DE102021108060A1

DE102021108060A1 - Verfahren zum Polarisieren eines piezokeramischen Bauelements und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102021108060A1
Application number: DE102021108060.6A
Authority: DE
Inventors: Alexej Wischnewski; Maxim Wischnewski
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-10-06
Also published as: WO2022207038A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren eines piezokeramischen Bauelements, umfassend die Schritte: Erhitzen des piezokeramischen Bauteils unter Luftatmosphäre auf eine Temperatur Tp, die niedriger als die Curie-Temperatur Tcdes Materials des piezokeramischen Bauteils ist; Anlegen einer elektrischen Gleichspannung UPan das piezokeramische Bauelement; Anlegen einer elektrischen Wechselspannung Uexcmit wenigstens einer Frequenz fexc für einen Zeitraum texc, während gleichzeitig die elektrische Gleichspannung UPdaran anliegt, wobei die elektrische Wechselspannung Uexczumindest eine Frequenz umfasst, welche einer Resonanzfrequenz des piezokeramischen Bauelements entspricht; Abkühlen des piezokeramischen Bauteils unter weiterer Aufrechterhaltung der elektrischen Gleichspannung UPnach erfolgter Beaufschlagung mit der elektrischen Wechselspannung Uexcund Zurücknahme der elektrischen Gleichspannung UPnach Unterschreiten einer definierten Temperatur.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren eines piezokeramischen Bauelements sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die Funktionsweise von piezoelektrischen Bauelementen, etwa piezokeramischen Aktoren, beruht auf der Eigenschaft bestimmter Kristalle unter dem Einfluss des elektrischen Feldes Ihre Form zu verändern. In diversen Bauformen findet man piezoelektrische Aktoren für die unterschiedlichsten Anwendungen, wie z. B. als Stellglieder in Positioniersystemen, als elektroakustische Energiewandler in Geräten der Sonartechnik, der Ultraschallreinigungstechnik oder als Einspritzventile für Verbrennungsmotoren in der Automobilindustrie.
Vor dem Einsatz des piezokeramischen Bauelements muss die Piezokeramik polarisiert werden. Das Polarisieren hat dabei den Zweck, den piezoelektrischen Effekt in dem piezokeramischen Material, insbesondere piezoelektrischer Keramik, nutzbar zu machen. Hierbei wird während des Herstellungsverfahrens ein Prozessschritt der Polarisation durchgeführt. Dabei werden durch das Anlegen eines elektrischen Feldes Dipolmomente in der Keramik in eine Vorzugsrichtung ausgelenkt. Nach diesem Prozess weist die Keramik eine remanente Polarisation auf. Bereiche mit einheitlicher Dipolrichtung, die Domänen, haben dann eine Vorzugsrichtung und sind nicht mehr statistisch verteilt.
Für die Polarisation sogenannter harter piezokeramischer Werkstoffe ist eine elektrische Feldstärke von 2 bis 10 kV/mm erforderlich. Die Polarisationsbehandlung erfolgt in einer isolierenden Flüssigkeit, beispielsweise in speziellem Öl. An der Luft kann die Polarisation nicht erfolgen, da die erforderliche Feldstärke nicht erreicht werden kann. Bei einer elektrischen Feldstärke von ca. 1 kV/mm findet eine elektrische Entladung statt. Die piezokeramischen Bauelemente werden beispielsweise für 30 Minuten in eine 130°C heiße Polarisationsflüssigkeit getaucht und mit einer elektrischen Spannung von 2 bis 10kV pro mm beaufschlagt.
Das Polarisieren piezokeramischer Bauelemente in Öl ist jedoch mit einigen Nachteilen verbunden. Das Polarisationsöl beispielsweise ist gesundheitsschädlich. Es muss nach der Polarisationsbehandlung aus den Bauelementen in einem weiteren Prozessschritt aufwendig herausgewaschen und danach entsorgt werden. Dies verteuert den Herstellungsprozess der Bauelemente. Die Piezokeramik weist eine gewisse Porosität auf. Das Polarisationsöl dringt in die Poren ein und lässt sich daraus nicht mehr vollständig auswaschen. Die Ölreste beeinträchtigen negativ nachfolgende Technologieschritte, etwa das Ankleben von Friktionselementen an den Aktor. Ebenso werden die mikroskopischen Reste des Polarisationsöls während des Betriebs eines Ultraschallaktors aus den Keramikporen herausgeschleudert und verunreinigen unter Umständen das nähere Umfeld, was beispielsweise bei Hochvakuumanwendungen spezieller Maßnahmen, wie eine Aktorbeschichtung, erfordert. Weiterhin ist die erforderliche elektrische Spannung von mehreren kV sehr hoch und potentiell lebensgefährlich. Der Prozess erfordert daher spezielle Sicherheitsvorkehrungen.
Mit steigender Temperatur nimmt die Domänenbeweglichkeit in der Piezokeramik zu. Aus diesem Grund kann die Polarisation in vorteilhafter Weise bei erhöhter Temperatur an Luft erfolgen (Heißluftpolarisation bzw. HL-Polarisation). Aus der Druckschrift EP 2 378 580 B1 ist ein Heißpolarisationsverfahren der piezokeramischen Baudelemente bekannt, bei dem das Bauelement zuerst in Luft über die Curie-Temperatur Tc erwärmt und dann abgekühlt wird. Beim Unterschreiten von Tc wird eine Polarisationsgleichspannung angelegt und die Keramik auf die Temperatur abgekühlt, bei der die Beweglichkeit der Domänen stark reduziert ist. Der Prozess kann an Luft stattfinden, weil aufgrund der erhöhten Beweglichkeit der Domänen die erforderliche elektrische Feldstärke mit 1/10 des Werts für die Polarisation in Flüssigkeit (d.h. etwa 250 V/mm) ausreichend ist, um einen vergleichbaren Polarisationsgrad der Keramik zu erreichen. Die Curie-Temperatur Tc von harten piezoelektrischen Werkstoffen auf Basis von Bleizirkonat-Titanat (PZT) liegt beispielsweise im Bereich zwischen 330 und 350°C, und bei Werkstoffen für Hochtemperaturanwendungen in einem Bereich von 600°C.
Die relativ hohe Prozesstemperatur der Heißluftpolarisation erweist sich bei der Herstellung der piezokeramischen Aktoren für bestimmte technologische Prozesse, etwa die Kathodenzerstäubung, jedoch als nachteilig. Die Herstellung der Aktorelektroden durch Kathodenzerstäubung oder Sputtern ist besonders kosteneffektiv in der Massenfertigung. Kathodenzerstäubung ist eine Beschichtungstechnik, bei der Atome aus einem Festkörper (Target) durch Beschuss mit energiereichen Ionen herausgelöst werden, in die Gasphase übergehen und sich dann auf der Oberfläche eines in der Nähe angebrachten Substrats kondensieren und dort eine dünne Schicht ausbilden. Durch die Kathodenzerstäubung können diverse Metalle als Elektrodenmaterial aufgebracht werden, beispielsweise Chrom, Nickel, Gold oder Kupfer. Die Kathodenzerstäubung kann jedoch bei einer HL-Polarisation nicht angewendet werden, denn die bei dem Kathodenzerstäubungsprozess entstehende Materialschicht beträgt nur einige Zehntel-Nanometer und ist somit relativ dünn. Bei Temperaturen von etwa 300°C oxidiert diese an Luft und verdampft.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Polarisationsverfahren für piezokeramische Bauelemente bereitzustellen, welches bei geringeren Temperaturen und unter Anwendung einer niedrigeren elektrischen Feldstärke durchgeführt werden kann. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Polarisationsverfahrens bereitzustellen.
Durch die Verringerung der Temperatur bei dem Polarisationsverfahren soll u.a. die Verwendung der Kathodenzerstäubungsprozesses zur Elektrodenherstellung ermöglich werden. Durch die Verringerung der elektrischen Feldstärke soll u.a. die elektrische Entladung zwischen den Elektroden ausgeschlossen werden, wobei gleichzeitig ein hoher Polarisationsgrad der Piezokeramik erreicht wird. Des Weiteren soll durch den Polarisationsprozess die Ausbildung einer bestimmten gewünschten Schwingungsmode begünstigt und die anderer Schwingungsmoden unterdrückt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Polarisationsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren vor, bei dem mit einer vergleichsweise geringen Feldstärke, bei niedrigen Temperaturen und in kurzer Zeit ein Polarisationsgrad von Piezokeramiken erreicht wird, der vergleichbar oder sogar größer ist als bei herkömmlichen Polarisationsverfahren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Polarisation eines piezokeramischen Bauelements die folgenden Prozessschritte:
In einem ersten Prozessschritt erfolgt eine Erwärmung des zu polarisierenden Bauelementes unter Luftatmosphäre auf eine Temperatur T_P. Die Temperatur T_P ist diejenige Temperatur, bei der beim Beaufschlagen des Bauelementes mit einer jeweiligen elektrischen Gleichspannung die Domänen in der Piezokeramik beginnen, sich nach dem elektrischen Feld auszurichten (Beginn bzw. Einsetzen der Polarisation).
In dem darauffolgenden zweiten Prozessschritt wird eine elektrische Gleichspannung U_P an das piezokeramische Bauelement angelegt und über einen gewissen Zeitraum gehalten.
In dem nachfolgenden dritten Prozessschritt wird das piezokeramische Bauelement unter gleichzeitiger Beaufschlagung mit der elektrischen Gleichspannung U_P mit einer elektrischen Wechselspannung U_exc mit einer Frequenz fexc für die Zeit t_exc angeregt. Die Frequenz fexc ist gleich einer Resonanzfrequenz f_r des Bauelementes oder befindet sich in der Nähe zu dieser. Durch Beaufschlagung des Bauelementes mit der Wechselspannung U_exc wird dieses zum Schwingen angeregt. Dadurch vergrößert sich die Beweglichkeit der Domänen in der Piezokeramik. Aufgrund einer hohen mechanischen Güte des Bauelementes in der Nähe der Resonanz ist eine relativ kleine Amplitude der Anregungsspannung U_exc ausreichend, um eine hohe Schwingungsamplitude der Domänen in der Piezokeramik hervorzurufen. Die noch nicht ausgerichteten Domänen richten sich nun ebenfalls nach der elektrischen Feldstärke aus. Der Polarisationsgrad der Piezokeramik steigt. Nach Ablauf der Zeit t_exc, die von der jeweiligen Keramikzusammensetzung des zu polarisierenden Piezoelements abhängt, wird die Spannung U_exc abrupt abgestellt. Die sich während der Anregung ausgerichteten Domänen behalten nach Abschaltung der Spannung U_exc ihre Ausrichtung bei. Die Zeit t_exc ist für jedes piezoelektrische Material unterschiedlich und muss individuell bestimmt werden. Für die Keramik der Bezeichnung PIC181 der Firma PI Ceramic GmbH, Lederhose, Deutschland, liegt t_exc in einem Bereich von einigen Sekunden.
In dem finalen vierten Prozessschritt wird das Bauelement auf eine Temperatur abgekühlt, bei der die Beweglichkeit der Domänen stark reduziert ist. Alle Domänen behalten Ihre Ausrichtung bei, und die elektrische Spannung U_P, die bis zu diesem Zeitpunkt dauerhaft aufrechterhalten wurde, wird abgestellt bzw. vollständig zurückgenommen.
Durch das erfindungsgemäße Polarisationsverfahren wird die erforderliche Temperatur sowie die elektrische Spannung für die Polarisationsbehandlung des piezokeramischen Bauelements reduziert. Die Reduzierung der Temperatur bringt Vorteile, weil dadurch das Aufbringen der Elektroden auf das Bauelement durch einen Kathoden- bzw. lonenzerstäubungsprozess ermöglicht ist. Die Verringerung der Polarisationsspannung erlaubt eine Polarisationsbehandlung von piezokeramischen Bauelementen ohne Verwendung von Polarisationsflüssigkeit.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass während der Polarisationsbehandlung des Bauelementes mit der elektrischen Gleichspannung U_P das Einsetzen der Polarisation durch Messung des in dem piezokeramischen Bauelement durch die angelegten elektrischen Spannungen induzierten elektrischen Stroms bzw. durch Messung des Scheinwiderstandes Z oder der Ermittlung der Scheinleitwertkurve Y des piezokeramischen Bauelementes in einem definierten Frequenzbereich überprüft wird, so dass der Start der Beaufschlagung des piezokeramischen Bauelements mit der Wechselspannung U_exc darauf abgestimmt werden kann und die elektrische Wechselspannung U_exc zeitlich erst dann angelegt wird, nachdem ein Einsetzen der Polarisation detektiert wurde. Dazu wird in diesem Bereich ein Frequenzsweep mit einer konstanten elektrischen Spannung U_sw durchgeführt, d.h. die Frequenz der elektrischen Spannung U_sw wird in einem definierten Bereich wiederholt kontinuierlich variiert, also von einer höheren Frequenz zu einer niedrigen Frequenz hin kontinuierlich verringert.
Das Auftreten einer Resonanz auf der Scheinwiderstandskurve, d.h. eines absoluten lokalen Minimums des Scheinwiderstands, bedeutet das Einsetzen der Polarisation des piezokeramischen Bauelementes. Das Beobachten bzw. Detektieren des Einsetzens der Polarisation hat den Vorteil, dass der Prozess des Polarisierens leichter nachvollziehbar bzw. transparenter wird.
Beispielsweise aus der aufgenommenen Scheinwiderstandskurve kann der Polarisationsgrad der Piezokeramik bestimmt werden, indem der Abstand zwischen den einfach auslesbaren Stellen der Resonanz f_r und der Antiresonanz f_a gemessen wird, da ein Bauelement mit einem größeren Abstand zwischen den Frequenzen f_r und f_a einen größeren Polarisationsgrad aufweist. Weiterhin kann man aus den Werten f_r und f_a den effektiven elektromechanischen Kopplungsfaktor $K_{eff} = \sqrt{\frac{f_{a}^{2} - f_{r}^{2}}{f_{a}^{2}}}$
berechnen. Ein piezokeramisches Bauelement mit einem größeren Kopplungsfaktor Keff hat den größeren Polarisationsgrad. Die Beobachtung des Polarisationsgrades kann weiterhin für die Qualitätssicherung des Polarisationsprozesses verwendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Frequenz fexc der elektrische Spannung U_exc gleich der Resonanzfrequenz f_r des Bauelementes ist, bei der das Bauelement im späteren Einsatz betrieben wird. Ultraschallaktoren oder Ultraschalltransformatoren sind resonante Geräte und werden bei bestimmten Resonanzen betrieben.
Den Kern dieser Geräte bildet ein in der Regel piezokeramischer Aktor. Das Anregen eines solchen Bauelementes während der Polarisationsbehandlung mit einer elektrischen Spannung U_exc der Frequenz, bei der das Bauelement auch später in der Anwendung betrieben wird, d.h. f_exc= f_r, hat den Vorteil, dass gerade diejenigen Domänen ausgerichtet werden, die an der Ausbildung der verwendeten Schwingungsmode in dem piezokeramischen Oszillator beteiligt sind. Die Effektivität der gewählten Schwingungsmode wird dadurch erhöht und die der restlichen Moden verringert. Die Verringerung der Effektivität von Schwingungsmoden eines piezokeramischen Bauelementes kann vorteilhaft für solche Anwendungen sein, bei denen ein breitbandiges Schwingen des Aktors unerwünscht ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das piezokeramische Bauelement mit einer solchen elektrischen Wechselspannung U_exc beaufschlagt wird, die mehrere Frequenzen beinhaltet und welche mit den Resonanzfrequenzen f_r des Bauelementes übereinstimmen. Dabei werden mehrere Schwingungsmoden des Bauelementes gleichzeitig angeregt und somit die Beweglichkeit der Domänen weiter vergrößert. Ebenso kann weißes Rauschen für das Spannungssignal U_exc verwendet werden, da ein Signal mit weißem Rauschen unendlich viele Frequenzen beinhaltet, so dass alle Resonanzen des Bauelementes gleichzeitig angeregt werden.
Voreilhafterweise findet die erfindungsgemäße resonante Anregung des piezokeramischen Bauelementes mit der Wechselspannung U_exc für eine Zeitdauer statt, die im Bereich zwischen einigen Zehntel Sekunden und einigen Sekunden liegt. Eine entsprechend kurze Behandlungszeit des Bauelementes reduziert die Zeit des Polarisationsprozesses insgesamt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Frequenz fexc der Wechselspannung U_exc um die Resonanzfrequenz des Bauelementes von einem frequenzmäßig höher liegenden Wert bis zu einem tieferliegenden Wert verändert wird (Frequenzsweep). Dadurch wird bei der Anregung die Resonanzfrequenz des Bauelementes sicher getroffen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Frequenz der Wechselspannung U_exc entsprechend der Resonanzfrequenz des Bauelementes automatisch nachgeführt bzw. geregelt wird. Die Resonanzfrequenz eines piezokeramischen Resonators verändert sich abhängig von der Temperatur und Stromstärke. Die Frequenzregelung hat den Vorteil, dass die Schwingungsamplitude des Bauelementes bei Anlegen von U_exc konstant gehalten wird, was die Polarisation begünstigt.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Frequenz der Wechselspannung U_exc anhand des Phasenunterschieds zwischen dem durch das piezokeramische Bauelement fließenden Strom und der am piezoelektrischen Bauelement anliegenden Spannung geregelt wird. Da bei Resonanz der Phasenwinkel zwischen dem Strom und der Spannung Null Grad beträgt, kann die Regelung einfach durch die Regelung des Nullphasenwinkels realisiert werden.
Zudem kann es von Vorteil sein, dass das Polarisationsverfahren unter einer Inertgas-Atmosphäre, etwa mittels Argon oder Stickstoff, durchgeführt wird. Dadurch können die Elektroden des Bauelementes gegen die oxidierende Wirkung des Luftsauerstoffs zusätzlich geschützt werden.
Figurenliste

1: Diagramm mit dem zeitabhängigen Temperaturverlauf und den zeitabhängigen Spannungsverläufen bezüglich des erfindungsgemäßen Polarisationsverfahrens
2: Prinzipschaltbild einer elektrischen Schaltung zum Anlegen einer elektrischen Spannung an ein piezoelektrisches Bauelement nach dem erfindungsgemäßen Polarisationsverfahren
3: Diagramm bzgl. des typischen Verlaufs des Scheinwiderstands |Z| eines piezokeramischen Bauelementes in Abhängigkeit von der Frequenz; a) Bereich der Resonanzfrequenz f_r und der dazugehörigen Antiresonanz f_a; b) Verlauf des Scheinwiderstands |Z| eines piezokeramischen Bauelementes in Abhängigkeit von der Frequenz mit mehreren Resonanzen
4: Prinzipschaltbild einer weiteren elektrischen Schaltung zum Anlegen einer elektrischen Spannung an ein piezoelektrisches Bauelement nach dem erfindungsgemäßen Polarisationsverfahren
5: Prinzipschaltbild einer weiteren elektrischen Schaltung zum Anlegen einer elektrischen Spannung an ein piezoelektrisches Bauelement nach dem erfindungsgemäßen Polarisationsverfahren, wobei die elektrische Schaltung eine automatische Frequenznachführung der Anregungsspannung aufweist
6: Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Polarisationsverfahrens

1. zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der zeitlichen Verläufe der Temperatur und der elektrischen Spannungen nach dem erfindungsgemäßen Polarisationsverfahren. An der Abszisse des Diagramms ist die Zeit t aufgetragen. Das Diagramm hat zwei Ordinaten, wobei die erste Ordinate die Temperatur betrifft, und die zweite Ordinate die elektrische Spannung.
Bei dem erfindungsgemäßen Polarisationsverfahren wird die Temperatur von einem Wert T₀ zu der Zeit t₀=0 auf einen Wert T_P zu der Zeit t₁ erhöht. Frühestens zum Zeitpunkt des Erreichens von T_P wird an das zu polarisierende piezokeramische Bauelement die elektrische Polarisations-Gleichspannung U_P angelegt. Gemäß 1 wird die Polarisations-Gleichspannung U_P an das piezokeramische Bauelement zu der Zeit t₂ angelegt, also zeitlich etwas nach dem Erreichen von T_P. Die elektrische Gleichspannung wird ausgehend von dem Wert 0V bei t₀ bis zu dem Wert U_P zu der Zeit t₂ erhöht. In der Zeit von t₂ bis t₃ setzt die Polarisation ein, wobei der genaue Zeitpunkt durch eine Messung des in dem piezokeramischen Bauelements durch die anliegenden Spannungen induzierten Stroms beobachtet bzw. überwacht wird.
Zu der Zeit t₄, d.h. zeitlich nach Einsetzen der Polarisation, wird das Bauelement mit der Anregungs-Wechselspannung U_exc beaufschlagt. Sie dauert von einigen Zehntelsekunden bis zu einigen Sekunden und endet zu der Zeit t₅.
Die Temperatur wird zu der Zeit t₆ heruntergefahren. Zu der Zeit t₇ erreicht sie den Wert T_s, bei dem die Beweglichkeit der Domänen in der Keramik stark reduziert ist. Die Polarisations-Gleichspannung U_P wird zu der Zeit t₇, d.h. bei Erreichen von T_s, abgeschaltet. Die Temperatur erreicht zu der Zeit t₃ einen Wert, bei dem die fertig polarisierten Bauelemente entnommen werden können.
2. zeigt das Prinzipschaltbild einer Vorrichtung PV zur Applikation einer elektrischen Spannung an dem piezokeramischen Bauelement in Anwendung des erfindungsgemäßen Polarisationsverfahrens. Die Vorrichtung PV umfasst die elektrische Gleichspannungsquelle 1 sowie die Wechselspannungsquelle 2. Die Gleichspannungsquelle 1 stellt die Polarisationsspannung U_P bereit, welche an dem piezokeramischen Bauelement 3 eine für die Polarisation erforderliche elektrische Feldstärke erzeugt. Die Wechselspannungsquelle 2 erzeugt die Spannung U_exc, welche das piezokeramische Bauelement in einer seiner Resonanzfrequenzen anregt. Beide Spannungen überlagern sich, sodass an dem Bauelement insgesamt eine Spannung U_B = U_P + U_exc anliegt.
3 zeigt in Abbildung a) das Diagramm eines typischen Verlaufs des Scheinwiderstands |Z| eines piezokeramischen Bauelementes in Abhängigkeit von der Frequenz, und zwar im Bereich zwischen einer Resonanzfrequenz f_r und einer Antiresonanzfrequenz f_a. Der Scheinwiderstand |Z| hat seinen minimalen Wert bei der Resonanzfrequenz f_r, während der maximale Wert des Scheinwiderstandes bei der Antiresonanzfrequenz f_a liegt. Ein piezokeramisches Bauelement weist in der Regel mehrere Resonanzen bzw. Antiresonanzen auf. Zur Bestimmung des Beginns bzw. des Einsetzens der Polarisation wird die aufgenommene Kurve im Bereich der zu erwartenden Resonanzfrequenz auf das Vorhandensein eines lokalen Minimums analysiert.
3b) veranschaulicht einen typischen Verlauf des Scheinwiderstandes |Z| eines piezokeramischen Bauelementes in Abhängigkeit der Frequenz mit einer Vielzahl von Resonanzen.
4 zeigt das Prinzipschaltbild einer weiteren Vorrichtung PV zur Applikation einer elektrischen Spannung an dem piezokeramischen Bauelement in Anwendung des erfindungsgemäßen Polarisationsverfahrens. Die Polarisationsspannungsvorrichtung PV beinhaltet die elektrische Gleichspannungsquelle 1, die Wechselspannungsquelle 2 sowie den Transformator 4.
Die Gleichspannungsquelle 1 erzeugt die Polarisationsspannung U_P. Sie ist an die Sekundärwicklung 6 des Transformators angeschlossen. Die Spannung U_P gelangt über die Sekundärwicklung 6 und Strommessvorrichtung 7 an das piezokeramische Bauelement 3 und erzeugt darin die für die Polarisation erforderliche elektrische Feldstärke. Da der ohmsche Widerstand der Sekundärwicklung 6 sowie der Strommessvorrichtung 7 sehr klein ist, ist der an dem Bauelement 3 anliegende Gleichspannungsanteil U_{B_DC} fast gleich U_P.
Die Wechselspannungsquelle 2 erzeugt die Spannung U_AC und ist an die Primärwicklung 5 des Transformators 4 angeschlossen. Die Spannung U_AC induziert in der Sekundärwicklung 6 entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators N (beispielsweise N=1) die Anregungsspannung U_exc. Die Spannung U_exc gelangt über die Strommessvorrichtung 6 an das Bauelement 3 und regt dieses in einer seiner Resonanzfrequenzen an. Beide Spannungen überlagern sich, sodass an dem Bauelement eine Gesamtspannung U_B=U_P+U_exc anliegt.
Mit Hilfe der Strommessvorrichtung 7 wird die Polarisationsstromstärke kontrolliert. Zur Kontrolle der elektrischen Spannung an dem piezokeramischen Bauelement 3 ist eine elektrische Spannungsmessvorrichtung 8 vorgesehen.
5 zeigt das Prinzipschaltbild einer weiteren Vorrichtung PV zur Applikation einer elektrischen Spannung an dem piezokeramischen Bauelement in Anwendung des erfindungsgemäßen Polarisationsverfahrens, wobei die Polarisationsspannungsvorrichtung PV eine Frequenzregelung der Anregungsspannung U_exc aufweist. Daneben beinhaltet die Polarisationsspannungsvorrichtung PV die elektrische Gleichspannungsquelle 1, den digital gesteuerten Oszillator DCO, den Transformator 4, den Stromwiderstand R_I, den optionalen Schleifenfilter LF sowie den Phasenkomparator PC.
Die Gleichspannungsquelle 1 erzeugt die Polarisationsspannung U_P. Sie ist an die Sekundärwicklung 6 des Transformators angeschlossen. Die Spannung U_P gelangt über die Strommessvorrichtung 7 an das piezokeramische Bauelement 3 und erzeugt darin die für die Polarisation erforderliche elektrische Feldstärke. Da der ohmsche Widerstand der Sekundärwicklung 6 sowie der Strommessvorrichtung 7 sehr klein sind, ist der an dem Bauelement 3 anliegende Gleichspannungsanteil U_{B_DC} fast gleich U_P.
Der digitalgesteuerte Oszillator DCO erzeugt die elektrische Wechselspannung U_AC mit einer durch die digitale Eingangszahl veränderbaren Frequenz. Der DCO ist an die Primärwicklung 5 des Transformators 4 angeschlossen. Die Spannung U_AC induziert in der Sekundärwicklung 6 entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators N (beispielsweise N=1) die Anregungsspannung U_exc. U_exc gelangt über die Strommessvorrichtung 7 an das Bauelement 3 und regt dieses in einer seinen Resonanzfrequenzen an. Beide Spannungen überlagern sich, sodass an dem Bauelement eine Gesamtspannung U_B= U_P+U_exc anliegt.
Die Frequenz des Anregungsspannung U_exc wird dabei gleich der Resonanzfrequenz f_r des zu polarisierenden Bauelementes 3 gehalten. Die Frequenzregelung findet anhand der Phasendifferenz zwischen der Spannung am Bauelement U_B und dem durch das Bauelement fließenden Strom I_B statt. Der durch das Bauelement fließende Strom I_B erzeugt an dem in Reihe mit dem Bauelement geschalteten ohmschen Widerstand R_I eine elektrische Spannung U_R, die mit dem Strom I_B phasengleich ist. Die Spannung U_R gelangt direkt oder über den Schleifenfilter LF an den Vergleichseingang des Phasenkomparators PC. Der Phasenkomparator vergleicht die Spannung U_R mit dem Referenzsignal U_ref und steuert den digital gesteuerten Oszillator DCO so an, dass die Phasendifferenz nahezu 0 ist. Als Uref dient dabei die am Bauelement anliegende elektrische Wechselspannung U_B. Der Phasenkomparator kann weiterhin auf einen anderen vordefinierten konstanten Wert eingestellt werden, falls in die Regelschleife durch den Schleifenfilter oder ein anderes Glied eine zusätzliche Phasenverschiebung eingebracht wird.
6. zeigt den prinzipiellen Aufbau für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Durchlaufofen 9 findet die erfindungsgemäße Polarisationsbehandlung der keramischen Bauelemente 3 statt. Der Ofen besteht aus einem Tunnel 10 sowie einem motorisch angetriebenen Transportband 11. Der Tunnel beinhaltet elektrische Heizelemente 12 und besteht aus einem hitzebeständigen Material. Weiterhin sind in den Tunnel Zuleitungen 13 integriert, durch die in den Ofen beispielsweise Argon, Kohlenstoff oder ein anderes Inertgas eingeleitet werden kann. Der Prozess wird von einer Mikrokontroller-Steuereinheit geführt.
In dem Tunnel werden keramische Bauelemente entsprechend dem erfindungsgemäßen Polarisationsprozess thermisch und elektrisch behandelt. Die keramischen Bauelemente werden in dem Tunnel 3 durch das Transportband 11 befördert. Die Bewegungs- bzw. Transportrichtung ist in 6 mit einem Pfeil gekennzeichnet. Auf dem Transportband befinden sich Haltelemente 14, in die die zu polarisierenden piezokeramischen Bauelemente eingespannt sind. Die Halteelemente haben die Funktion, die piezokeramischen Bauelemente elektrisch zu kontaktieren bzw. an sie eine elektrische Spannung entsprechend dem Polarisationsprozess anzulegen. Sie sind mit der elektrischen Polarisationsspannungsvorrichtung PV gemäß 4 oder 5 verbunden. Die Halteelemente sind federnd ausgebildet, elektrisch leitend und bestehen aus einem hitzebeständigen Material, beispielsweise aus einem rostfreien Stahl, einer Silber - oder Kupferlegierung.
Der Ofen lässt sich in funktionale Bereiche aufteilen. Der erste Bereich ist die Bestückungszone BZ. Hier werden die zu polarisierenden keramischen Bauelemente von einem Bediener oder automatisiert in die Haltevorrichtungen eingespannt.
Am Anfang des Tunnels befindet sich die Heizzone HZ. Sie beinhaltet elektrische Heizelemente 12, durch die dieser Bereich erhitzt wird. Die Heizelemente sind an die elektrische Energiequelle ES angeschlossen.
An die Heizzone schließt die ELZ-Zone an, in welcher die Spannungsbeaufschlagung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren stattfindet. Hier werden die Bauelemente mit einer elektrischen Polarisationsspannung U_p beaufschlagt. Der ELZ- Zone folgt die Abkühlzone KZ. Hier findet die Abkühlphase des Polarisationsprozesses statt. Nach der Abkühlzone folgt die Entladezone EZ.
Beim Einfahren in den Tunnel 10 bzw. beim Eintritt in die Heizzone HZ werden die Bauelemente von einer Anfangstemperatut T₀ auf die Polarisationstemperatur T_P erhitzt (siehe hierzu 1). T_P liegt dabei unterhalb der Curie-Temperatur und beträgt je nach Keramikzusammensetzung 150 bis 280°C. Die Curie-Temperatur der harten Piezokeramik liegt im Bereich 330 bis 350°C. Bei den Hochtemperaturkeramiken liegt der Curie-Temperatur bei 400°C und höher. Die Bauelemente erreichen nacheinander die Polarisationstemperatur T_P zu der Zeit t₁.
In der Zone der elektrischen Behandlung ELZ werden die Bauelemente zu der Zeit t₂ mit einer elektrischen Polarisations-Gleichspannung U_P beaufschlagt. Die Polarisationsspannung U_P beträgt dabei je nach Keramikzusammensetzung zwischen 50 und 300V/mm. Die Zeit t₂ kann etwas kleiner, gleich oder etwas größer als t₁ sein. Die Spannung U_P kann eine beliebige Steigung aufweisen. Der Anstieg kann auch nicht-linear sein. Bei Erreichen von T_P oder zeitlich kurz danach wird die Spannung U_P angelegt.
Anschließend wird das Einsetzen der Polarisation des Materials der piezokeramischen Bauelemente ermittelt. Dazu werden die Bauelemente nacheinander mit einer elektrischen Wechselspannung einer kleinen Amplitude (beispielsweise 1V) beaufschlagt, derer Frequenz in einem definierten Bereich von einem frequenzmäßig höher liegenden Wert zu einem tieferliegenden Wert verändert wird (Frequenzsweep). Bei dem Frequenzsweep wird die elektrische Stromstärke über das Bauelement aufgenommen. Nach der Messwertaufnahme wird die Messreihe mit Hilfe eines Rechners auf das Vorhandensein eines absoluten lokalen Minimums analysiert. Das Auftreten eines solchen absoluten lokalen Minimums ist ein Signal dafür, dass sich bereits ein Teil der Domänen in der Keramik ausgerichtet hat und in entsprechender Weise die Polarisation des Bauelementes eingesetzt hat. Das Einsetzen der Polarisation findet zu der Zeit t₃ entsprechend dem Diagramm von 1 statt. Die Zeitspanne t₂ bis t₃ beträgt in der Regel einige Sekunden. Mit Einsetzen der Polarisation ist das Bauelement bereit für den folgenden Prozessschritt der resonanten Anregung.
Nach Feststellen des Einsetzens der Polarisation wird das Bauelement mit der elektrischen Wechselspannung U_exc angeregt. Die Anregung beginnt unmittelbar bzw. kurz nach dem Einsetzen der Polarisation zu der Zeit t₄ (siehe Diagramm von 1). Die Frequenz fexc der Spannung U_exc entspricht dabei einer der Resonanzfrequenzen des Bauelementes. Die Amplitude der Anregungsspannung U_exc hat einen Wert, bei dem die durch das Bauelement fließende Stromstärke für das Bauelement konstruktionsbedingt noch zulässig ist. Aufgrund einer hohen mechanischen Güte des Bauelementes in der Nähe der Resonanz ist eine relativ kleine Amplitude der Anregungsspannung U_exc ausreichend, um eine hohe Schwingungsamplitude der Domänen in der Piezokeramik hervorzurufen. Für Ultraschallaktoren mit den Abmessungen 11×25×4mm³ aus der Piezokeramik PIC181 der Firma PI Ceramic, Lederhose, Deutschland, beträgt U_exc beispielsweise 1 bis 10Vrms. Die Stromstärke beträgt dabei 150 bis 300mA. Bei diesen Werten schwingen die Aktoren noch ausreichend weit von der Grenze Ihrer mechanischen Bruchfestigkeit.
Die Dauer der resonanten Anregung der Bauelemente durch die Spannung U_exc, d.h. die Zeit von t₄ bis t₅, beträgt einige Sekunden.
Unmittelbar nach Beenden der resonanten Anregung der Bauelemente, d.h. ab der Zeit t₆, erreichen die Bauelemente die Abkühlzone KZ des Ofens. Hier beginnt die Abkühlphase des Polarisationsprozesses. Bei der Abkühlung bleibt die Spannung U_P solange an den Bauelementen angelegt, bis die Temperatur T_s erreicht ist, bei der die Beweglichkeit der Domänen stark reduziert ist. Die Zeit, die der T_s erreicht wurde, ist in 1 mit t₇ gekennzeichnet.
Nach der Abkühlzone KZ folgt die Entladezone EZ des Ofens. Zu der Zeit t₈ haben die Bauelemente eine Temperatur, die ihre sichere Entnahme ermöglicht. Die Polarisationsspannung U_p ist zu der Zeit t₈ auf 0V abgesunken.
Die Polarisationsvorrichtung kann ein Transportband beinhalten, das die Bauelemente entlang einer kreisförmigen Bahn verfährt. Das Transportband kann außerdem mehrere Niveaus haben oder entlang einer spiralförmigen Bahn fahren. Dadurch wird eine kompakte Bauweise der Polarisationsvorrichtung erreicht. Das erfindungsgemäße Polarisationsverfahren kann jedoch auch in einem Ofen ohne Transportband stattfinden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2378580 B1 [0006]

Claims

Verfahren zum Polarisieren eines piezokeramischen Bauelements, umfassend wenigstens folgende Schritte: Schritt 1: Erhitzen des piezokeramischen Bauteils unter Luftatmosphäre auf eine Temperatur T_p, die niedriger als die Curie-Temperatur T_c des Materials des piezokeramischen Bauteils ist Schritt 2: Anlegen einer elektrischen Gleichspannung U_p an das piezokeramische Bauelement Schritt 3: Anlegen einer elektrischen Wechselspannung U_exc mit wenigstens einer Frequenz fexc für einen Zeitraum t_exc, während gleichzeitig die elektrische Gleichspannung U_p daran anliegt Schritt 4: Abkühlen des piezokeramischen Bauteils unter weiterer Aufrechterhaltung der elektrischen Gleichspannung U_p nach erfolgter Beaufschlagung mit der elektrischen Wechselspannung U_exc und Zurücknahme der elektrischen Gleichspannung U_p nach Unterschreiten einer definierten Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt 3 angelegte elektrische Wechselspannung U_exc zumindest eine Frequenz umfasst, welche einer Resonanzfrequenz des piezokeramischen Bauelements entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt für das Anlegen der elektrischen Wechselspannung U_exc gemäß Schritt 3 bestimmt wird durch das Anlegen einer elektrischen Wechselspannung Usw an das piezokeramische Bauelement zeitlich nach Anlegen der elektrischen Gleichspannung U_p gemäß Schritt 2, wobei die Frequenz der elektrischen Wechselspannung Usw wiederholt in einem definierten Frequenzband variiert wird, und durch gleichzeitiges Messen des durch die elektrischen Spannungen in dem piezokeramischen Bauelement hervorgerufenen elektrischen Stroms, und aus dem gemessenen Strom in Abhängigkeit der variierenden Frequenz ein absolutes lokales Minimum des Stroms oder der Scheinimpedanz bestimmt wird, dessen Auftreten das Einsetzen der Polarisation des Materials des piezokeramischen Bauelements signalisiert und nach dessen Detektion die elektrische Wechselspannung U_exc an das piezokeramische Bauelement angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Wechselspannung U_exc mehrere Frequenzen fexc aufweist, die mit mehreren Resonanzfrequenzen des piezokeramischen Materials übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Wechselspannung U_exc ein weißes Rauschsignal darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz fexc der Wechselspannung U_exc in einem Bereich um die Resonanzfrequenz f_r des Bauelementes von einem höher liegenden Wert zu einem tieferliegenden Wert verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz fexc durch Regelung des Phasenwinkels zwischen dem elektrischen Strom, der durch das piezokeramische Bauelement fließt, und der elektrischen Spannung, die an dem piezokeramischen Bauelement abfällt, vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Wechselspannung U_exc für einen Zeitraum von einigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses in einer Inertgas-Atmosphäre durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Durchlaufofen (9), ein Transportband (11), das das zu polarisierende piezokeramische Bauelement (3) während des Polarisationsprozesses entlang einer gradlinigen, kreisförmigen oder einer Spiralbahn transportiert, elektrische Heizelemente (12) und eine Spannungsvorrichtung (PV) mit einer Gleichspannungsquelle (1) zur Bereitstellung der Gleichspannung U_p und mit einer Wechselspannungsquelle (2) zur Bereitstellung der Wechselspannung U_exc.
Vorrichtung nach Anspruch 9, zusätzlich aufweisend einen Transformator (4), wobei die Wechselspannungsquelle (2) an eine Primärwicklung (5) des Transformators (4) angeschlossen ist und die Gleichspannungsquelle (1) in Reihe mit einer Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) sowie dem piezokeramischen Bauelement (3) geschaltet ist, und zur Kontrolle der Stromstärke durch das piezokeramische Bauelement (3) eine Strommessvorrichtung (7) und zur Kontrolle der Spannung an dem piezokeramischen Bauelement (3) eine elektrische Spannungsmessvorrichtung (8) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, zusätzlich aufweisend eine Frequenzregelungsvorrichtung für die Anregungsspannung U_exc, welche die elektrische Gleichspannungsquelle 1, einen digital gesteuerten Oszillator (DCO), den Transformator (4), einen Stromwiderstand (RI), einen optionalen Schleifenfilter (LF) sowie einen Phasenkomparator (PC) umfasst.