 bzw. ein Stack 7.
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Bei der Herstellung des piezoelektrischen Werkstücks 7 werden zunächst aus einem ungebrannten piezoelektrischen Keramikwerkstoff mit Bindemittel, der sogenannten grünen Keramik, zum Beispiel mit Walzen oder Gießen, keramische Grünfolien hergestellt und auf diese keramische Grünfolien wird ein elektrisch leitfähiges Material, vorzugsweise eine dünne Metallschicht, mit chemischen oder physikalischen Oberflächenbeschichtungsverfahren, zum Beispiel Aufdampfen, Sputtern oder einem Siebdruckverfahren, aufgebracht. Diese elektrisch leitfähigen Metallschichten stellen dabei Elektrodenschichten 3 dar. Die piezoelektrischen Schichten 2 als Grünfolien, welche mit der Elektrodenschicht 3 beschichtet sind, werden anschließend zu einem Block 1. gestapelt und laminiert. Anschließend liegt ein monolithischer Block 1 vor, bei dem sich die piezoelektrischen Schichten 2 nicht mehr unterscheiden. Die piezoelektrischen Schichten 2 aus dem ungebrannten Keramikwerkstoff sind ferner mit einem Bindemittel versehen. Das Bindemittel ermöglicht die Herstellung und Verarbeitung der Grünfolie.
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Nach der Herstellung des monolithischen Blockes 1 werden in einem weiteren Verfahrensschritt aus dem monolithischen Bock 1 eine Vielzahl von Teilblöcken 4 abgetrennt, das heißt aus dem Block 1 werden durch Abtrennen eine Vielzahl von Teilblöcke 4 als Riegel 5 bzw. Platten 6 hergestellt bzw. abgetrennt. Ein derartiger riegelförmiger Teilblock 4 ist in 2 dargestellt und aus dem in 1 dargestellten Block 1 kann eine größere Anzahl von Teilblöcken 4 durch Abtrennen hergestellt werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Teilblöcke 4 in einem Entbinder- und Sinterofen entbindert und gesintert. Dabei tritt während des Sinterns eine Sinterschwindung im Bereich von 17 bis 18 Volumenprozent auf. Das Entbindern dient dazu, das Bindemittel, zum Beispiel Kunststoff, aus den Teilblöcken 4 zu entfernen, d. h. auszubrennen bzw. auszuglühen, weil der Kunststoff die piezoelektrischen Eigenschaften stört. Zum Entbindern und Sintern der Teilblöcke 4 in dem Ofen (nicht dargestellt) werden mehrere Teilblöcke 4 auf eine Auflageplatte 14 aufgelegt. Zwischen den Teilblöcken 4 sind dabei Trennplatten 15 angeordnet. Die Trennplatten 15 sind dabei mittels einer formschlüssigen Verbindung (nicht dargestellt) mit der Auflageplatte 14 verbunden und dienen dazu, einerseits beim Umkippen eines Teilblocks 4 das Umkippen weiterer Teilblöcke 4 auf die Auflageplatte 14 zu verhindern, weil die Trennplatten 15 mit der Auflageplatte 14 mechanisch formschlüssig verbunden sind. Dabei wird vor dem Einführen der Teilblöcke 4 in den Ofen auf die Teilblöcke 4 ein Abdeckstab 9 als Zwangsführungselement 8 aufgelegt. Das Zwangsführungselement 8 besteht aus einem hitzebeständigen Werkstoff, zum Beispiel Keramik, wie auch die Auflageplatte 14 und die Trennplatte 15. Der Abdeckstab 9 (4, 5 und 6) mit einer Längsachse 20 weist an zwei Seiten jeweils eine konische Nut 10 auf. In eine der zwei konischen Nuten 10 ist ein oberer Endabschnitt 12 der Teilblöcke 4 eingeführt, sodass an einem oberen Ende 13 der Teilblöcke 4 die Teilblöcke 4 an der konischen Nut 10 auf dem Abdeckstab 9 aufliegen. Die Nut 10 weist dabei eine minimale Breite 11 auf. In 4 ist die horizontale Ausdehnung 17 des Teilblocks 4 in einer Richtung senkrecht zu einer von dem Teilblock 4 aufgespannten Ebene mit einem Pfeil dargestellt. Die horizontale Ausdehnung 17 des wenigstens einen Teilbockes 4 ist somit die horizontale Ausdehnung 17 senkrecht zu der Längsachse 20. Ferner weist der im Wesentlichen quaderförmige Teilblock 4 eine vertikale Ausdehnung 16 auf (4). Die horizontale Ausdehnung 17 des Teilblocks 4 vor dem Sintern ist größer als die minimale Breite 11 der Nut 10. In 5 ist der Teilblock 4 vor dem Sintern mit einer durchgezogenen Linie und nach dem Sintern mit einer gestrichelten Linie dargestellt.
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Der Abdeckstab 9 liegt mit seiner Schwerkraft auf dem oberen Endabschnitt 12 des Teilblocks 4 auf und bringt dabei auf den Teilblock 4 eine vertikal nach unten gerichtete Druckkraft 18 und eine horizontale Druckkraft 19 am oberen Endabschnitt 12 bzw. am oberen Ende 13 auf. Die horizontale Druckkraft 19 ist bedingt durch die konische Form der Nut 10 (5). Der Teilblock 4 befindet sich während des Sinterschwindens in einer Zwangslage zwischen dem Abdeckstab 9 und der Auflageplatte 14. Auf den Teilblock 4 wirkt die vertikal nach unten gerichtete Druckkraft 18 und ferner wirkt zwischen dem Abdeckstab 9 und dem Teilblock 4 auch eine Reibkraft aufgrund der Bewegung des Teilblocks 4 während des Sinterschwindens. Dabei hängt die Reibkraft von der Größe der vertikal nach unten gerichteten Druckkraft 18 und der Größe der horizontalen Druckkraft 19 ab und ist umso größer, je größer die Druckkräfte 18, 19 sind, entsprechend den Reibungsgesetzen. Ferner tritt eine Reibkraft zwischen dem Teilblock 4 und der Auflageplatte 14 auf, die von der Größe der Druckkraft zwischen dem Teilblock 4 und der Auflageplatte 14 abhängt. Diese Druckkraft ist dabei die Summe aus der Schwerkraft des Teilblocks 4 und des Abdeckstabes 9, sodass aufgrund des zusätzlichen Gewichts des Abdeckstabes 9 somit die Reibkraft zwischen dem Teilblock 4 und der Auflageplatte 14 zusätzlich erhöht ist. Bei einer Verkrümmung des Teilblockes 4 würde die Unterseite des Teilblocks 4, welche auf der Auflageplatte 14 aufliegt, in der Ausdehnung senkrecht zu der Zeichenebene von 4 nicht mehr vollständig auf der ebenen Auflageplatte 14 aufliegen. Mit Hilfe des Abdeckstabes 9 kann eine derartige Verkrümmung des Teilblocks 4 während des Sinterschwindens im Wesentlichen ausgeschlossen werden. Formänderungen, insbesondere eine Verkrümmung, der Teilblöcke 4 während des Sinterschwindens würden negative Auswirkungen auf nachfolgende Verfahrensschritte haben.
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Nach dem Entbindern und Sintern der Teilblöcke 4 werden aus jedem Teilblock 4 gemäß der Darstellung in 2 fünf piezoelektrische Werkstücke 7 (3) mittels eines Dicingverfahrens abgetrennt. Das Dicingverfahren ist dabei ein Hochgeschwindigkeits-Trennschleifen. Die entsprechenden Trenn- bzw. Arbeitslinien an dem Teilblock 4 sind in 2 strichliert dargestellt.
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Anstelle des Abdeckstabes 9 als Zwangsführungselement 8 sind dabei auch andere Varianten möglich (nicht dargestellt). An dem oberen Endabschnitt 12 können auch mehrere Abdeckstäbe 9 als einzelne Bauteile aufgelegt sein und dabei besteht zwischen diesen einzelnen Abdeckstäben 9 in einer Ausdehnung senkrecht zu der Zeichenebene von 4 ein Abstand. Darüber hinaus kann das Zwangsführungselement auch ein einfaches Auflageteil, zum Beispiel ein quaderförmiges oder rundes Auflageteil sein, welches lediglich auf das obere Ende 13 des Teilblocks 4 aufgelegt ist. Dabei kann ein oder es können auch mehrere Auflageteile auf das obere Ende 13 des Teilblocks 4 aufgelegt sein. Abweichend hiervon kann das wenigstens eine Zwangsführungselement 8 auch eine Führungsschiene oberhalb und vorzugsweise auch unterhalb des Teilblocks 4 sein. Ferner kann das Zwangsführungselement 8 auch als ein strukturierter Setter zum passgenauen Einlegen des Teilblocks 4 ausgebildet sein.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken 7 und mit der erfindungsgemäßen Anlage 21 wesentliche Vorteile verbunden. Die piezoelektrischen Werkstücke 7 werden erst nach dem Entbindern und Sintern der Teilblöcke 4 von den Teilblöcken 4 abgetrennt, sodass dadurch ein geringerer Aufwand beim Auf- und Abbau des Ofenbesatzes im Sinterprozess eintritt und ferner Material eingespart werden kann sowie auch eine verringerte Streuung der Primäreigenschaften, wie Hub- und Großsignalkapazität des piezoelektrischen Werkstücks 7, eintritt. Um bei diesem Herstellungsverfahren eine Verkrümmung der Teilblöcke 4 während des Sinterns mit negativen Auswirkungen auf den Herstellungsprozess zu verhindern, können mit Zwangsführungselementen 8 auf die Teilblöcke 4 entsprechende Kräfte aufgebracht werden, sodass während des Sinterns der Teilblöcke 4 eine Verkrümmung der Teilblöcke 4 im Wesentlichen ausgeschlossen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2010/058383 [0003]
- DE 19757877 A1 [0004]
- DE 10217097 A1 [0005]
