DE102011003679A1 - Producing piezoelectric workpieces, comprises producing ceramic raw material from a starting material, producing several piezoelectric layers as green film, laminating a block, releasing and sintering block or parts of block, and separating - Google Patents
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Abstract
Description
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 13.The present invention relates to a method for the production of piezoelectric workpieces according to the preamble of claim 1 and a plant for the production of piezoelectric workpieces according to the preamble of claim 13.
Stand der TechnikState of the art
Piezoelektrische Aktoren werden für verschiedene technische Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise dienen piezoelektrische Aktoren zur Steuerung von Einspritzventilen in Verbrennungsmotoren. Kernstück der piezoelektrischen Aktoren ist dabei ein piezoelektrisches Werkstück.Piezoelectric actuators are used for various technical applications. For example, serve piezoelectric actuators for controlling injectors in internal combustion engines. The core of the piezoelectric actuators is a piezoelectric workpiece.
Aus keramischen Ausgangsmaterialien bzw. Rohmaterialien wird durch Mahlen ein Pulver bzw. Pulvergemisch hergestellt. Das Pulver wird anschließend kalziniert und dem kalzinierten Pulvergemisch werden Dotierstoffe, z. B. Bindemittel, Weichmacher und Lösungsmittel, zugegeben, so dass sich ein breiinger Schlicker als keramisches Rohmaterial bildet. Dabei kann es erforderlich sein, dass zum Mahlen eines Ausgangsmaterials Wasser erforderlich ist. Im Wasser ist Kalk als Calciumcarbonat (CaCO3) enthalten und damit auch Calciumcarbonat in Ionenform (Ca2+) aufgrund der Lösung in Wasser, so dass Calcium in Form von gelösten Ionen und Komplexen vorhanden ist. Dadurch gelangt in das Pulver, welches beim Mahlen mit Wasser hergestellt wird, unkontrolliert Calcium, so dass die Konzentration von Calcium in dem Pulver und damit auch in dem Rohmaterial starken Schwankungen unterworfen ist.From ceramic starting materials or raw materials, a powder or powder mixture is produced by grinding. The powder is then calcined and the calcined powder mixture dopants, for. As binders, plasticizers and solvents, is added, so that a breiinger slip forms as a ceramic raw material. It may be necessary that water is required to mill a starting material. In the water lime is contained as calcium carbonate (CaCO 3 ) and thus also calcium carbonate in ionic form (Ca 2+ ) due to the solution in water, so that calcium in the form of dissolved ions and complexes is present. As a result, calcium enters the powder, which is produced during grinding with water, so that the concentration of calcium in the powder and thus also in the raw material is subject to considerable fluctuations.
Aus dem kalzinieren Pulvergemisch als keramisches Rohmaterial mit den Dotierstoffen wird z. B. mit Walzen oder Gießen eine Grünfolie in einer Schichtdicke von z. B. 0,1 mm hergestellt. Zur Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken wird auch die Blocktechnik eingesetzt. Bei der Blocktechnik wird zunächst die 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 verpresst, das heißt laminiert. Nach diesem Prozessschritt des Laminierens liegt ein monolithischer Block vor, bei dem sich die Grünfolien nicht mehr voneinander unterscheiden. Der laminierte Block wird in Teilblöcke getrennt und die Teilblöcke werden entbindert und gesintert. Aus den gesinterten Teilblöcken werden die die piezoelektrischen Werkstücke abgetrennt. Abweichend hiervon können auch von dem Block die piezoelektrischen Werkstücke als Rohlinge abgetrennt werden und anschließend werden die piezoelektrischen Werkstücke als Rohlinge entbindet und gesintert.From the calcining powder mixture as a ceramic raw material with the dopants z. B. with rollers or casting a green sheet in a layer thickness of z. B. 0.1 mm. The block technique is also used to produce piezoelectric workpieces. In the block technique, the ceramic green sheet is first printed as a piezoelectric layer with an electrode material, so that an electrode layer is formed. These green sheets with the electrode layers are then stacked into a block and pressed, that is laminated. After this process step of lamination there is a monolithic block in which the green sheets are no longer different from each other. The laminated block is separated into sub-blocks and the sub-blocks are debinded and sintered. From the sintered sub-blocks, the piezoelectric workpieces are separated. Notwithstanding this, the piezoelectric workpieces can be separated from the block as blanks and then the piezoelectric workpieces are unbound as blanks and sintered.
Die
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken mit den Schritten: Herstellen eines keramischen Rohmaterials aus wenigstens einem Ausgangsmaterial, Herstellen einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten als Grünfolie aus dem Rohmaterial, Laminieren eines Blocks aus der Vielzahl von piezoelektrischen Schichten und einer Vielzahl von zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordneten Elektrodenschichten, Entbinden und Sintern des Blocks oder Teilen des Blocks, Abtrennen von piezoelektrischen Werkstücken von dem Block oder Teilen des Blocks, wobei zu dem wenigstens einen Ausgangsmaterial und/oder während der Herstellung des keramischen Rohmaterials Calcium quantitativ gezielt zugegeben wird, d. h. vorzugsweise in einer erfassten und/oder vorgegebenen Menge, um eine bestimmte Konzentration von Calcium in dem Rohmaterial zu erhalten. Als Teile des Blocks werden neben den Teilblöcken auch die piezoelektrischen Werkstücke, auch als Rohlinge vor dem Bindern und/oder Sintern, aufgefasst.A method of producing piezoelectric workpieces according to the present invention, comprising the steps of: preparing a ceramic raw material from at least one raw material, forming a plurality of piezoelectric layers as a green sheet from the raw material, laminating a block of the plurality of piezoelectric layers, and a plurality of interposed between the piezoelectric layers Electrode layers, debonding and sintering of the block or parts of the block, separating piezoelectric workpieces from the block or parts of the block, wherein to the at least one starting material and / or during the production of the ceramic raw material calcium is added selectively quantitative, d. H. preferably in a detected and / or predetermined amount to obtain a certain concentration of calcium in the raw material. As part of the block next to the sub-blocks and the piezoelectric workpieces, even as blanks before binding and / or sintering, understood.
Das Calcium wird somit gezielt in einer bestimmten bzw. vorgegebenen Menge zugegeben, so dass eine bestimmte bzw. vorgegebene Konzentration von Calcium in dem Rohmaterial erreicht werden kann und dadurch letztlich auch in den piezoelektrischen Werkstücken. Die Konzentration von Calcium in dem Rohmaterial bzw. in der Grünfolie hat einen wesentlichen Einfluss auf die elektrochemischen Eigenschaften und auf die Dauerhaltbarkeit des piezoelektrischen Werkstückes. Durch die gezielte Zugabe von Calcium kann eine bestimmte Konzentration von Calcium in dem Rohmaterial bzw. in dem piezoelektrischen Werkstück erreicht werden und dadurch die elektromechanischen Eigenschaften und die Dauerhaltbarkeit der piezoelektrischen Werkstücke wesentlich verbessert werden, weil eine bestimmte, vorgegebene Konzentration von Calcium ständig erreicht werden kann.The calcium is thus added selectively in a certain or predetermined amount, so that a certain or predetermined concentration of calcium can be achieved in the raw material and thereby ultimately in the piezoelectric workpieces. The concentration of calcium in the raw material or in the green sheet has a significant influence on the electrochemical properties and on the Durability of the piezoelectric workpiece. By deliberately adding calcium, a certain concentration of calcium in the raw material or in the piezoelectric workpiece can be achieved and thereby the electromechanical properties and the durability of the piezoelectric workpieces can be substantially improved, because a certain predetermined concentration of calcium can be constantly achieved ,
Insbesondere wird vor der Zugabe des Calciums die Konzentration des Calciums in dem wenigstens einen Ausgangsmaterial bestimmt und in Abhängigkeit von der Konzentration des Calciums in dem wenigstens einen Ausgangsmaterial wird das Calcium gezielt zugegeben. Wenigstens ein Ausgangsmaterial kann Calcium, auch Calcium in einer Verbindung, enthalten. Um eine bestimmte bzw. vorgegebene Konzentration von Calcium in dem Rohmaterial zu erhalten, ist es erforderlich, diese Konzentration von Calcium in dem wenigstens einen keramischen Ausgangsmaterial zu bestimmen und anschließend in Abhängigkeit von der bestimmten oder erfassten Konzentration an Calcium das Calcium zuzugeben, um die bestimmte bzw. vorgegebene Konzentration von Calcium in dem Rohmaterial zu erhalten.In particular, prior to the addition of the calcium, the concentration of calcium in the at least one starting material is determined and, depending on the concentration of calcium in the at least one starting material, the calcium is purposefully added. At least one starting material may contain calcium, also calcium in a compound. In order to obtain a given concentration of calcium in the raw material, it is necessary to determine this concentration of calcium in the at least one ceramic starting material and then to add the calcium depending on the determined or detected concentration of calcium or given concentration of calcium in the raw material.
In einer weiteren Ausgestaltung wird in einem Herstellungsschritt zur Herstellung des keramischen Rohmaterials aus dem wenigstens einen Ausgangsmaterial dem herzustellenden Rohmaterial aufgrund des Herstellungsschrittes Calcium zugegeben, diese Zugabe des Calciums wird quantitativ erfasst und in Abhängigkeit von der erfassten quantitativen Zugabe des Calciums wird das Calcium gezielt zugegeben.In a further embodiment, in a production step for producing the ceramic raw material from the at least one starting material, calcium is added to the raw material to be produced on the basis of the preparation step, this addition of calcium is quantitatively detected and the calcium is selectively added depending on the detected quantitative addition of the calcium.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der Herstellungsschritt ein Mahlvorgang bei dem Wasser zugegeben und/oder benötigt wird. Aus einem keramischen Ausgangsmaterial wird durch Mahlen Pulver hergestellt. Bei dem Mahlvorgang kann die Zugabe von Wasser erforderlich sein bzw. es kann aus verfahrenstechnischen Gründen Wasser zum Mahlvorgang benötigt werden, so dass dadurch zu dem keramischen Ausgangsmaterial beim Mahlen das Wasser gelangt. Im Wasser ist Calcium in Form von Kalk (CaCO3) in Ionenform (Ca2+) aufgrund der Lösung im Wasser enthalten, so dass Calcium in Form von gelösten Ionen und Komplexen vorliegt, und dadurch gelangt in das beim Mahlen hergestellte Pulver Calcium. Die Zugabe von Wasser sowie auch die Konzentration des Calciums im Wasser ist starken Schwankungen ausgesetzt, so dass dadurch auch die Konzentration vom Calcium in dem Pulver, welches mit diesem Mahlvorgang hergestellt wird, starken Schwankungen ausgesetzt ist. Dadurch wird mit diesem Herstellungsschritt das Rohmaterial mit Calcium angereichert und die Zugabe ist dabei starken Schwankungen ausgesetzt. Durch die quantitative Erfassung der Zugabe des Calciums in diesem Mahlvorgang und der gezielten Zugabe des Calciums zum Erreichen einer bestimmten Konzentration von Calcium in dem Rohmaterial kann eine im Wesentlichen konstante Konzentration von Calcium in dem keramischen Rohmaterial bzw. in den piezoelektrischen Werkstücken erreicht werden. Je mehr Calcium in dem Mahlvorgang unkontrolliert und ungezielt zugegeben wird, desto weniger Calcium wird im erfindungsgemäßen Verfahren gezielt zugegeben und umgekehrt. Dadurch kann eine im Wesentlichen konstante Konzentration von Calcium in dem keramischen Ausgangsmaterial bzw. in dem piezoelektrischen Werkstück erreicht werden können und somit auch konstante elektromechanische Eigenschaften und eine konstante Dauerhaltbarkeit der hergestellten piezoelektrischen Werkstücke erzielt werden.In a supplementary embodiment, the production step is a grinding process in which water is added and / or needed. From a ceramic starting material is prepared by grinding powder. In the grinding process, the addition of water may be required or it may be necessary for procedural reasons water for grinding, so that thereby enters the ceramic starting material during grinding, the water. In the water calcium in the form of lime (CaCO 3 ) in ionic form (Ca 2+ ) is contained due to the solution in the water, so that calcium is in the form of dissolved ions and complexes, and thereby enters into the powder produced during grinding calcium. The addition of water as well as the concentration of calcium in the water is subject to great fluctuations, so that the concentration of calcium in the powder, which is produced with this grinding process, is also subject to strong fluctuations. As a result, with this production step, the raw material is enriched with calcium and the addition is exposed to strong fluctuations. By quantitatively detecting the addition of calcium in this grinding operation and the targeted addition of calcium to achieve a certain concentration of calcium in the raw material, a substantially constant concentration of calcium in the ceramic raw material or in the piezoelectric workpieces can be achieved. The more calcium is added uncontrolled and untargeted in the grinding process, the less calcium is deliberately added in the process of the invention and vice versa. Thereby, a substantially constant concentration of calcium in the ceramic starting material or in the piezoelectric workpiece can be achieved and thus also constant electromechanical properties and a constant durability of the piezoelectric workpieces produced can be achieved.
Vorzugsweise wird das Calcium als chemische Verbindung gezielt zugegeben.Preferably, the calcium is added as a chemical compound targeted.
In einer Variante wird zur Herstellung des keramischen Rohmaterials wenigstens ein Ausgangsstoff zu einem Pulver gemahlen und vorzugsweise das Pulver kalziniert. Das Pulver ist dabei beispielsweise ein PZT-Pulver, d. h. ein Blei-Zirkon-Titanatpulver.In one variant, at least one starting material is ground to a powder for the production of the ceramic raw material, and preferably the powder is calcined. The powder is, for example, a PZT powder, d. H. a lead zirconium titanate powder.
Zweckmäßig wird während der Herstellung des keramischen Rohmaterials wenigstens ein Dotierstoff, z. B. Bindemittel und/oder Weichmacher und/oder Lösungsmittel, zugegeben, insbesondere wird der wenigstens eine Dotierstoff dem Pulver zugegeben. Der Dotierstoff wird vorzugsweise nach dem Mahlen dem Pulver oder dem kalzinierten Pulver zugegeben.Suitably during the manufacture of the ceramic raw material at least one dopant, for. As binders and / or plasticizers and / or solvents, added, in particular, the at least one dopant is added to the powder. The dopant is preferably added to the powder or calcined powder after milling.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Calcium dem wenigstens einen Ausgangsmaterial, insbesondere vor dem Mahlen, gezielt zugegeben und/oder das Calcium wird dem Pulver gezielt zugegeben, insbesondere zusammen mit dem wenigstens einen Dotierstoff. Das Calcium kann beispielsweise dem keramischen Ausgangsmaterial vor dem Mahlen quantitativ zugegeben werden oder es wird als Dotierstoff nach dem Mahlen dem Pulver gezielt quantitativ zugegeben, um eine vorgegebene bzw. bestimmte Konzentration von Calcium in dem Rohmaterial zu erhalten.In a further embodiment, the calcium is specifically added to the at least one starting material, in particular before the grinding, and / or the calcium is added selectively to the powder, in particular together with the at least one dopant. For example, the calcium may be added quantitatively to the ceramic raw material prior to milling, or it may be selectively added quantitatively as a dopant after grinding to the powder to obtain a predetermined concentration of calcium in the raw material.
Insbesondere wird eine derartige Menge an Calcium gezielt zugegeben, so dass die Konzentration von Calcium in dem Rohmaterial zwischen 10 und 600 ppm, vorzugsweise zwischen 50 und 300 ppm, insbesondere zwischen 150 und 200 ppm, liegt.In particular, such an amount of calcium is deliberately added so that the concentration of calcium in the raw material is between 10 and 600 ppm, preferably between 50 and 300 ppm, in particular between 150 and 200 ppm.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Konzentration ein Massenanteil in mg pro kg.In another embodiment, the concentration is a mass fraction in mg per kg.
In einer ergänzenden Variante werden von dem Block Teilblöcke als Teile des Blocks abgetrennt und die Teilblöcke werden entbindert und gesintert und/oder die piezoelektrischen Werkstücke als Teile des Blocks werden vor oder nach dem Entbinden und/oder Sintern von dem Block oder Teilblock abgetrennt. Abtrennen der piezoelektrischen Werkstücke kann vor oder nach dem Entbinden und/oder Sintern ausgeführt werden.In a supplementary variant of the block sub-blocks are separated as parts of the block and the sub-blocks are debinded and sintered and / or the piezoelectric workpieces as parts of the block are separated from the block or sub-block before or after debonding and / or sintering. Separation of the piezoelectric workpieces may be performed before or after debonding and / or sintering.
In einer weiteren Variante wird das Calcium derart gezielt zugegeben, dass die Konzentration von Calcium in den hergestellten piezoelektrischen Werkstücken im Wesentlichen konstant ist. Im Wesentlichen konstant bedeutet dabei, dass die Konzentration von Calcium in dem piezoelektrischen Werkstück und/oder in dem keramischen Rohmaterial sich um weniger als 30%, 20%, 10% oder 5% unterscheidet. Dadurch können in vorteilhafter Weise an den piezoelektrischen Werkstücken konstante Konzentrationen an Calcium erreicht werden. Dabei werden vorzugsweise derartige Konzentrationen erreicht, für die die Verwendung des piezoelektrischen Werkstückes die optimalsten elektromechanischen Eigenschaften und/oder Dauerhaltbarkeit aufweist. Dadurch ist es möglich, die positiven Wirkungen des Calciums in den piezoelektrischen Werkstücken optimal für die Anwendung des piezoelektrischen Werkstückes auszunutzen.In a further variant, the calcium is added in such a targeted manner that the concentration of calcium in the piezoelectric workpieces produced is essentially constant. Substantially constant means that the concentration of calcium in the piezoelectric workpiece and / or in the ceramic raw material differs by less than 30%, 20%, 10% or 5%. As a result, constant concentrations of calcium can advantageously be achieved on the piezoelectric workpieces. In this case, preferably such concentrations are achieved for which the use of the piezoelectric workpiece has the most optimal electromechanical properties and / or durability. This makes it possible to optimally utilize the positive effects of calcium in the piezoelectric workpieces for the application of the piezoelectric workpiece.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Ventils, insbesondere Brennstoffeinspritzventils, mit den Schritten: Herstellen eines piezoelektrischen Werkstückes mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten und einer Vielzahl von zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordneten Elektrodenschichten, vorzugsweise zur Verfügung stellen eines Ventilgehäuses, vorzugsweise zur Verfügung stellen einer Düsennadel, vorzugsweise Verbinden des piezoelektrischen Werkstückes, des Ventilgehäuses und der Düsennadel zu dem Ventil, wobei das piezoelektrischen Werkstück mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt wird.Method according to the invention for producing a valve, in particular a fuel injection valve, comprising the steps: producing a piezoelectric workpiece having a plurality of piezoelectric layers and a plurality of electrode layers arranged between the piezoelectric layers, preferably providing a valve housing, preferably providing a nozzle needle, preferably Connecting the piezoelectric workpiece, the valve housing and the nozzle needle to the valve, wherein the piezoelectric workpiece is produced by a method described in this patent application.
Erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken, wobei von der Anlage ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.Inventive plant for the production of piezoelectric workpieces, wherein from the plant a method described in this patent application process is executable.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird die Elektrodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. Metall, mit einem physikalischen oder chemischen Beschichtungsverfahren, z. B. Aufdampfen, Sputtern oder Siebdrucken, auf die Grünfolie aufgebracht.In a supplementary embodiment, the electrode layer is made of an electrically conductive material, for. As metal, with a physical or chemical coating method, for. As vapor deposition, sputtering or screen printing, applied to the green sheet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung werden die piezoelektrischen Werkstücke mit einem Dicingverfahren von dem wenigstens einen gesinterten Teilblock abgetrennt.In an additional embodiment, the piezoelectric workpieces are separated from the at least one sintered sub-block by a dicing process.
In einer ergänzenden Variante wird das abgetrennte wenigstens eine piezoelektrische Werkstück abgeschliffen.In a supplementary variant, the separated at least one piezoelectric workpiece is ground.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:In the following, an embodiment of the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:
Piezoelektrische Aktoren
Ein Ventil
Für die Herstellung des piezoelektrischen Werkstückes
Dabei wird die Konzentration des Calciums in dem Ausgangsmaterial
Bei der Herstellung des piezoelektrischen Werkstücks
Nach der Herstellung des monolithischen Blockes
In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Teilblöcke
Abweichend hiervon können aus dem Block
Die piezoelektrischen Schichten
Auch die Großsignaleigenschaften werden vom Calcium
Auch die verbesserte Langzeitstabilität ist eine Folge von der Zugabe von Calcium
Das Calcium
Insgesamt betrachtet sind mit den erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Werkstücken
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19757877 A1 [0005] DE 19757877 A1 [0005]
- DE 10217097 A1 [0006] DE 10217097 A1 [0006]
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DE19757877A1 (en) | 1997-12-24 | 1999-07-01 | Bosch Gmbh Robert | Method of manufacturing piezoelectric actuators and piezoelectric actuator |
DE10217097A1 (en) | 2001-04-18 | 2002-11-21 | Denso Corp | Process for the production of a ceramic laminate |
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2011
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